航道整治线型理论确定方法初探

航道整治线型理论确定方法初探
王秀英;李义天;孙昭华
【摘要】整治线型对航道整治工程设计施工的意义重大,以往多根据经验确定.考虑到环流消失对弯道过渡段水流挟沙力减小、泥沙淤积、浅滩碍航的影响,以弯道环
流运动研究成果为基础,分析不同环流消失长度公式,选取张定邦公式进行改进,初步探讨了整治线型确定的理论公式法,并采用长江中游弯道河段实测数据对公式进行
了验证.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2009(000)001
【总页数】5页(P57-61)
【关键词】整治线型;整治线;环流;环流消失长度
【作者】王秀英;李义天;孙昭华
【作者单位】中国水利水电科学研究院,北京,100038;武汉大学水资源与水电工程
科学国家重点实验室,湖北,武汉,430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点
实验室,湖北,武汉,430072
【正文语种】中文
【中图分类】U617
整治线型布置主要是在保证通航尺度的前提下满足河槽浅滩整治后达到稳定的目的。

冲积性河流一般是曲直相间、曲率半径适当、中心角适度、过渡段不长的微弯状态较为稳定[1]。

目前，整治线型的确定仍主要是参考优良河段或优良时期河型，依
据规范、顺应河势的经验方法。

由于该问题与实际工程联系紧密，综合性理论研究成果还比较少。

航道整治工程方面的书籍[2-3]仅对整治线布置基本原则进行了定
性描述，线型设计也局限于中小型河流整治过程中积累的经验公式。

将河床演变理论研究成果与整治线型相结合的探讨尚属空白，还没有具有理论基础的确定方法产生。

在顺直河道内，由于没有强大的环流控制泥沙运动，河床经常处于不规则的变动中，而不能趋于稳定状态。

河弯则与此相反，是河道固有的稳定河床形态，因此整治线型应构成缓和而均匀变化的连续曲线。

基于此思想，本文总结了现有整治线型经验方法，并以弯道环流理论为基础，探讨了整治线型设计的理论方法。

由天然河流实测资料的分析可以看出，比较稳定的冲积平原河流，其平面形态总是曲直相间、曲率半径适当、中心角适度、两弯道之间直线过渡段长度适中。

由于天然河流的来水来沙条件不同，中枯水时稳定河段河宽范围内的线型不尽一致，甚至差别较大。

因此在具体设计时多根据整治河段上、下游来水条件相近的优良河段或浅滩河段优良时期的线型资料，进行统计分析，作为整治线线型模拟的依据，并结合整治河段的具体情况和船舶（队）航行要求的最小转弯曲率半径R0进行确定，其值应满足条件[3]：
式中：L为最大船舶或船队的长度。

R0与弯道的比降、来沙量和河岸的可冲性等因素有关，可根据优良河段的曲率半
径结合航行要求决定。

根据工程经验，当进入浅滩河段的来沙量较多、枯水比降较大时，可采用R0=4B(B为整治线宽度)；反之，采用R0=6B，一般采用R0=5B；对于不正常的强迫河弯，如果需要切除凸角，以改善航行条件时，可采用
R0=(2～3)B。

若R0过小时，水流向凹岸挤压，使凸岸产生淤积，促使河床变形
过急；若R0过大时，环流作用不明显，水流动力轴线不能稳定。

无实测资料时，R0可采用经验公式[2]：
式中：ω为过水断面面积。

当时，河弯的规律消失。

R0由下式确定：
式中：Q为造床流量；φ为河床中心角，以弧度表示；φ表示曲率半径与河弯长
度间的关系，即在一定R0和Q的条件下，必然有一最适应的河弯长度，使其能
耗最小。

长江中下游干支流多采用下式确定整治轴线曲率半径[4]：
式中：Q为造床流量；φ为河弯中心角 (弧度)。

汉江中下游整治线型采用余弦曲线和复合线为主要形式，整治线曲度半径一般不小于4倍整治线宽度，其中最小曲度半径不小于2倍整治线宽度，这一标准与目前
该段稳定河弯的曲度半径较为吻合[5]。

现有整治线轴线的确定多是从中小型河流枯水航道整治工程中总结的，缺乏足够的理论依据，用于无整治经验的河段及大中型河流，局限性较大。

因此，以实际工程经验为基础，寻求理论求解方法能够更好地考虑河流条件，进一步指导工程实践。

2.1 弯道环流消失长度
冲积性河道总是弯曲的，当河道弯曲半径及上下两个反弯道中的直线段长度适中时，河道的平面形态与来水来沙条件和地质条件相适应，形成稳定的河型，也能够满足航行方面的要求[3]。

主流线弯曲段往往是深槽所在位置，弯道之间距离适当时，
水流可以顺利地由上一个弯道过渡到下一个弯道。

过渡段过长、过短均容易形成过渡段碍航浅滩。

因此保证弯道过渡段长度适中是整治轴线布置必须解决的问题。

由弯曲河型演变特性及浅滩成因分析可知，弯道环流是弯曲河段、顺直河段弯曲水流的重要水流特性。

水流进入弯道后，环流逐渐形成并增大，弯顶略下端达到最大值，而后逐渐减弱直至消失。

水流受弯道边壁作用，环流结构能够克服水沙流内部的分散特性螺旋式前进。

由于水沙流不存在固定形态，一旦这种约束力消失，很容易向各个方向分散，直至进入下一个弯道环流形成阶段，边壁约束力重新作用于水沙流，原有分散情形才会消失。

从这一角度分析，上一弯道环流末端刚好进入下一弯道环流形成阶段是最为适合的过渡段长度。

2.2 弯道环流衰减公式
由环流的沿程分布公式，可求出流程坐标x，从而得知环流衰减到某种程度时的距离。

若以环流强度衰减到10%作为标准，不难由各自的环流沿程分布公式求出此
时流程坐标算数平均值Xcp，即环流衰亡长度。

主要环流衰亡长度公式有4个
罗索夫斯基公式为：
张定邦公式： Xcp=0.13C2h
张红武公式：
M.A.Nouh等1979年提出的公式：
式中：C为谢才系数；h为弯顶水深。

衰亡长度公式由环流沿程分布公式直接求得，从表1可以看出，张红武公式与罗
索夫斯基公式结果接近，张定邦公式计算结果约为其它公式计算值的10倍，与实际顺直过渡段长度较为接近。

2.3 环流衰减公式计算整治轴线
已有环流消失长度公式除张定邦公式外，其他各公式的计算结果显然与实际顺直过渡段长度差别较大，若自弯道顶冲点开始计算，则按照张定邦公式以外的其它公式计算，弯道尚未结束，环流就已经消失了。

因此本文选择张定邦公式推求整治线型理论方法。

张定邦化简了B.H.冈恰洛夫流速对数分布公式后解得的环流流速分布公式为：
式中：K3与M′为相对粗糙度的函数，可从专用图上查得，但它们的变化区间较小，作者建议在计算时可采用其平均值，即K3=0.001 3，M′=10.3，相对水深η=z/h，h为垂线水深。

张红武等在分析张定邦环流流速公式时指出，该公式在结构形式上较为简单，而且与床面光滑时的资料较为符合，但公式推导中采用了如下处理[6]：
经过数学分析得知，该式难以成立，因此在推导环流沿程分布公式时利用了结构形
式存在缺陷的(1)式，获得了水面环流比河底衰减还快的结果，与实际不符。

而由环流沿程分布公式推导的环流消失长度公式自然存在以上不足。

针对以上不足，可以考虑避免采用上述存在问题的假设条件，由该假设的上一步[6]，即：
直接推求环流消失长度公式。

原文中令，取数值F1(η)+PF3(η)≈F2(η)，M′=M+1，K3=0.001 3，M=9.3，化简后得 (1)式。

不做上述数值关系替代，直接计算(3)式，则：
因此环流流速分布公式为：
其中：F(η)=ln η ln(1-η)(ln η+2M)+lnη+(2lnη+2M)·
根据图1罗卓夫斯基试验资料率定常数c= 13.31，分别采用 (1)式和 (3)式计算环流流速，C取50，与试验资料的对比如图1中实线。

由于本文的化简弥补了 (2)式数学关系不成立的缺陷，与实测资料吻合情况更好。

当η=0.01(即近底处)时，F1(0.01)=-0.325 47，F2(0.01)=0.112 61，F3(0.01)=-4.605 17，代入 (3)式，则底部垂线环流流速为：
当η=0.99(即近水面)时，F1(0.99)=-2.403 12，F2(0.99)=3.239 44，F3(0.01)=-0.010 05，代入 (3)式，则水面垂线环流流速为：
，将上述弯道顶点近底和水面环流流速Urog和Uron代入环流消失长度公式：进而解出环流消失长度：
取表面和近底平均值，即可得环流消失长度公式：
式中：，这表明环流消失长度除与水深有关外，还与弯道顶点的糙率即河床组成、断面水力半径关系密切。

公式借用张定邦公式形式，且避免了数学推导过程中的不足。

长江中游荆江河段河势控制要求平滩河宽不小于1 300～1 500 m，为满足航道部
门要求，弯道过渡段长度小于7 000 m，航槽最小宽度大于80 m，航道弯曲半径大于1 500 m[7]。

取长江中游尺八口水道、八仙洲水道、观音洲水道、仙峰水道
2个连续弯道，位置如图2中弯道1、弯道2，分别采用上述环流消亡公式计算环流消失长度。

图2中弯道1，自弯道顶到出弯道进入直段的长度即为2 500 m，远大于罗索夫
斯基公式、Nouh公式、张红武公式计算值。

这3个公式的计算结果相当于图3
中自A点到B点的距离，水流还没有完全出弯道进入直段。

而且一般弯道水流顶
冲点正是位于A与B点之间的部位，环流应该还比较大，而不至于消失。

弯道1
自弯顶到出现浅滩的位置长约5 000 m，弯道2自弯顶到出现浅滩的位置长约4 500 m。

前一个弯道出浅原因为过渡段长度过短，深槽深入到了下游弯道处；后一个弯道过渡段则略长一些，上深槽没能够与下深槽连接起来。

整治经验表明，整治线两反向曲线间的直线不宜过短或过长。

过短时，在过渡段的某些横断面上会产生反向环流，形成交错浅滩；过长时，则会加重过渡段的淤积，促使浅滩复杂化。

一般直线段长度控制在3倍整治线宽度范围内，2个弯道曲线顶点间的距离控制在(12～14)B的范围内[2]。

以长江中游河段为例，顺直段整治线
宽度一般在1 000 m左右，则两弯道顶点间距则要控制在12 000～14000m以下。

弯道顶点处整治水位时水深一般可达到20 m左右，本文公式计算从弯道顶点到环流消失长度约5 400 m。

上一个弯道环流消失点应该为下一个弯道环流产生点才
能保证岸坡平顺连接，水流平稳过渡。

自上一个弯道环流消失点到下一个弯道顶点之间的距离约3000 m左右。

由此可知，本文公式估算的2个弯道以长度适中的
过渡段连接时，顶点之间的距离约8400 m，在控制范围以内。

收集长江中游白洋洲、关洲、马羊洲、陡湖、莱家铺、砖桥、汉金关、铁铺、花口、邓家口等弯道段弯顶处水深与过渡段长度（此处过渡段指弯顶最大水深处到下一弯道进口段总长)资料，绘制关系图。

本文推导的整治线型理论公式
取C=50，则有xP=270.6h。

从图4中可以看出，实际资料与本文获得的弯道环
流消失长度公式十分吻合，进一步表明采用环流消失距离解释弯道过渡段长度比较符合实际，计算过渡段长度可以采用该公式。

考虑到环流消失会引起弯道过渡段水流挟沙力减小、泥沙淤积，以弯道环流最新研究成果为基础，对比不同环流消失长度公式，对张定邦公式进行改进，可以获得整治线型理论方法，以长江中游弯道河段实际数据加以验证，结果表明理论公式的计算结果与长期以来的工程经验基本吻合。

该问题的理论研究受河床演变基本理论的指导和限制，有助于更好地解决工程问题。

评委点评：
平原冲积性河流一般曲直相间，其中河弯因其特有的弯道水流控制泥沙运动而有较稳定河床形态，进而常有航道所需的水深，而顺直河道内则河床常处于不稳定状态，相应航道难以有良好水深。

航道整治线的布置以使整治后的河槽达到稳定并保证通航尺度为目的，多根据经验确定。

基于整治线型应为连续缓变曲线的思想，文章以弯道环流理论和现有整治线型经验方法为基础，探讨了整治线型设计的理论方法，并采用长江中游河段实测数据对其作了验证，结果表明两者基本吻合。

文章以河床演变基本理论为指导，思路清晰，文字流畅，推演过程正确，结论明确且有一定理论价值，并可直接运用于解决工程问题。

评委简介：
徐元，博士，教授级高工，中交上海航道勘察设计研究院有限公司总工，在长江口深水航道治理工程、上海国际航运中心洋山深水港等国家重大工程中担任项目负责人、项目审定人，多个项目获得国家、省部咨询奖、优秀工程设计奖，在国内外发表科技论文十余篇。

【相关文献】
[1]程昌华.航道工程学[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2]水运规划设计院.平原航道整治 [M].北京:人民交通出版社,1977.
[3]詹世富.航道工程学(II)[M].北京:人民交通出版社,2003.
[4]华东水利学院,重庆交通学院.航道整治(港口与航道工程专业用)[M].北京:人民交通出版社,1980.
[5]赵宗纲.汉江航道整治工程设计体会[G]//汉江航道整治与泥沙问题研究论文集,2002.
[6] 张定邦.弯道横向环流[G]//水运工程技术资料(14)平原航道整治论文集.北京:人民交通出版社,1980.
[7]长江科学院.三峡水库枢纽下游河床冲刷对防洪航运影响研究[G]//长江三峡工程泥沙与航运关键技术研究专题研究报告集.武汉:武汉工业大学出版社,1993.。