河口航道整治水位及宽度研究_丁兵

床。文献 ［７］ 总结了国内、外河口航道整治的经
验后， 对于整治建筑物的高程认为以达到出现落
潮最大流速的水位为准， 显然与这一观点是一致
的， 区别在于文献 ［７］ 为最大流速， 本文为较大
流速， 较大流速对应的是落急开始的流速， 这样
可以增加有效束水时间。
３） 以上是考虑多年平均的统计特性， 考虑到
收稿日期： ２００７－ ０７－ ２６ ＊ 基金项目： 国家自然科学基金 （Ｇｒａｎｔ Ｎｏ． ５０４７９０６８）。
作者简介： 丁兵 （ １９８１—） ， 男， 博士研究生， 主要从事河流泥沙工程及冲刷防护技术研究。
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水运工程
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２００８ 年
流速 Ｕ， 水位 ｈ
的确定进行了一些初步的分析， 并基于输沙平衡 原理， 借助于挟沙力公式， 推导了河口整治线宽 度计算式。结合虎跳门试验段 （ 南门涌￣虎跳门 口） 综合治理工程， 运用前述的方法和 公 式 ， 对 虎跳门河口段 （ 横山至虎跳门口） 整治 水 位 及 整 治线宽度的确定、整治效果的估算等进行了分析。
单向流进行分析， 这样的做法有一定的近似性和 盲目性。因此有必要对潮汐河口航道整治水位及 整治线宽度进行进一步研究， 给潮汐河口航道整 治提供支持。
虎跳门试验段 （ 南门涌￣虎跳门口） 综合治理 工程于 １９９６ 年开始 实 施 ， 至 今 已 逾 １０ 年 ， 其 间 积累了丰富的数据及资料。本文对河口整治水位
! Ｗｓ′＝
Ｔ
Ｋ（
Ｕ３
０ ｇｈ!
）ｍＱｄ
ｔ＝"Ｋ
Ｗ３ｍ＋１ （ｇ!Ｔ３Ｂ３ｈ４）ｍ
（ ３）
Ｗｓ
＝ａｄＫ
Ｗ３ｍ＋１ ｄ
（ｇＢ３ｈ
Ｔ４ ３ ｄ
!）ｍ
－
"ｕＫ
Ｗ３ｍ＋１ ｄ
（ｇＢ３ｈ
Ｔ４ ３ ｕ
!）ｍ
（ ４）
式中： Ｗ 为水量； Ｗｓ 为沙量； Ｔ 为涨 （ 落） 潮历
时； Ｂ 为平均水面宽度； Ｑ 为断面平均流量； 下标
计算值比实测小的原因是 α取 １ 引起的。由此可
见， 采用该挟沙力公式对潮汐河口进行输沙分析
是可行的。
２．２ 整治线宽度公式
对于无潮河流而言， 只须考虑径流的挟沙力
问题。潮流情况下， 由于涨落潮流均存在挟沙力，
因此存在一个综合挟沙力。由于涨、落潮量不同，
涨潮挟沙力和落潮挟沙力在全潮过程中所占的比
例是不一样的。在针对落、涨潮流挟沙力分别引
当是位于产生涨潮最大流速对应的潮位和产生落
潮最大流速对应的潮位之间。在这个范围内， 可
以依据以下几点选择整治水位：
１） 涨落潮量比例关系。由于涨潮量和落潮量
之间的比例关系综合体现了涨落潮流流速及时间
关系， 当落潮量占据重要位置的时候， 整治水位
可以取高一点， 反之， 可以取低一点。
２） 充 分 利 用 落 急 水 流 的 较 大 流 速 来 冲 刷 河
整治线宽度体现了整治工程对河道横断面的
缩窄程度， 是一个重要的整治参数。对于感潮河
段而言， 整治线宽度越窄， 减小的涨落潮量越大，
应该慎重考虑。
２．１ 挟沙力公式检验
河道冲淤变化与水流的挟沙力关系密切。当
水流挟沙力大于含沙量时， 引起河道冲刷； 当水
流挟沙力小于含沙量时则会引起河道淤积。当两
者相等时， 河段应当保持输沙平衡， 河床处于相
一般而言， 输沙率取决于含沙量和流速。可以仿
照潮波的确定方法对涨落潮输沙率进行分析。
１．３ 无量纲化分析
在实际分析的时候， 为了数据更具可比较性，
应当对分析的水位进行无量纲化。以涨潮流最大
流速为例， 设涨潮最大流速对应的水位为 Ｚ１ｕ， 涨 潮时低潮位为 Ｚｕｍｉｎ， 涨潮潮差为△Ｈｕ， 因此涨潮最 大流速对应的相对水位为：
对稳定的状态。对宽浅河道而言， 针对涨潮落潮
过程中分别使用挟沙力公式［８］：
Ｓ＊
＝Ｋ（
Ｕ３ ｇｈ!
）ｍ
（ ２）
式中： Ｓ＊ 为水流挟沙力； Ｋ， ｍ 为系数； Ｕ 为断面 平均流速； ｇ 为重力加速度； ｈ 为平均水深； ω为
泥沙沉速。得到涨 （ 落） 潮过程中输沙量 Ｗｓ′及涨
落潮净输沙量 Ｗｓ 为：
含沙量不变， 并假定整治前后水流挟沙力是相等
的 ， 用 下 标 １， ２ 表 示 整 治 前 后 ， 令 Ｓ１＝Ｓ２ 和 Ｑｉｕ＝ #ｉＱｉｄ， Ｔｉｕ＝$ｉＴｉｄ （ ｉ＝１， ２） ， 得到包含涨落潮关系下的 整治前后水深与宽度之间的关系式：
Ｂ２＝ｋＢ１（
ｈ１ ｈ２
）４／３
（ ６）
式中： ｋ 为整治建筑物阻水而造成流量减小的附加
大潮的潮量大、落潮流速也大， 要充分利用大潮
的落潮流冲刷河床， 同时增加工程的有效束水时
间， 可适当提高整治水位， 但是最高不能超过平
均高潮位， 一般可以取多年平均高潮位与落急开
始的流速对应的水位的均值。
１．２ 输沙率特性分析
整治建筑物应当充分利用输沙率最大的时候
进行束水攻沙， 从而把更多的上游来沙输入海洋。
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｃｈａｎｎｅｌ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ； ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ； ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｄｔｈ； Ｈｕｔｉａｏｍｅｎ
随着经济及水上航运业的发展， 河口航道整 治及治理越来越受重视。目前， 虽然前人通过实 践及理论分析研究， 在河口航道建设及治理方面 累积了一些经 验 和 成 果［１－ ５］， 但 是 由 于 潮 汐 河口水 沙条件的复杂性， 还存在许多认识上的不足和差 异。许多河口整治水位及整治线宽度的确定， 都 是借助内河河流的经验和方法［３］， 将双向流简化成
ｕ， ｄ 分别代表涨潮和落潮； α为采用潮平均所引
起的系数， 略大于 １。
采用西江虎跳门水道西炮台站多年平均涨落
潮资料可以对式 （ ４） 进行检验， 挟沙力公式采用
韩其为公式［８］中的系数计算得 α＝１ 时， 涨落潮净输
沙 量 为 ４６１ 万 ｔ， 与 实 测 输 沙 量 ５０９ 万 ｔ 相 吻 合 ，
２００８ 年 １ 月 第 １ 期 总第 ４１１ 期
水运工程 Ｐｏｒｔ ＆ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｊａｎ． ２００８ Ｎｏ． １ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ． ４１１
河口航道整治水位及宽度研究 ＊
丁兵 １， 杨明远 ２
（ １．河海大学水利水电工程学院， 江苏 南京 ２１００９８； ２．广东省航道局， 广东 广州 ５１０１５０）
图 １ 涨落潮潮位和流速变化
图 １ 中的涨潮涨潮流和落潮涨潮流阶段， 都 属于涨潮流阶段。当涨潮流转化成落潮流的时候，
会出现流速近似为 ０ 的憩流。接着落潮流速逐渐
增大而后逐渐减小， 落潮流最大流速一般出现在
较低潮位附近。
在充分利用落潮流整治的时候， 应当尽量避
开涨潮流的影响， 所以合理的整治建筑物高程应
１ 整治水位 对于无潮河流而言， 整治水位越高， 整治建
筑物拦截的径流量越多， 整治线内累积增加的单 宽流量就越大， 整治效果也就越好［５］。由于整治建 筑物的阻水作用， 感潮河段涨落潮单宽流量都会 增加。涨潮流增加了河道的海域来沙， 落潮流把 河道的泥沙输往海域， 因此应当避开涨潮流的负 面影响， 充分利用落潮流整治河道。本文从涨潮、 落潮潮波特性及输沙率进行综合分析， 并采用无 量纲化分析确定整治水位。 １．１ 潮波分析
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ ｏｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ｃｈａｎｎｅｌ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｂａｌａｎｃｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｆｏｒｍｕｌａ， ａ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｗｉｄｔｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ． Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｗｉｄｔｈ ｏｆ Ｈｕｔｉａｏｍｅｎ ｅｓｔｕａｒｙ （ Ｈｅｎｇｓｈａｎ—Ｈｕｔｉａｏｍｅｎ ｅｎｔｒａｎｃｅ） ｗｅｒｅ ｇｅｔ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ－ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａ． Ｔｈｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｈｕｔｉａｏｍｅｎ ｒｅａｃｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ （Ｎａｎｍｅｎｙｏｎｇ—Ｈｕｔｉａｏｍｅｎ ｅｎｔｒａｎｃｅ） ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｈａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ ａ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｃｏｕｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈａｔ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａ ａｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｔｈｕｓ ｍａｙ ｓｅｒｖｅ ａｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｃｈａｎｎｅｌ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｒｉｖｅ ｅｓｔｕａｒｉｅｓ．
△Ｈ１ｕ ／△Ｈｕ＝ （ Ｚ１ｕ－ Ｚｕｍｉｎ） ／△Ｈｕ
（ １）
分 析 式 （ １） 可 知 ， 相 对 水 位 的 取 值 范 围 为 ０￣１，
取 ０ 时代表对应涨潮低潮位， 取 １ 时代表涨潮高
潮位。同理可以写出落潮时的相对水位。
第１期
丁兵， 等： 河口航道整治水位及宽度研究
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２ 整治线宽度
摘要： 对河口整治水位的确定进行了一些初步的分析， 并基于输沙平衡原理， 借助于挟沙力公式， 推导了河口整治线宽
度计算式。运用前述的方法和公式， 给出了虎跳门河口段 （ 横山—虎跳门口） 整治水位及整治线宽度。分析了虎跳门 （ 南门
涌￣虎跳门口） 河段航道整治工程的整治效果， 结果表明， 整治工程达到了预期的效果。同时， 把整治后整治线内的实际冲
入权重因子 Ｗｄ ／（ Ｗｄ＋Ｗｕ） 和 Ｗｕ ／（ Ｗｄ＋Ｗｕ） ， 得到涨 落潮综合挟沙力为：
Ｓ＝Ｋ（
Ｕ３ ｄ
）ｍ
Ｗｄ
－ Ｋ（
Ｕ３ ｕ
）ｍ－
Ｗｄ
（ ５）
ｇｈ! Ｗｄ ＋Ｗｕ ｇｈ! Ｗｄ ＋Ｗｕ
一般而言， 河道整治前有一个冲淤平衡状态，
整治后， 河道会根据自身条件及上游来水来沙进
行调整， 最终达到冲淤平衡状态。如果上游来水
系数， 表达式为：
ｋ＝ Ｑ２ｄ Ｑ１ｄ
［
１－ １－
$２ $１
#３ｍ＋１ ２
#３ｍ＋１ １
·１＋$１ １＋$２
#１ #２
］１／３ｍ
（ ７）
系数 ｋ 与整治前后流量、涨落潮历时及指数 ｍ 有
关， 其中整治后涨落潮流量的变化情况占据重要
地位， 可以依据建筑物缩窄所引起的涨落潮流量
的减小与整治建筑物的阻水面积成正比， 应用类
河口水流受潮波的影响， 水位流速都随时间 呈周期性的变化。在深海， 潮波的水位和流速随 时间的变化基本一致［６］， 即涨潮流最大流速出现在 高潮位附近， 落潮流的最大流速出现在低潮位附 近， 称为前进波。潮波进入浅海及河口之后， 由 于受到各种阻力的影响而逐渐发生变形和反射， 从而造成流速过程线和水位过程线出现一定的相 位差， 在一般情况下， 涨落潮过程中水位和流速 的变化可以分为： １） 涨潮落 潮 流 ， ２） 涨 潮 涨 潮 流， ３） 落潮涨潮流， ４） 落潮落潮流， 如图 １。
刷厚度与利用整治线宽度计算式反推的计算冲刷厚度进行了分析比较。综合分析表明， 整治水位和整治线宽度的确定方法和
公式是合理的， 可以给类似河口的航道整治提供参考。
关键词： 航道整治； 整治水位； 整治线宽度； 虎跳门
中图分类号： Ｕ ６１７．５
文献标志码： Ａ
文章编号： １００２－ ４９７２（ ２００８） ０１－ ００８７－ ０７
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔａｇｅ ａｎｄ Ｗｉｄｔｈ ｏｆ Ｅｓｔｕａｒ ｉｎｅ Ｃｈａｎｎｅｌ
ＤＩＮＧ Ｂｉｎｇ１， ＹＡＮＧ Ｍｉｎ－ ｙｕａｎ２
（ １．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０１５０ ， Ｃｈｉｎａ）