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1、第二章 河流与航道 本章介绍了天然河流的形态特征、河流水力特征、 河流泥沙特征。航道必须具备一定的航行条件,即航道 尺度,根据航道内通过设计船型载重吨位的大小,航道 划分为七级。航道的规划应有科学的程序,航道工程措 施可分为疏浚工程、航道整治工程、渠化工程、径流调 节和助航措施等。本章还介绍了航道内航行船舶的特征 及其编队方式、船舶航行阻力与过滩能力;为船舶航行 指示安全、经济的航道,常设置航标以标示内河航道的 方向、界限与障碍物。 第一节 天然河流的主要特征 河流陆域地表宣泄洪水的通道, 是溪、川、江、河的总称。 水流 河流 泥沙 河床边界 沿河长按不同自然特征,河流划分为五个部分: 1、河
2、源河流的起点,即河流最初具有地表水流形态的地方; 2、上游直接连接河源,位于河流的上段; 3、中游位于河流的中段; 4、下游位于河流最下一段; 5、河口河流的终点。 长江上游宜昌以上的河段; 中游宜昌至汉口的河段; 下游汉口以下的河段; 一、河流形态特征(主要指河流的几何特征和地貌特征) 、 河流平面、横断面与纵剖面: (1)河流的平面形状(与水下地形相适应) 迂回曲折,左右蛇行 原因水流的冲击作用、河岸土质不均匀等 河流的过度弯曲对航行及其不利: 大大增加了航行路程; 影响船队形式; 增加驾驶操作的困难,甚至由于弯曲过甚而发生碰岸事故 山区河流 其平面形态决定于流经地区的地貌和地质特征, 河
3、中常见巨石突起,岸线极不规则, 急弯卡口众多,开阔段与峡谷段相间出现。 平原河流 其平面形态常分为四种: 顺直型或边滩平移型; 弯曲型或蜿蜒型; 分汊型或交替消长型; 散乱型或游荡型。 每种类型的前一个命名指平面形态,后一个指演变特征而言 ,它们彼此对应。但习惯上这四种河型,常依次称为顺直型、弯 曲型、分汊型和游荡型。 顺直型河段的主流仍然是弯曲的,河槽中经常有泥沙的堆积体, 如边滩、江心滩、江心洲和沙埂等。很长的顺直河段不多。 弯曲型河段由正反相间、曲率达到一定程度的弯道和介于其间 长短不等的过渡段连接而成。河道向下游蜿蜒蛇行 美国犹他州格林河段 分汊型河段通常是宽浅水道,中间被沙洲、浅滩分
4、隔 游荡型河段,河身一般宽窄相间呈藕节状。 在窄段,水流平顺,对下游河势有一定控制作用。 在宽段,河身宽浅,河滩密布,汊道交织,河床冲淤变化迅速, 主流摆动不定。 (2)河流横断面垂直于水流动力轴线的河槽断面。 山区河流:常呈形或形断面。 平原河流: 河谷开阔,地势平坦,有深厚冲积层, 不同河段形成不同的横断面形状。 平原河流不同河段横断面 a)顺直过渡段抛物线断面;b)分汊河段马鞍形断面; c)游荡河段不规则断面; d)弯曲河段不对称的三角形断面 长江虎跳峡 赤水河某浅滩 (3)河流的纵剖面 深槽与浅段交替出现的波形线 河流的纵剖面形状 深槽位于河湾部分且接近凹岸; 形成原因河流本身具有弯曲
5、的特性,在 弯曲 河段水流对其凹岸冲刷力强。 浅段位于相邻两深槽之间; 形成原因两弯段之间比较直的河段,一般水 流冲刷力较弱,使泥沙淤积形成浅滩。 、河流阶地台阶状地貌 河流阶地按其结构可分为 以下四类: (1)侵蚀阶地IV级阶地(阶地由基岩组成) (2)堆积阶地I级、II级阶地(阶地由冲击物组成) (3)基座阶地III级阶地(上部为冲击物,下部为基岩) (4)埋藏阶地a 河流阶地结构 类型示意图 、河流节点 由抗冲性较强的突岸形成 并对河势变化起控制作用的河岸形态。 河流节点的两种类型: (1) 一种是两岸皆有依托,位置固定,长年靠流。 (2) 另一种是只有一岸依托,另一岸则是易于冲刷的滩地
6、。 河流节点的控制作用 所在河段的主流摆动; 节点上下游宽浅河段。 二、河流水力特征 河流系统中最活跃、最关键的因素, 开发河流水能资源的主要依据, 影响河床变形的主导因素 主要包括四个方面: 水位、流量特征 比降特征 流速特征影响航行的重要因素 流态特征 三、河流泥沙特征 坡地及沟被侵蚀的岩土 河流泥沙主要来自 河岸河床被冲刷的岩土 几何特性 静态特性 重力特性 级配特性 河流泥沙特性 沉降特性 动态特性 运动特性 冲淤特性 第二节 航道条件 航道为了组织水上运输所规定和设置的船舶航行的通道 。 航道必须具备必要的通航条件: 足够的航道尺度深度、宽度、曲度、净空 合适的水流条件流速、比降、流
7、态 川江某航段航道图 我国天然河流试行通航标准 航道等级I级II级III级IV级V级VI级VII级 浅滩最小 水深(m ) 3.22.53.01.82.31.51.81.21.51.01.20.81.0 通航保证 率(%) 9899939790958595809380907590 一、通航保证率 通航保证率是指在规定的航道水深下,一年内能 够通航的天数与全年天数之比,一般用百分率表示。 通航期 二、航道尺度 根据航道内通过设计船型载重吨位的大小,航道分为七级, 我国内河航道分级与航道尺度,见表2-2。 航道标准尺度在设计通航期内,航道能保证设计船型(船队) 安全航行的最小尺度。 (设计最低通航
8、水位)航道标准水深、航道标准宽度、航道最小弯曲半径 (设计最高通航水位)净空高度、净空宽度 通航净空 (一)航道尺度与水运经济效益 航道尺度的选择应综合考虑其必要性、可能性和经济合理性 航道尺度与成本关系图 最佳航道尺度 总成本最小时对应的航道尺度 (二)航道标准尺度的计算 、航道标准水深设计最低通航水位下航道宽度范围保证 的最小水深,也称设计航道水深 航道标准水深定义图 设计船型标准 吃水(m) H = t + H 富裕水深 (m) 限制性航道因水面狭窄、断面系数小而对船舶航行 有明显限制作用的航道,主要指运河、渠道和河网地区 的部分航道。 船型标准吃水设计船型在标准载重量时的吃水; 船型结
9、构吃水(最大吃水)船体结构所能承载的吃水。 最大吃水 标准吃水 富裕水深船舶标准载重时,船底龙骨下 至航道底的最小安全距离。 影响富裕水深的因素: 1、触底安全富裕量H1 2、考虑波浪影响的富裕量H2 3、船舶航行下沉量H3 4、考虑水体密度影响的富裕水深H4 5、考虑挖槽回淤影响的富裕量H5 确定富裕水深的方法: 通过计算公式 海港航道 H = H1+ H2+ H3+ H4+ H5 内河航道 H = H1+ H3 根据航道等级,按航道整治工程技术规范的规定选取 航道标准水深H (m) 3.0 富裕水深 H 0.20.30.30.40.40.5 沙、泥质河床航道富裕水深 石质、卵石质河床航道富
10、裕水深另增加0.10.2m 、航道标准宽度设计最低通航水位下具有航道标准水深 的宽度,也称设计航道宽度。 根据船舶航行密度和航道条件,设计成: 单线航道 双线航道 讨论直线航道、 弯曲航道情况 直线段双线航道标准宽度: B 2(bcosa+Lsina) b+2D 航迹带宽度B1 航道富裕宽度B2 B航道标准宽度(m) b设计船队宽度(m) L设计船队长度(m) a航行漂角 b上下行船队间 的横向舷距(m) D船舷距航槽 边线距离(m) 单线航道: B1 = bcos a +Lsina B2 = 2D 船舶航行时占用的水域宽度 航行漂角为保持航行的正确方向, 往往使船舶(队)纵轴线 与航向保持一
11、定的夹角。 航行漂角示意图 影响航行漂角a 的因素: 1、船舶吃水与航道水深的比值t/H;( t/H a ) 2、水流流态;(流态越坏,漂角越大) 3、船队长度与航道弯曲半径比值L/R;( L/R a ) 4、顶推船队的方形系数L/b。( L/b a ) 确定航行漂角的方法: 通过设计船型的实船试验确定; 按航道工程技术规范规定的范围在35内选取。 航道富裕宽度保证船舶安全航行,不产生船吸和岸吸现象 的最小富裕尺度。包括船队间的富裕宽度、 船队与航槽边线间的富裕宽度。 影响航道富裕宽度的因素: 船形、队形、系结方式; 船队的航速及推轮的舵效; 水流流速、流态; 河岸的土质及坡度等。 航道富裕宽
12、度的确定方法: 通过设计船型的实船试验确定; 采用经验公式估算 我国目前的直线段航道标准宽度大致是设计船队宽度的4倍, 随着航运事业的发展,这个比值将会增大。 弯曲段航道加宽 航道整治工程技术规范规定 R6L时,不考虑弯曲加宽 3LR6L时,根据水流条件等具体情况确定 通过实船试验确定 R3L时,适当加宽 通过公式计算 采用直线段航道标准宽度的计算公式 (其中a的取值采用弯道上的航行漂角) 3、航道最小弯曲半径 航道弯曲半径弯曲航道中心线的曲率半径; 航道最小弯曲半径保证标准船队安全通过弯道的最小弯曲半径 航道最小弯曲半径的取值: 3顶推船队长度 或 4拖带船队中最大单船长度 在一定条件下,弯
13、曲半径可适当减小,但不得小于: 2顶推船队长度 或 3拖带船队中最大单船长度 4、通航净空 净空高度Hm 净空宽度Bm 上底宽 b 侧高 h 通航净空示意图 净空高度设计最高通航水位往上至跨河建筑物底部的垂直距离; 净空宽度航道底标高以上桥墩(桥柱)间的最小净空。 三、航道断面系数 航道断面系数; 设计最低通航水位时的航道过水断面; 标准船舶(队)标准吃水时的船只浸水横断面面积。 值越小,船舶航行的阻力越大。 根据国内外的研究成果,认为 是最经济合理的 航道工程技术规范规定: 一般情况, ; 流速较大的河流, 。 四、航道水流条件(包括流速、比降和流态) 航道内的表面流速、局部比降、垂直航道轴线的横向流速 不能过大 澜沧江河流急流滩船舶过滩 第三节 航道规划及航道工程措施 一、航道规划 航道规划的主要任务 研究航道开发的经济意义、社会价值及技术上的可能性; 制定近期和远景航道开发方案; 提出适应远景发展的航道措施