河港挖入式港池口門(mén)軸線布置對(duì)港池淤積影響分析

1、河港挖入式港池口門(mén)軸線布置對(duì)港池淤積影響分析沈小雄 , 張戈 , 連石水(長(zhǎng)沙理工大學(xué)河海工程學(xué)院 , 湖南 長(zhǎng)沙 410076摘要 :根 據(jù)渾水和清水模型試驗(yàn) , 分析了挖入 式港池軸線與主流在不同夾角 H 的情況下的回流水力特 性、不同 H 和主流含沙量 與港池布置形式時(shí)港池淤積強(qiáng)度、 淤積量和淤積分布情況 , 所得到的 H 與淤積之間的變化關(guān)系可為 內(nèi)河挖入式碼頭的合理布置提供重要依據(jù)。研究結(jié)果 與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料進(jìn)行了對(duì)比 , 吻合較好。 關(guān)鍵詞 :挖入式港池 ; 布置 ; 回流 ; 淤積中圖分類(lèi)號(hào) :U 653文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :1003-3688(2005 03-0005-0

2、3Analysis of lmpact of Layout of Entrance Axis of Excavated -in Basinupon Siltation in Harbour Basin for River PortsSHEN Xiao-x io ng , ZHANG Ge, LIAN Shi-shui(R iver &O cean Eng . Dept . , Changsha U niv ersity of Science &T echno lo gy , Chang sha 410076, China Abstract :Based o n t he tur bid and

3、 clear w ater model tests, the hydraulic pr oper ties of r eturn wa ter w hen the ax is of an ex cavat ed -in basin fo rms differ ent H ang les w it h t he main stream ; and the siltatio n intensity , v olume of silt and distr ibutio n of siltation, w hen the layo ut o f t he ex cavat ed-in basin is

4、 desig ned, r elat ed to differ ent H ang les and the quantit y o f sediments in the main str eam ar e analy zed. T he r ela tio nship betw een H and silt atio n t hus obtained can pr ov ide an impo rt ant basis fo r r atio na l lay out of excav ated-in ha rbour basins o n inland river s. T he resul

5、t s of the resear ch are compar ed w it h t he data o f field inv estig atio n and ar e found to tally w ell w ith each other . Key words :ex cavated-in basin; layo ut; retur n wat er ; siltation 1引言我國(guó)江蘇的河 網(wǎng)地區(qū)和湖南省采 用挖入式港池的港 口 頗多 , 黑龍江、 山東 、 上海、浙江、 河北等省也都建有 一定 數(shù)量的挖入式 港池。但淤積問(wèn)題一定 程度上阻礙了挖入 式 港池的推廣應(yīng)用 , 結(jié)

6、合 河港工程總體設(shè)計(jì)規(guī)范 專(zhuān)題研究 , 進(jìn)行了挖入式港池的清水試驗(yàn) 、 渾水試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究。 試驗(yàn)研究了不同因 素對(duì)港池回流特性 的影響以及對(duì)港池 淤 積的影響程度 , 試驗(yàn)布置見(jiàn)圖 1。根據(jù)模型系列試驗(yàn)資料 , 對(duì)挖入式港池 的回流特性、口門(mén)軸線 布置與淤積的關(guān)系 等 問(wèn)題進(jìn)行了探討。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中調(diào)查了江蘇的蘇州、無(wú)錫、 江陰、 鎮(zhèn)江、 南通、 南京等地的挖入式港池 , 湖南省的長(zhǎng)沙、 岳陽(yáng)、 沅江等地的挖入式港池以及山東、 上海、 浙江等 地的 挖入式港池 , 共計(jì) 16個(gè)港口 24個(gè)港 池。 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的內(nèi) 容主收稿日期 :2004-06-04修改稿日期 :2005-03-31基金項(xiàng)目

7、 :交通部 河 港工程總 體設(shè)計(jì)規(guī) 范專(zhuān)題研 究 (交水發(fā)2001642號(hào) ; 湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目 (湘教 發(fā) 2003101號(hào) 作者簡(jiǎn)介 :沈小雄 (1961- , 男 , 副教授 , 主要從事內(nèi)河航道及要是挖入式港池所在河流 的水文泥沙情況及 其港池使用情 況 , 包括港池的淤積情況、 船舶出入港池情況和港池的營(yíng)運(yùn) 情況。圖 1挖入式港池平面示意圖2影響回流尺度和回流強(qiáng)度的主要因素分 析內(nèi)河挖入式港池內(nèi)的 水流系統(tǒng)是一相對(duì) 封閉的回流系 統(tǒng) , 由于主流和回流交界 面處的紊動(dòng)切應(yīng)力 是回流形成的 , 2005年 6月 第 3期總第 136期 中國(guó)港灣建設(shè) China Harbour

8、Engineering Jun. , 2005T otal 136, N o. 3條件和邊界條 件密切相關(guān)。影響回流 平面尺度和回流強(qiáng) 度 的主要因素有港池的尺度、港 池軸線與主 流交角、主流 流 速、 港池水深等。 試驗(yàn)結(jié)果表明 , 對(duì)回流平面尺度影響 最大 的因素是港池 軸線與主流流向的 交角以及港池的寬度 , 而 影響 回流強(qiáng)度 的主要 因素是 主流流 速和港池 的幾何 條件 , 即港池寬度和 港池軸線與主流流 向的交角。而港池水深 的 影響相對(duì)較小。2. 1 回流尺度隨交角的變化當(dāng)其它條 件不變而港池軸線 與主流交角增大時(shí) , 回 流 的范圍呈現(xiàn)較大的差異 (圖 2 , 即回流長(zhǎng)度隨

9、H 的增大 而增 大 , 回流長(zhǎng)度與回流寬度之比有較大差別。根據(jù) 70場(chǎng) 次的 試驗(yàn)資料 , 擬合得到計(jì)算回流長(zhǎng)度的公式如下 2:L n(L r /B =0. 0069H式中 :L r 為回流長(zhǎng)度 ; B 為回流寬度 ; H 為主流與港池 軸線 的交角 , ( 。圖 2回流長(zhǎng)度隨交角的變化2. 2 回流強(qiáng)度隨交角的變化以回流橫 斷面上平均流速表 示回流的強(qiáng)度。當(dāng)港池 軸 線與主流流向 的交角增大時(shí) , 作用在 回流交界面的水流 切 應(yīng)力的方向與回流的縱軸線方向的交角 減小 , 圖 1中 B 點(diǎn) 的分流作用增 強(qiáng) , 使港池內(nèi)的回流運(yùn) 動(dòng)流入港池的水流 流 線更加平順 , 回流的強(qiáng)度必然相應(yīng)增大

10、。圖 3為港池寬 84cm 幾種不同交角和主流流速情況 下的回流強(qiáng)度。 表明 當(dāng)主 流流速相同且 其他因素不變時(shí) , 回流 強(qiáng)度隨交角的增加 而 線性增大 , 但由于底部的摩擦作用 , 當(dāng)水深較小時(shí) , 增 加的 幅度較小 , 水深較大時(shí)增加的幅度較大。圖 3回流強(qiáng)度與交角的關(guān)系 B =84cm3港池軸線與主流流向的交角對(duì)淤積的影 響分析分析回流的形成 機(jī)理 , 水流的邊界突變 提供了回流的 場(chǎng)所 , 紊動(dòng)摻混產(chǎn)生的紊動(dòng)切應(yīng)力提供 了回流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力 , 重力補(bǔ)償流維持了回流的穩(wěn)定。 在試 驗(yàn)中觀察到 , 當(dāng)交角大 于 90時(shí) , 在主流與港池內(nèi)水體的分離界面上 , 形成一個(gè)個(gè) 明顯的立軸旋渦而

11、在交角小 于 90后 , 立軸漩渦較少 發(fā)生。 立軸旋渦為港池回流提供了源源不斷的動(dòng)力 , 同時(shí) , 隨著主 流流向與港池軸線的 交角增大 , 立軸漩渦輸 送泥沙的作用 明顯增強(qiáng) , 通過(guò)水體交換 , 進(jìn)入港池的泥沙數(shù)量增多 。 由前 面的分析可知 , 港池內(nèi)的 回流強(qiáng)度是隨著主 流流向與港池 軸線的交角增大而增大的 , 因而回流 挾沙能力也增強(qiáng)。 兩者 的對(duì)比和變化使淤積 情況較復(fù)雜。根據(jù)對(duì)已 建成的挖入式 港池的調(diào)查 , 對(duì)于含沙量較大 , 所在河段水文條件基本相同 時(shí) , 交角大的挖入式港池淤積量較大。根據(jù)地形測(cè)量數(shù) 據(jù) , 將回流區(qū)各點(diǎn)實(shí)測(cè) 淤積厚度加權(quán) 平均得到回流區(qū)平均 淤積厚度

12、, 以該平均淤 積厚度表示回 流淤積的強(qiáng)度。通過(guò)固定其他因 素 , 僅改變港池軸線與 主流交角的試 驗(yàn) , 表 明 :當(dāng)交角 H =3090, 回流區(qū)淤積強(qiáng)度隨交角增 大而增大 , 由于交角小時(shí) , 回流強(qiáng)度相對(duì)較弱 , 主流與回流 之間的動(dòng)量和泥沙交 換以質(zhì)點(diǎn)和渦團(tuán)的摻 混為主 , 立軸漩 渦的直接搬運(yùn)作用小 , 進(jìn)入港池的懸 沙數(shù)量少 , 回流區(qū)淤積 強(qiáng)度也較小 ; 當(dāng)交角增大到 90時(shí) , 回流區(qū)淤積強(qiáng)度達(dá)到最 大值。當(dāng)交角 H =90150時(shí) , 港池淤積強(qiáng)度不再增加 , 反而有所減小 , 據(jù)分析 , 應(yīng)是回流強(qiáng)度隨 交角的增大而增大 , 回流的挾沙能力也相應(yīng)增強(qiáng) , 泥沙不易落淤之故

13、。圖 4(a (d 是不同模型含沙量、 不同主流流速、港池口門(mén)寬度、 港池水深的幾組試驗(yàn)結(jié)果 , 具有類(lèi)似的規(guī)律。7組試 驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 , 在其他條件相同的情況下 , 港池軸 線與主流流 向的交 角大于 等于 90時(shí) 的淤積 強(qiáng)度明 顯大于 交角小于 90的情況 , 交角約 90時(shí)淤積最嚴(yán)重?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也表明 , 對(duì)于含沙量較 大 , 所在河段水文條件 基本相同時(shí) , 交角大的挖入式港池淤 積量較大。 如湘江岳陽(yáng) 段最大流速 2. 6m /s , 平均含沙量 0. 697kg /m 3, 岳陽(yáng)港港 務(wù)公司港池設(shè)計(jì)時(shí)港池軸線與主流方向夾角采用 90, 年淤 積厚度顯著增加 , 最大達(dá)到 11. 5m

14、, 港池中間也有 0. 70. 8m , 每年都要疏浚。 而湘江長(zhǎng)沙段最大流速 1. 9m /s , 多年平均含沙量 0. 192kg /m 3, 長(zhǎng)沙港第一作業(yè)區(qū)南站港池和 第三作業(yè)區(qū)金華殿港池所 處水域水流流速和 含沙量都比河 網(wǎng)地區(qū)大 , 設(shè)計(jì)時(shí)港池軸線與主流方向夾 角采用 30(口門(mén) 朝向下游 , 港池淤積不太嚴(yán)重 , 年淤積厚度僅 0. 250. 4m , 每 23年挖一次 , 且淤積物主要是淤泥和裝卸散貨時(shí) 的掉落物 , 淤積分布多為靠船的兩邊高 , 港池中間低 , 口門(mén) 處的淤積不明顯 ; 又如鎮(zhèn) 江大港內(nèi)河港池和 南京棲霞化肥 廠港池同處于長(zhǎng)江上 , 且都受潮汐影 響 , 前者

15、港池軸線與主 流方向垂直 , 后者港池軸線與主流方向的 夾角為 60, 從港池淤積量的調(diào)查 結(jié)果來(lái)看 , 后者港池 的年淤積 厚度為 1m 6 中國(guó)港灣建設(shè) 2005年第 3期圖 4回流淤積強(qiáng)度隨交 角的變化明 , 在 河網(wǎng)地區(qū)和運(yùn)河上 , 河流流速不大 , 含沙量小 , 水位 差小 , 港池的軸線方向?qū)Ω鄢赜俜e的影響不大 , 年淤積 量約 為 0. 30. 5m 。試驗(yàn)也表明 , 總淤積量隨交角 H 的增大而 增大。 總 淤積 量等于回流淤積區(qū)的面積乘以 回流淤積強(qiáng)度 H 。 如前所述 , 回流長(zhǎng)寬比隨 交角的增大而增大 , 因 此回流區(qū)的面積也 隨 交角的增大而增大 , 而單位面積的平均淤

16、積厚度 H 隨 交角 的增大呈現(xiàn)先 增大后緩慢減小的 規(guī)律。兩者乘積使總淤 積 量呈現(xiàn)增加的規(guī)律。 總之 , 港池軸線與主流流向的交角 對(duì)淤 積具有顯著的影響。4結(jié)論與建議(1 回流區(qū)的 范圍隨口門(mén)軸線與 主流流向的交角增 大 而增大?；亓鲝?qiáng)度也隨交角的增大而線性增大。(2 口門(mén)軸線布置對(duì)挖入式港池的淤積量的影響較大。 在來(lái)水來(lái)沙條 件相同的情況下 , 回流 區(qū)淤積強(qiáng)度隨主流 流 向和港池軸線的夾角的增大而 增大 , 當(dāng)夾角為 90時(shí) , 淤積 量和淤積強(qiáng)度最大 , 夾角為 90的情況比夾角為 30的情況 , 淤積量大了一倍多。 夾角大于 90時(shí) , 回流區(qū)淤積強(qiáng)度雖略 有減小 , 但由于回流范圍擴(kuò)大 , 總淤積量增大。(3 在少沙河流修 建挖入式港池 , 如果港池 布置不當(dāng) , 仍然可能產(chǎn)生較大淤積。 在這種情況下 , 同時(shí)考慮船舶靠泊 的方便 , 港池軸線與主流流向的交角應(yīng)以 3060為宜。 大 于 60的情況 , 宜結(jié)合當(dāng)?shù)氐膩?lái)水來(lái)沙條件進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn) 證。參考文獻(xiàn) :1謝鑒衡 , 殷瑞然 . 低水頭樞紐引航道泥沙