河港挖入式港池口門軸線布置對港池淤積影響分析

1、河港挖入式港池口門軸線布置對港池淤積影響分析沈小雄 , 張戈 , 連石水(長沙理工大學河海工程學院 , 湖南 長沙 410076摘要 :根 據渾水和清水模型試驗 , 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 與港池布置形式時港池淤積強度、 淤積量和淤積分布情況 , 所得到的 H 與淤積之間的變化關系可為 內河挖入式碼頭的合理布置提供重要依據。研究結果 與現場調查資料進行了對比 , 吻合較好。 關鍵詞 :挖入式港池 ; 布置 ; 回流 ; 淤積中圖分類號 :U 653文獻標識碼 :A 文章編號 :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引言我國江蘇的河 網地區(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 數量的挖入式 港池。但淤積問題一定 程度上阻礙了挖入 式 港池的推廣應用 , 結

6、合 河港工程總體設計規(guī)范 專題研究 , 進行了挖入式港池的清水試驗 、 渾水試驗、現場調查研究。 試驗研究了不同因 素對港池回流特性 的影響以及對港池 淤 積的影響程度 , 試驗布置見圖 1。根據模型系列試驗資料 , 對挖入式港池 的回流特性、口門軸線 布置與淤積的關系 等 問題進行了探討。在現場調研中調查了江蘇的蘇州、無錫、 江陰、 鎮(zhèn)江、 南通、 南京等地的挖入式港池 , 湖南省的長沙、 岳陽、 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 16個港口 24個港 池。 現場調查的內 容主收稿日期 :2004-06-04修改稿日期 :2005-03-31基金項目

7、 :交通部 河 港工程總 體設計規(guī) 范專題研 究 (交水發(fā)2001642號 ; 湖南省教育廳科學研究項目 (湘教 發(fā) 2003101號 作者簡介 :沈小雄 (1961- , 男 , 副教授 , 主要從事內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運 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度的主要因素分 析內河挖入式港池內的 水流系統(tǒng)是一相對 封閉的回流系 統(tǒng) , 由于主流和回流交界 面處的紊動切應力 是回流形成的 , 2005年 6月 第 3期總第 136期 中國港灣建設 China Harbour

8、Engineering Jun. , 2005T otal 136, N o. 3條件和邊界條 件密切相關。影響回流 平面尺度和回流強 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。 試驗結果表明 , 對回流平面尺度影響 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 影響相對較小。2. 1 回流尺度隨交角的變化當其它條 件不變而港池軸線 與主流交角增大時 , 回 流 的范圍呈現較大的差異 (圖 2 , 即回流長度隨

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

10、。圖 3為港池寬 84cm 幾種不同交角和主流流速情況 下的回流強度。 表明 當主 流流速相同且 其他因素不變時 , 回流 強度隨交角的增加 而 線性增大 , 但由于底部的摩擦作用 , 當水深較小時 , 增 加的 幅度較小 , 水深較大時增加的幅度較大。圖 3回流強度與交角的關系 B =84cm3港池軸線與主流流向的交角對淤積的影 響分析分析回流的形成 機理 , 水流的邊界突變 提供了回流的 場所 , 紊動摻混產生的紊動切應力提供 了回流運動的動力 , 重力補償流維持了回流的穩(wěn)定。 在試 驗中觀察到 , 當交角大 于 90時 , 在主流與港池內水體的分離界面上 , 形成一個個 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力 , 同時 , 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 , 通過水體交換 , 進入港池的泥沙數量增多 。 由前 面的分析可知 , 港池內的 回流強度是隨著主 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。 兩者 的對比和變化使淤積 情況較復雜。根據對已 建成的挖入式 港池的調查 , 對于含沙量較大 , 所在河段水文條件基本相同 時 , 交角大的挖入式港池淤積量較大。根據地形測量數 據 , 將回流區(qū)各點實測 淤積厚度加權 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 流淤積的強度。通過固定其他因 素 , 僅改變港池軸線與 主流交角的試 驗 , 表 明 :當交角 H =3090, 回流區(qū)淤積強度隨交角增 大而增大 , 由于交角小時 , 回流強度相對較弱 , 主流與回流 之間的動量和泥沙交 換以質點和渦團的摻 混為主 , 立軸漩 渦的直接搬運作用小 , 進入港池的懸 沙數量少 , 回流區(qū)淤積 強度也較小 ; 當交角增大到 90時 , 回流區(qū)淤積強度達到最 大值。當交角 H =90150時 , 港池淤積強度不再增加 , 反而有所減小 , 據分析 , 應是回流強度隨 交角的增大而增大 , 回流的挾沙能力也相應增強 , 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、港池口門寬度、 港池水深的幾組試驗結果 , 具有類似的規(guī)律。7組試 驗數據表明 , 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 的淤積 強度明 顯大于 交角小于 90的情況 , 交角約 90時淤積最嚴重?，F場調查也表明 , 對于含沙量較 大 , 所在河段水文條件 基本相同時 , 交角大的挖入式港池淤 積量較大。 如湘江岳陽 段最大流速 2. 6m /s , 平均含沙量 0. 697kg /m 3, 岳陽港港 務公司港池設計時港池軸線與主流方向夾角采用 90, 年淤 積厚度顯著增加 , 最大達到 11. 5m

14、, 港池中間也有 0. 70. 8m , 每年都要疏浚。 而湘江長沙段最大流速 1. 9m /s , 多年平均含沙量 0. 192kg /m 3, 長沙港第一作業(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 網地區(qū)大 , 設計時港池軸線與主流方向夾 角采用 30(口門 朝向下游 , 港池淤積不太嚴重 , 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 的掉落物 , 淤積分布多為靠船的兩邊高 , 港池中間低 , 口門 處的淤積不明顯 ; 又如鎮(zhèn) 江大港內河港池和 南京棲霞化肥 廠港池同處于長江上 , 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, 從港池淤積量的調查 結果來看 , 后者港池 的年淤積 厚度為 1m 6 中國港灣建設 2005年第 3期圖 4回流淤積強度隨交 角的變化明 , 在 河網地區(qū)和運河上 , 河流流速不大 , 含沙量小 , 水位 差小 , 港池的軸線方向對港池淤積的影響不大 , 年淤積 量約 為 0. 30. 5m 。試驗也表明 , 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 回流淤積強度 H 。 如前所述 , 回流長寬比隨 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 的增大呈現先 增大后緩慢減小的 規(guī)律。兩者乘積使總淤 積 量呈現增加的規(guī)律。 總之 , 港池軸線與主流流向的交角 對淤 積具有顯著的影響。4結論與建議(1 回流區(qū)的 范圍隨口門軸線與 主流流向的交角增 大 而增大?；亓鲝姸纫搽S交角的增大而線性增大。(2 口門軸線布置對挖入式港池的淤積量的影響較大。 在來水來沙條 件相同的情況下 , 回流 區(qū)淤積強度隨主流 流 向和港池軸線的夾角的增大而 增大 , 當夾角為 90時 , 淤積 量和淤積強度最大 , 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 , 回流區(qū)淤積強度雖略 有減小 , 但由于回流范圍擴大 , 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 , 仍然可能產生較大淤積。 在這種情況下 , 同時考慮船舶靠泊 的方便 , 港池軸線與主流流向的交角應以 3060為宜。 大 于 60的情況 , 宜結合當地的來水來沙條件進行模型試驗驗 證。參考文獻 :1謝鑒衡 , 殷瑞然 . 低水頭樞紐引航道泥沙