石質(zhì)急流灘礙航水流的形成條件與礙航流態(tài)分析

1、石質(zhì)急流灘礙航水流的形成條件與礙航流態(tài)分析曹民雄 ,唐存本 ,蔡國正(南京水利科學(xué)研究院 ,江蘇 南京 210024)摘 要 :分析了石質(zhì)急流灘形成的原因和礙航水流時(shí)形成條件 ,較為詳細(xì)地論述了急流灘的主要流態(tài)與水力特性 ,以及各種流態(tài)對(duì)船舶航行的影響 。關(guān)鍵詞 :石質(zhì)急流灘 ;礙航水流 ;形成條件 ;礙航流態(tài) ;航行影響中圖分類號(hào) :U611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B文章編號(hào) :1002 - 4972 (2003) 10 - 0043 - 03Formation Condition and Pattern of Navigation - obstructing Flo w of Rock Ra pid

2、sCAO Min - xiong , TANG Cun - ben , CAI Guo - zheng(Nanjing Hydraulic Research Institute , Nanjing 210024 , China)Abstract : This paper analyzes the formation causes of rock rapids and formation condition of navigation - obstructing flow and gives a detailed exposition of the main flow pattern and h

3、ydraulic characteristics of rapids , as well as the influences of all kinds of flow patterns on vessel navigation.Key words : rock rapids ; navigation - obstructing flow ; formation condition ; navigation - obstructing flowpattern ; influence on navigation1 前言我國大部分山區(qū)蘊(yùn)藏著極為豐富的礦產(chǎn) 、旅游等資 源 ,山區(qū)水路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展 , 對(duì)

4、流域的地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將起著 重要作用 。目前 ,西部大開發(fā)給西部地區(qū)的水路運(yùn)輸注入 了旺盛活力 ,山區(qū)河流航運(yùn)建設(shè)迎來了新的發(fā)展時(shí)期 。山區(qū)河流多受原生地形的影響 ,表現(xiàn)出不同于平原河 流的礙航特性 ,其中石質(zhì)急流灘就是山區(qū)河流主要的礙航 灘險(xiǎn) 類 型 之 一 。據(jù) 統(tǒng) 計(jì) , 在 石 質(zhì) 灘 險(xiǎn) 中 急 流 灘 約 為50 %1 ,川江上 1 045km 范圍內(nèi) 210 處灘險(xiǎn)中石質(zhì)急流灘有50 處 ,占總數(shù)的 23. 8 %2 ?？梢娛|(zhì)急流灘是目前西部內(nèi) 河航運(yùn)建設(shè)中經(jīng)常遇到的灘險(xiǎn) ,對(duì)其礙航水流的形成與礙 航流態(tài)進(jìn)行分析 ,是石質(zhì)急流灘航道整治的基礎(chǔ) 。山區(qū)河流上游一般穿行于峽谷之間 ,

5、 兩岸巖石裸露 ,巖石褶皺斷裂較劇烈 ,節(jié)理發(fā)肓明顯 ,崩巖垮山較多 ,往往 礁石滾落江中造成堵江 ,使河段成為急流灘段 。在峽谷河 段河流橫斷面多呈 V 字型或 U 型 , 因谷底被水流切削較 深 ,枯水灘勢稍緩 ,但進(jìn)入中 、洪水期 ,兩岸均無臺(tái)地 ,隨著 水位的上升 ,灘勢將越來越?jīng)?。2. 2 山麈溝壑發(fā)育山區(qū)河流兩岸多為綿延的山麈 , 溝壑發(fā)達(dá) , 山洪暴發(fā) 時(shí)從溪溝可沖出大量泥石 , 小塊的碎石易被水帶走 , 較大 的石塊滯留于溪口 ,形成扇形沖積體 ,壓縮或堵塞河道 ,從 而造成急流 。2. 3 巖性組成的不均勻性組成河床的巖石非常復(fù)雜 , 一般各處組成不盡一致 。 軟巖易被水流

6、侵蝕為深潭或凹岸 ,堅(jiān)硬的巖石不易被水流 侵蝕 ,往往成為江中暗礁或石梁 ,造成河道狹窄 。山區(qū)河2 急流灘的形成原因2. 1 峽谷地貌收稿日期 :2003 - 06 - 02西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目 :2001 328 224 68作者簡介 :曹民雄(1965 - ) ,男 ,江蘇南京人 ,碩士 ,高級(jí)工程師 ,從事港口與航道工程的研究工作。·43 ·總 357 期第 10 期2003 年 10 月水運(yùn)工程Total 357 No110Port & Waterway Engineering Oct . 2003流各種流態(tài)的出現(xiàn)源于復(fù)雜的河床地形 ,復(fù)雜而獨(dú)特的河床地形

7、源于河床內(nèi)各處巖石的組成不同 。因而 ,在長期的 水流作用下 ,河床很不規(guī)則 ,使河流呈現(xiàn)出彎 、急 、淺 、險(xiǎn)不 同的灘情 ?？傊?,急流灘一般出現(xiàn)于河流的中 、上游 ,且多見于山 區(qū)河流 。石質(zhì)急流灘段的河段大都由巖石組成 ,河道輪廓 較為穩(wěn)定 ,在水流作用下 ,一般河道變形不大 。石質(zhì)急流 灘的分布與地質(zhì)情況有較為密切的關(guān)系 : 川江的各種急灘50 處 ,重慶以上的丘陵地帶 , 河床較開闊 , 急灘僅 6 處 , 重 慶以下流經(jīng)峽谷地帶 ,急灘達(dá) 44 處 ,占總數(shù)的 88 %2 。(1) 灘段在平面上河寬先收縮再放寬 , 即在灘口存在橫向收縮 ;(2) 灘段在縱向上地形先隆起再下降 ,

8、 即在灘口存在 縱向收縮 。大部分情況下的石質(zhì)急流灘既有橫向收縮 ,又有縱向 收縮 。4 急流灘的主要流態(tài)及礙航情況船舶通過石質(zhì)急流灘險(xiǎn)既要克服各式各樣的礙航流 態(tài) ,也得躲避一些礙航的地形 ( 如礁石) , 否則易被險(xiǎn)惡的 水流推向岸邊或礁石而撞壞 ,或被險(xiǎn)惡流態(tài) ( 如漩水) 所卷 沉 ,造成嚴(yán)重的海損事故 。為了避免海事的發(fā)生 ,必須對(duì) 石質(zhì)急流灘進(jìn)行整治 。4. 1 剪刀水剪刀水是石質(zhì)急流灘最常見的流態(tài) ,因?yàn)┛谔幤矫嫔?存在收縮 ,水流流經(jīng)灘口時(shí)逐漸向下游收縮成一束 , 水波 紋的平面形態(tài)上如同剪刀 ,平面上呈“V”形 ,故稱之為剪刀 水 ,其形態(tài)如圖 1 。3 急流灘礙航水流的形成

9、條件石質(zhì)急流灘的區(qū)域分布和在河流上的大致位置 ,主要 跟地質(zhì)地貌條件有關(guān) , 但具體到每一個(gè)灘 , 急流礙航水流 的形成主要與灘段的地形條件有關(guān) 。3. 1 部分原體急流灘的灘段地形分析 地形條件的影響在溪口急流灘上表現(xiàn)較為明顯 ,且有一定的規(guī)律性 。文獻(xiàn)3 收集了川江大部分溪口急流灘資 料 ,統(tǒng)計(jì)了川江以外部分急流灘段的地形資料 , 其中十五 灘在紅水河 ,師姑灘位于黔江上 。由地形資料圖上可見 , 在平面形態(tài)上 ,各灘的岸線雖有差異 ,但都表現(xiàn)為灘上 、下 游水面寬闊 ,灘口斷面河床最窄 ; 在縱向形態(tài)上 ,各灘河底 高程不盡一致 ,但總的趨勢是灘上 、下游河底高程較低 ,灘 口河底高程最

10、高 , 在灘口橫斷面形態(tài)上 , 川江上的溪口型 急流灘基本呈現(xiàn)出“V”字型河槽 ,其余急流灘多呈現(xiàn)“U”字 型河槽 ,這與灘段的地質(zhì)組成和流域水流特性有關(guān) 。進(jìn)一步對(duì)各灘的河床形態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn) ,山灘上 游到灘口的河寬 、水深和過水面積均沿程減小 ; 由灘口至 灘下游 ,河寬 、水深 、過水面積均沿程增加 ; 灘口斷面過水 面積最小 ,僅為上游面積的 0. 840. 13 倍 ,為下游面積的0. 440. 25倍 。3. 2 石質(zhì)急流灘的地形特點(diǎn) 灘段出現(xiàn)急流的內(nèi)在原因是灘段巖性組成的不均勻性 ,直接原因是灘段過水?dāng)嗝婷娣e過小 。當(dāng)灘段過水面積 較上 、下游要小 ,水流又無法自行將其調(diào)整擴(kuò)

11、大時(shí) ,灘段將 成為水流急 、比降陡的急流灘 。一般急流灘的成灘有一定 時(shí)期 ,從成灘水位開始 , 泄水面積增加率跟不上流量增加 率 ,隨著流量的增加 ,灘上流速越來越大 ; 逐漸至最洶水位 時(shí)兩者不相適應(yīng)達(dá)到極限 ; 然后泄水面積與流量增加不相 適應(yīng)的狀況好轉(zhuǎn) ,灘勢減緩 。其地型特點(diǎn)如下 :圖 1 剪刀水示意圖4. 1. 1 產(chǎn)生原因剪刀水是以平面收縮為主的急流灘的主要流態(tài) ,其產(chǎn) 生的主要原因是灘段兩岸的平面收縮 。剪刀水的產(chǎn)生是 地形與水流相互作用的結(jié)果 ,首先兩岸必需存在相對(duì)突出 物(如溪口灘 、峽口 、突嘴 、礁石等) 挑引水流 , 其次水流需 具有一定的流速 ,使相對(duì)突出物后水流

12、出現(xiàn)分離 。因而兩 岸相對(duì)突出物越明顯 (灘段平面上收縮越劇烈) ,水流速度 越大 ,則剪刀水越明顯 。·44 ·總 357 期第 10 期2003 年 10 月水運(yùn)工程Total 357 No110Port & Waterway Engineering Oct . 20034. 1. 2 水力特性灘口以上河段 , 受灘口地形收縮壅水的影響 , 一般水 面平靜 ,沿程流速和水位變化不大 ; 流近灘口斷面時(shí) ,因過 水面積沿程減小和下游水位較低 , 流速沿程增加 , 水位急 劇降落 ;經(jīng)過灘口斷面后 , 急泄而下的水流在慣性力和重 力作用下繼續(xù)下泄 ,流速沿程增加 ,

13、水位也繼續(xù)下降 。水 流沒有充分?jǐn)U散 , 主流仍集中在河中心 , 兩岸突嘴后出現(xiàn) 回流伴隨于主流兩側(cè) ;經(jīng)過一段距離后 ,流速達(dá)到最大 ,水 面降至最低 ;其后水面略有抬升 ,流速減緩 、漸漸向下游過 渡 (圖 1) 。4. 1. 3 對(duì)船舶航行的影響強(qiáng)烈的剪刀水對(duì)上 、下行船舶航行均有很大影響 , 一 般使船舶上行困難 ,下行危險(xiǎn) 。船舶上行時(shí) , 在最大流速段 , 當(dāng)水流對(duì)船舶的作用力 (水流阻力) 超過了船舶自身推進(jìn)力時(shí)船舶將無法前行 : 在 陡比降段 ,船舶不僅受到水流的阻力 , 同時(shí)受到比降阻力 (船舶自重向?yàn)┫碌姆至? 的作用 ,船舶上灘需克服水流阻 力和比降阻力之和 ,否則需絞灘

14、助航 。一般潛埂型急灘以 比降阻力為主 ,約占總阻力的 70 %以上 ; 突嘴型急灘兩種 阻力所占百分?jǐn)?shù)較接近 ; 峽谷型急灘以水流阻力為主 , 約 占總阻力的 70 %以上2 。針對(duì)以上特征 , 船舶航行操作 時(shí) ,需沖過最大流速區(qū)段 ( 急流段) ,如不行 ,則沿回流與主 流交界間的“夾堰水”上行 , 至灘口下加足馬力沖上陡坡 段 ,或利用錯(cuò)口灘間的緩流區(qū)搭跳斜沖而上陡坡段 。船舶下行時(shí) , 常用舵抵住湍急的水流或?yàn)┲卸蔚呐?水 ,保持船身平衡 ,沿剪刀水的主流而下 。若操舵不慎 ,使 艏誤入回流區(qū) ,而艉尚在主流內(nèi) ,則船身動(dòng)蕩或橫駛 ( 俗稱 “打搶”) ,易使拖駁船隊(duì)斷纜 ,船舶碰岸

15、觸礁造成海事 。如 剪刀水側(cè)邊是泡漩水 , 下行操舵更應(yīng)避開漩水沿主流下 行 ,否則易卷沉 。4. 2 跌水水流由水位較高處猛然跌落至下游 ,其間水面和河底 坡度變化很大的水流流態(tài)稱之為跌水 。因象水流流過門 檻一樣 ,所以又稱“門檻水”。跌水與水力學(xué)中“水跌”的形態(tài)有其相似之處 ,沿程比 降變化均很劇烈 ,但定義不完全一致 。水跌為緩流向急流 過渡的局部水力現(xiàn)象 , 在水力學(xué)中有著嚴(yán)格的定量關(guān)系 , 而跌水只是一種定性的水力現(xiàn)象描述 。灘口斷面的水流 可能還不達(dá)到水力學(xué)中的急流 (水流的佛汝德數(shù)大于 1) 狀 態(tài) ,但為了描述灘上水流坡陡流急 , 我們定性地稱之為跌水 。4. 2. 1 產(chǎn)生

16、原因 跌水是灘段地形以縱向收縮為主的急流灘的主要流態(tài) ,因而跌水是特殊地形對(duì)水流作用的結(jié)果 , 產(chǎn)生的主要 原因是河底縱坡的突然隆起與較低的下游水位 。河底縱 坡變化越大 ,灘口水面出現(xiàn)落差越大 ,跌水將越明顯 。4. 2. 2 流態(tài)特征跌水急流灘上游一般水面比降較小 ,甚至還會(huì)出現(xiàn)壅 水 ,但過灘口后 ,水面比降急劇下降 ,流速很大 ,其后激起 陣陣?yán)嘶?。如果水流經(jīng)過卡口后進(jìn)入突然放寬的河段 , 灘上 、下 水位落差很大 ,則剪刀水也會(huì)表現(xiàn)出跌水的主要特征 。4. 2. 3 對(duì)船舶航行的影響跌水礙航 , 主要在局部陡比降處 。船舶上行至跌水 處 ,如船舶的推進(jìn)力大于灘上水流對(duì)船舶的水流阻力

17、和比 降阻力之和 ,則船舶加大車速可自航上灘 ,否則只能絞灘 。 船舶通過跌水急流灘時(shí) , 一般應(yīng)調(diào)整船位順流而下 , 應(yīng)盡可能加大車速 , 產(chǎn)生舵效 , 如操舵不慎 , 船有顛覆之虞 ;船舶上行時(shí)常用舵壓住湍急的水流逆流而上 。4. 3 其它一些流態(tài)在石質(zhì)急流灘中 , 除剪刀水和跌水外 , 往往還伴隨著 一些其他流態(tài)的出現(xiàn) 。如剪刀水兩側(cè)常伴有回流或泡漩 水 ,其下是卷浪或波狀水躍 。強(qiáng)度較小的回流或泡漩水可 以作為船舶上灘前調(diào)整船位的場所 ,但強(qiáng)度較大時(shí)只能利 用其與主流間的二元水流 。強(qiáng)度較大的卷浪和波狀水躍 將引起船舶的顛簸 , 易使拖駁船隊(duì)斷纜 , 操舵時(shí)應(yīng)劈浪前 行 。在剪刀水的急

18、流灘中 , 如兩岸的相對(duì)突出寬度不同 (或?yàn)閱芜吅訉拤嚎s) ,剪刀水將伴隨著橫流 ,出現(xiàn)“斜流”, 灘口水面具有一定程度的橫比降 。這將使船舶過灘更加 危險(xiǎn) 。在跌水的急流灘中 , 如溢過的石梁或暗礁斜交主流 時(shí) ,橫流將表現(xiàn)為滑梁水 。船舶經(jīng)過伴隨橫流發(fā)生的跌水 急灘時(shí) ,需十分小心 ,船舶易被推向岸邊觸礁碰岸 ,或被滑 梁水帶至障礙物頂上擱淺 、碰撞 ,發(fā)生海損事故 。在彎曲河段或分漢河段的急流灘中 ,往往剪刀水或跌 水下游緊接著掃彎水 , 產(chǎn)生強(qiáng)烈單向環(huán)流沿著凹岸滾動(dòng) , 流態(tài)紊亂 。下水船舶如果“抱磧”不穩(wěn)則易被掃彎水帶向 岸邊觸礁或翻船 ;上水船尚凸巖下游緩流而行時(shí) ,亦可能被 (下

19、轉(zhuǎn)第 39 頁)·45 ·總 357 期第 10 期2003 年 10 月水運(yùn)工程Total 357 No110Port & Waterway Engineering Oct . 20034 對(duì) (90 標(biāo)準(zhǔn)) 質(zhì)疑現(xiàn)在正在修訂 ( 90 標(biāo)準(zhǔn)) 。該標(biāo)準(zhǔn)第五章第 5. 0. 2 條 關(guān)于天然河流設(shè)計(jì)最低通航水位列了 2 個(gè)表 ,即 : 5. 0. 2 -1. 5. 012 - 2 。為便于對(duì)比 ,特作成 1 個(gè)表的左右兩部分 ,以 茲比較 (見表 2) 。表 2從表 2 可看出同等級(jí)的航道采用了同一保證率 ,而保證率 - 頻率法的頻率基本均小于 50 % ,屬本文

20、情況 B 。即 同級(jí)航道采用保證率法比采用保證率 - 頻率法計(jì)算得出 的設(shè)計(jì)最低通航水位要高 。一般要高出 1530cm 不等 。作為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 ,同一級(jí)航道搞出 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是不容 許的 ,也是不嚴(yán)肅的 。特別從整治技術(shù)來看 ,凡從事過航 道整治的技術(shù)人員都知道 : 開敞天然河流 ( 如松花江 ,漢 江 ,贛江 ,北江等) 要增加水深 1530cm 是不容易的 。傅理明教授論文中建議取消保證率 - 頻率法 ,這是上 策 ;如不忍割愛 ,則采取本文情況 A ,或情況 D ,修改頻率 , 使 2 個(gè)方法計(jì)算結(jié)果基本一致 ,希望在修改 (90 標(biāo)準(zhǔn)) 中能 定下來 。(上接第 45 頁)泡漩推入掃

21、彎水區(qū)而發(fā)生海損 。伴隨著一些其他流態(tài) , 如剪刀水兩側(cè)常伴有回流或泡漩水 ,其下有卷浪或波狀水躍 。如兩岸的相對(duì)突出寬度不 同 ,剪刀水將伴隨著橫流而呈現(xiàn)“斜流”, 如溢過的石梁或 暗礁斜交主流時(shí) ,跌水將表現(xiàn)為滑梁水 。這各種流態(tài)對(duì)船 舶航行存在不同程度影響 。5 結(jié)語石質(zhì)急流灘的出現(xiàn)與河流的地質(zhì)地貌條件有關(guān) : 一般 出現(xiàn)于峽谷地貌 、山麈溝壑發(fā)育或巖性組成不均勻的地 區(qū) 。石質(zhì)急流灘段的河段大都由巖石或密實(shí)的卵石組成 , 河道輪廓較為穩(wěn)定 ,在水流作用下 ,一般河道變形不大 。灘段出現(xiàn)急流的內(nèi)在原因是灘段巖性組成的不均勻 性 ,直接原因是灘段過水?dāng)嗝婷娣e過小 。礙航水流的形成 條件正是石質(zhì)急流灘的地形特點(diǎn) : 灘段