山區(qū)河流的形態(tài)特征與對船舶航行的影響

山區(qū)河流的形態(tài)特征與對船舶航行的影響

山區(qū)河流是指流經(jīng)山區(qū)和山區(qū)的河流。我國山區(qū)河流眾多,如川江、金沙江、涪江、烏江、岷江、嘉陵江、瀾滄江、渠匯、湘江、大渡河等。這些河流流域面積大,分布面積廣,伸入到廣大的山區(qū)腹地,沿河兩岸有大片的森林、豐富的礦產(chǎn)資源、居民城鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)帶等。整治山區(qū)航道,發(fā)展航運(yùn),實(shí)現(xiàn)干支直達(dá),建設(shè)綠色交通,對促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、生產(chǎn)力的合理布局,活躍城鄉(xiāng)人民的物質(zhì)文化交流,鞏固國防等,都具有十分重要的意義。1山區(qū)河流的基本特征1.1山區(qū)河流的流沿程山區(qū)河流的平面形態(tài)因受地形、地質(zhì)構(gòu)造的制約,外形極為復(fù)雜。在背斜構(gòu)造或巖石抗沖性能較強(qiáng)的地區(qū)常發(fā)展成峽谷河段。在向斜構(gòu)造或巖石抗沖性能較弱地區(qū)常發(fā)展成寬谷河段。從總體上看,山區(qū)河流沿程多為峽谷段和開闊段相間。峽谷河段谷身狹窄,槽窄水深,中、洪水水位時(shí)河勢十分險(xiǎn)惡,并且有不少的急彎河谷,枯水水位時(shí)河槽非常曲折。寬谷河段谷身比較開闊,河床比較寬淺,兩岸常有臺地,河中常有邊灘、江心洲。山區(qū)河流兩岸常有巖嘴、石梁等深入河中,導(dǎo)致岸線極不規(guī)則,河面突寬突窄。在石嘴或亂石堆體深入河床的地方,河面聚然縮窄,然后又突然放寬,形成卡口河段。有些山區(qū)河流兩岸會有溪溝匯入,在入口處容易形成沖積扇。山區(qū)河流縱向河底起伏不平,坡度較陡,沿流程水深分布極不均勻,深槽水深可達(dá)幾米甚至幾十米,淺灘水深經(jīng)常會不足航道標(biāo)準(zhǔn)水深而成為礙航淺灘。1.2流量為王是一種變幅,最大的水位通山區(qū)河流匯流地面坡度較大,地表堅(jiān)實(shí),暴雨能很快匯入干流,引起河水猛漲,水位也隨之猛升。但由于縱坡陡峻,洪水能很快宣泄。山區(qū)河流的流量與水位變幅都很大,比如赤水河的最大流量與最小流量之比可達(dá)298,在烏江渡站曾測得最大水位變幅可達(dá)31.6m。長江中、上游的山區(qū)河流由于集水面積比較大,流量過程線會相對比較平順,洪、枯水相差也不會很大。山區(qū)河流灘槽相間,比降沿程分布很不均勻,由于有較多的河彎、石梁、石盤、凸嘴等,因此存在很多較大的橫比降?？菟跁r(shí),深槽流速很小,灘上流速較大,洪水期則相反,深槽流速顯著增大,灘上流速相應(yīng)減小,沿程流速趨向均勻。1.3單次施工時(shí)水流的變化山區(qū)河流流態(tài)復(fù)雜,存在不少惡劣的流態(tài),對船舶航行危害很大。主要礙航流態(tài)有:(1)回流?；亓魇且环N很常見的流態(tài),屬于豎軸旋流。一般在河道平面形態(tài)突然束放的附近水域都會產(chǎn)生。弱小的回流對航行影響不大,船舶可借勢上行而避開急流區(qū)。但大的回流會嚴(yán)重影響船舶航行安全,船舶誤入后會有觸角碰岸的危險(xiǎn)。(2)泡漩水。當(dāng)流速很大的水流遇到水下障礙物的阻攔時(shí),會形成強(qiáng)烈的底部上升水流。涌出水面,四面奔騰,尤如開水沸騰,成為泡水。泡心的壓力與強(qiáng)度均大于四周,所以泡心處水面向上隆起,水流向四周成輻射狀滾出,形似泡花;急亟下潛的水流和緩流之間的摩擦作用形成下凹形漩流成為漩水。漩水的中心旋轉(zhuǎn)速度大于邊緣的旋轉(zhuǎn)速度。漩水隨著水流逐漸向下游移動(dòng),其旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)面積和凹面逐漸減弱,直至消失。泡漩水是水流動(dòng)能轉(zhuǎn)換成位能出現(xiàn)的水流變化現(xiàn)象。當(dāng)船舶行經(jīng)泡漩水區(qū)時(shí),由于受到了泡水?dāng)U散力作用而被推向另一邊,偏離航線,造成歪船、扎駁、斷纜或覆傾沉沒,十分危險(xiǎn)。(3)滑梁水。水流漫過石梁、石盤、蹟壩或丁壩的頂部,流向水位較低的一側(cè)稱為滑梁水。梁上水深常常不足設(shè)計(jì)要求水深,船舶航行不慎,容易被橫向水流推至梁上發(fā)生觸礁危險(xiǎn)。如果兩岸均有滑梁水,而航寬較狹窄時(shí),危險(xiǎn)則更大?；核畢^(qū)還有可能造成不能設(shè)標(biāo),或航標(biāo)流失而發(fā)生海事。(4)掃彎水。水流在彎曲河段上運(yùn)動(dòng)時(shí),由于受到離心力的作用,表層水體向凹岸流動(dòng),導(dǎo)致凹岸水面升高,凸岸水面降低。在水流壓力的作用下,形成貼岸而下的斜流,稱為掃彎水。離心力與水流質(zhì)量、流速的平方成正比,和彎曲半徑成反比,彎曲半徑越小,水流能量越集中于凹岸,凹岸水位越高,斜流就越大。在航道彎曲半徑較小,河面較窄時(shí),掃彎水對下行的船舶危害較大,船舶容易掃彎觸礁。(5)剪刀水。當(dāng)河道兩岸有相對比較突出的物體時(shí),會將水流挑引成兩股水流,逐漸向下游收縮成一束,在平面上呈‘V’形,流速較大,并伴有較強(qiáng)的橫向流,稱為剪刀水。剪刀水的產(chǎn)生是水流和地形相互作用的結(jié)果,首先,兩岸必須有相對突出的地物,如突咀、峽口、礁石等,其次,水流流速要大,因此,兩岸地物突出越明顯,水流流速越大,剪刀水越明顯。當(dāng)下行船舶駛至此處時(shí),可能會由于較強(qiáng)的橫向流而使船舶偏離航線,造成觸礁的危險(xiǎn)。上行船舶駛至此處時(shí),可能會因動(dòng)力不足而無法自航上灘。另外,還有橫流、跌水、激浪等不良流態(tài),對船舶的安全航行造成嚴(yán)重威脅。1.4保險(xiǎn)灘險(xiǎn)較多。據(jù)外部監(jiān)控,原理分為3個(gè)外海點(diǎn)和2.山區(qū)河流河床以石質(zhì)河床居多,灘險(xiǎn)也以石質(zhì)灘險(xiǎn)所占比重最大。山區(qū)河流石質(zhì)灘險(xiǎn)按照礙航原因可主要分成3類:(1)急流灘。由于坡度較大,流速過急,船舶上行時(shí)行至此局部河段,動(dòng)力不足,不能自航上灘。此類灘險(xiǎn)在烏江上又很多,如烏江的水油、牛尾三灘、高灘等。(2)險(xiǎn)灘。由于泡漩水、滑梁水、剪刀水等不良流態(tài)的存在而礙航,致使船舶航行十分危險(xiǎn)。如烏江的中溪子、貓灘等。(3)淺灘。河面寬闊,水流分散,水深不足設(shè)計(jì)要求水深,船舶行至此局部河段容易擱淺。比如烏江的大梁灘、龍船尾,北盤江的壩草灘、壩油灘等。2修復(fù)方法2.1險(xiǎn)急灘段的整治航道整治應(yīng)符合河床演變的規(guī)律和河流動(dòng)力學(xué)的原理,統(tǒng)籌兼顧,科學(xué)規(guī)劃。根據(jù)不同的灘險(xiǎn)礙航性質(zhì),分清主次,針對性地選擇整治措施,優(yōu)化方案。調(diào)整險(xiǎn)灘段的河床形態(tài),并改善流速與流態(tài)。條件許可時(shí),可開辟緩流區(qū),以避開危險(xiǎn)區(qū)域。整治順序一般是先險(xiǎn)后淺的原則,險(xiǎn)急灘對船舶航行安全威脅較大,是最容易發(fā)生海事的河段,應(yīng)首先進(jìn)行整治。同時(shí)要全段規(guī)劃,避免引起上游河段灘險(xiǎn)的惡化。2.2最佳水位為5.2%風(fēng)速急流灘主要是由于河床的泄水?dāng)嗝媸艿絻砂兜匦蔚挠绊?在該灘的成灘水位開始,泄水面積的增加率不適應(yīng)流量的增加率,至最兇水位時(shí)達(dá)到高峰,然后逐漸減緩。這種約束水流的現(xiàn)象,造成灘口段的陡比降和急流,妨礙航行。急流灘的礙航因素是急流和陡比降,應(yīng)根據(jù)該灘的不同類型,采取相應(yīng)的整治措施。(1)灘口全流水流,減少水力學(xué)的影響對于側(cè)向收縮造成的卡口急流灘,可切寬灘口一岸或兩岸的突嘴,令泄水面積在最兇水位、成灘水位和消灘水位時(shí),均能適應(yīng)其通過的流量,通過改善灘口的水流條件來調(diào)整局部陡比降、降低灘口急流。從水力學(xué)觀點(diǎn)分析,整治前,灘段水面寬度較小,通過的水流除受泄水面積收縮外,還受側(cè)向收縮的影響,使泄水面積更加縮小,形成急流和陡比降。當(dāng)擴(kuò)大泄水?dāng)嗝婧?則可增加匯水面積同時(shí)減小側(cè)向收縮的影響,從而降低流速和減緩比降。比如紅水河四大險(xiǎn)灘之一的大黃牛灘.具有典型的峽谷河段的特征,枯水時(shí)河面狹窄,最窄處僅30m,隨著水位增加,航寬沒有明顯變化,水流流速過急,局部最大流速可達(dá)5.5m/s.采用擴(kuò)大泄水?dāng)嗝娣?將航槽加寬到40m。流速得到有效減緩,局部最大流速降在3m/s以下,船舶能夠自航上灘。(2)養(yǎng)流區(qū)的改造在河岸的凸嘴處,其上、下游分別由于壅水和回流等原因,會出現(xiàn)一定范圍的緩流區(qū)。船舶上行時(shí),可以利用這些緩流區(qū),而搭跳上灘。因此,在急流灘整治過程中,應(yīng)考慮這種錯(cuò)口灘對船舶上行的有利條件。將具有改造條件的對口灘改造為錯(cuò)口灘。改造前,需收集航道的船型、隊(duì)型、船速、航向和河面寬度等資料,進(jìn)行錯(cuò)口長度的計(jì)算。要求計(jì)算出的數(shù)值是最小值,以供設(shè)計(jì)參考。(3)水庫建設(shè)促進(jìn)了比較和減少流量修建橫跨河床的潛壩,用以束窄河床泄水面積,壅高壩上游水位,從而減緩壩上游河段的比降和流速。水深也會有一定程度地改善。(4)打開一條緩慢的運(yùn)河在原航道以外另開辟一條排路航道,以避開急流區(qū)。(5)局部漲水麻黃坡陡型的急流,河床中一般會有石盤、石梁而產(chǎn)生局部跌水和急流。因此在石盤、石梁上開辟航槽,可降低河底高程,并增大泄水面積,從而減緩比降和流速。(6)灘頭水位下降過多用擴(kuò)大泄水?dāng)嗝婊蛟谑P上開辟航槽等方法有可能造成灘頭水位下降過多,從而導(dǎo)致上游灘險(xiǎn)進(jìn)一步惡化,因此,可在下游修建潛壩或丁壩,或者將開挖的土石方填在下游的深槽中,從而一定程度上壅高上游水位,減緩比降。2.3保險(xiǎn)灘的評估2.3.1改善河口邊界泡漩水是水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化成位能而出現(xiàn)的水流形態(tài),泡漩水險(xiǎn)灘的整治方法也是通過消除形成水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化的各種因素。主要整治方法有3種:(1)改變河床邊界。通過改變河床邊界而改善礙航的水流流態(tài)。具體措施有炸除突咀、歸順岸線、清理河床中突變的地物等。比如烏江的七里灘,炸除兩岸交錯(cuò)的突咀,切除挑流的石盤后,泡漩水得到明顯改善,達(dá)到通航標(biāo)準(zhǔn)。(2)改變形成泡漩水的水流動(dòng)力條件。在航道寬度較大時(shí),可在凹岸布置丁壩或順壩以調(diào)整水流方向,調(diào)節(jié)流速分布。例如川江的梔子灘,在突咀的上游凹岸修建丁壩,將急流挑離突咀,泡漩水得到明顯消減?；蛘咴谕痪咨嫌涡藿搲?以擴(kuò)散底流,減弱水流流速。2.3.2修建客流壩,防止水流橫溢整治滑梁水險(xiǎn)灘,主要方法是消滅或者躲避。(1)如果工程量不大,可炸除或炸低產(chǎn)生滑梁水的石盤、石梁,將石盤淹沒在最低水位以下?；蛘咴谑荷闲藿▽?dǎo)流壩,抬高石梁的高程,從而避免水流橫溢。(2)若工程量較大,則可選擇躲避滑梁水,另辟新航道,使船舶避開滑梁水航行。若兩岸均有滑梁水,船舶航行困難,兩岸同時(shí)整治工程量太大,可采用改變一岸石梁高程的方法錯(cuò)開,造成高低不等的新岸線。當(dāng)水位漫過較低的岸線時(shí),產(chǎn)生滑梁水,對岸則擋住了水流。當(dāng)水位繼續(xù)上升,水流漫過對岸,產(chǎn)生滑梁水,而較低的一岸已成漫灘水,對航行無害,因此,船舶可沿著一岸交替航行。2.3.3凹岸下施工掃彎險(xiǎn)灘在急彎河段,彎頂凹岸一帶會產(chǎn)生強(qiáng)烈的掃彎水。產(chǎn)生掃彎水的主要原因有航道彎曲半徑不足、水流流速過大和航寬不夠。船舶上下行時(shí)沿著凸岸一側(cè)航行。若凸岸側(cè)的航道水深不足,則容易擱淺,若沿著凹岸航行,則容易發(fā)生掃尾、觸礁事故。整治掃彎險(xiǎn)灘的主要方法有:(1)改善水流掃彎情況。炸除凹岸礙航的突咀和礁石,拓寬航槽,可擴(kuò)大泄水?dāng)嗝婷娣e,減緩比降,降低流速。并加大了航道彎曲半徑。能有效地減弱掃彎水。也可在凹岸處筑壩以調(diào)順?biāo)鳌?2)放棄彎槽,另辟新槽。當(dāng)掃彎險(xiǎn)灘整治彎道比較困難而且有另辟新槽的條件時(shí),可考慮放棄彎槽,另辟新槽。比如將靠近凸岸一側(cè)的水域拓寬加深,并切除突咀,使船舶能靠近凸岸行駛。若是高水期船舶能避開凹岸航行的掃彎險(xiǎn)灘,可以用順壩封閉彎道,并在凸岸一側(cè)開辟比較順直的低水航道。2.4壩底壩壩底高度淺灘的水流分散,水深較淺,很容易造成船舶擱淺。對于淺灘的整治,主要采用順壩、丁壩等整治建筑物來束窄河床,同時(shí)輔以疏浚主航道,增加航道水深。疏浚開挖的土石方可以填在深槽內(nèi),以抬高水位,增加航道水深。有時(shí)也可采用堵壩來封堵支汊,使水流集中。順壩和丁壩的壩頭位置需按照整治線的寬度來確定。高度一般在設(shè)計(jì)低水位以上0.4~1m。疏浚的深度