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、豐富的礦產資源、居民城鎮(zhèn)和產業(yè)帶等。整治山區(qū)航道,發(fā)展航運,實現(xiàn)干支直達,建設綠色交通,對促進國民經濟的發(fā)展、生產力的合理布局,活躍城鄉(xiāng)人民的物質文化交流,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、地質構造的制約,外形極為復雜。在背斜構造或巖石抗沖性能較強的地區(qū)常發(fā)展成峽谷河段。在向斜構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、洪水水位時河勢十分險惡,并且有不少的急彎河谷,枯水水位時河槽非常曲折。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,深槽水深可達幾米甚至幾十米,淺灘水深經常會不足航道標準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,地表堅實,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298,在烏江渡站曾測得最大水位變幅可達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,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,灘上流速相應減小,沿程流速趨向均勻。1.3單次施工時水流的變化山區(qū)河流流態(tài)復雜,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)。但大的回流會嚴重影響船舶航行安全,船舶誤入后會有觸角碰岸的危險。(2)泡漩水。當流速很大的水流遇到水下障礙物的阻攔時,會形成強烈的底部上升水流。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。漩水的中心旋轉速度大于邊緣的旋轉速度。漩水隨著水流逐漸向下游移動,其旋轉速度、旋轉面積和凹面逐漸減弱,直至消失。泡漩水是水流動能轉換成位能出現(xiàn)的水流變化現(xiàn)象。當船舶行經泡漩水區(qū)時,由于受到了泡水擴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。(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稱為滑梁水。梁上水深常常不足設計要求水深,船舶航行不慎,容易被橫向水流推至梁上發(fā)生觸礁危險。如果兩岸均有滑梁水,而航寬較狹窄時,危險則更大?；核畢^(qū)還有可能造成不能設標,或航標流失而發(fā)生海事。(4)掃彎水。水流在彎曲河段上運動時,由于受到離心力的作用,表層水體向凹岸流動,導致凹岸水面升高,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,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。當河道兩岸有相對比較突出的物體時,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,并伴有較強的橫向流,稱為剪刀水。剪刀水的產生是水流和地形相互作用的結果,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。當下行船舶駛至此處時,可能會由于較強的橫向流而使船舶偏離航線,造成觸礁的危險。上行船舶駛至此處時,可能會因動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重威脅。1.4保險灘險較多。據(jù)外部監(jiān)控,原理分為3個外海點和2.山區(qū)河流河床以石質河床居多,灘險也以石質灘險所占比重最大。山區(qū)河流石質灘險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,船舶上行時行至此局部河段,動力不足,不能自航上灘。此類灘險在烏江上又很多,如烏江的水油、牛尾三灘、高灘等。(2)險灘。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。如烏江的中溪子、貓灘等。(3)淺灘。河面寬闊,水流分散,水深不足設計要求水深,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修復方法2.1險急灘段的整治航道整治應符合河床演變的規(guī)律和河流動力學的原理,統(tǒng)籌兼顧,科學規(guī)劃。根據(jù)不同的灘險礙航性質,分清主次,針對性地選擇整治措施,優(yōu)化方案。調整險灘段的河床形態(tài),并改善流速與流態(tài)。條件許可時,可開辟緩流區(qū),以避開危險區(qū)域。整治順序一般是先險后淺的原則,險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,應首先進行整治。同時要全段規(guī)劃,避免引起上游河段灘險的惡化。2.2最佳水位為5.2%風速急流灘主要是由于河床的泄水斷面受到兩岸地形的影響,在該灘的成灘水位開始,泄水面積的增加率不適應流量的增加率,至最兇水位時達到高峰,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,應根據(jù)該灘的不同類型,采取相應的整治措施。(1)灘口全流水流,減少水力學的影響對于側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,均能適應其通過的流量,通過改善灘口的水流條件來調整局部陡比降、降低灘口急流。從水力學觀點分析,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,還受側向收縮的影響,使泄水面積更加縮小,形成急流和陡比降。當擴大泄水斷面后,則可增加匯水面積同時減小側向收縮的影響,從而降低流速和減緩比降。比如紅水河四大險灘之一的大黃牛灘.具有典型的峽谷河段的特征,枯水時河面狹窄,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5.5m/s.采用擴大泄水斷面法,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,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,應考慮這種錯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口灘。改造前,需收集航道的船型、隊型、船速、航向和河面寬度等資料,進行錯口長度的計算。要求計算出的數(shù)值是最小值,以供設計參考。(3)水庫建設促進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大泄水斷面或在石盤上開辟航槽等方法有可能造成灘頭水位下降過多,從而導致上游灘險進一步惡化,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保險灘的評估2.3.1改善河口邊界泡漩水是水流動能轉化成位能而出現(xiàn)的水流形態(tài),泡漩水險灘的整治方法也是通過消除形成水流動能轉化的各種因素。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,炸除兩岸交錯的突咀,切除挑流的石盤后,泡漩水得到明顯改善,達到通航標準。(2)改變形成泡漩水的水流動力條件。在航道寬度較大時,可在凹岸布置丁壩或順壩以調整水流方向,調節(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▽Я鲏?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,兩岸同時整治工程量太大,可采用改變一岸石梁高程的方法錯開,造成高低不等的新岸線。當水位漫過較低的岸線時,產生滑梁水,對岸則擋住了水流。當水位繼續(xù)上升,水流漫過對岸,產生滑梁水,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凹岸下施工掃彎險灘在急彎河段,彎頂凹岸一帶會產生強烈的掃彎水。產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。船舶上下行時沿著凸岸一側航行。若凸岸側的航道水深不足,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,可擴大泄水斷面面積,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順水流。(2)放棄彎槽,另辟新槽。當掃彎險灘整治彎道比較困難而且有另辟新槽的條件時,可考慮放棄彎槽,另辟新槽。比如將靠近凸岸一側的水域拓寬加深,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灘,可以用順壩封閉彎道,并在凸岸一側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,以抬高水位,增加航道水深。有時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。高度一般在設計低水位以上0.4~1m。疏浚的深度