河港挖入式港池口门轴线布置对港池淤积影响分析

1、河港挖入式港池口门轴线布置对港池淤积影响分析沈小雄 , 张戈 , 连石水(长沙理工大学河海工程学院 , 湖南 长沙 410076摘要 :根 据浑水和清水模型试验 , 分析了挖入 式港池轴线与主流在不同夹角 H 的情况下的回流水力特 性、不同 H 和主流含沙量 与港池布置形式时港池淤积强度、 淤积量和淤积分布情况 , 所得到的 H 与淤积之间的变化关系可为 内河挖入式码头的合理布置提供重要依据。研究结果 与现场调查资料进行了对比 , 吻合较好。 关键词 :挖入式港池 ; 布置 ; 回流 ; 淤积中图分类号 :U 653文献标识码 :A 文章编号 :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引言我国江苏的河 网地区和湖南省采 用挖入式港池的港 口 颇多 , 黑龙江、 山东 、 上海、浙江、 河北等省也都建有 一定 数量的挖入式 港池。但淤积问题一定 程度上阻碍了挖入 式 港池的推广应用 , 结

6、合 河港工程总体设计规范 专题研究 , 进行了挖入式港池的清水试验 、 浑水试验、现场调查研究。 试验研究了不同因 素对港池回流特性 的影响以及对港池 淤 积的影响程度 , 试验布置见图 1。根据模型系列试验资料 , 对挖入式港池 的回流特性、口门轴线 布置与淤积的关系 等 问题进行了探讨。在现场调研中调查了江苏的苏州、无锡、 江阴、 镇江、 南通、 南京等地的挖入式港池 , 湖南省的长沙、 岳阳、 沅江等地的挖入式港池以及山东、 上海、 浙江等 地的 挖入式港池 , 共计 16个港口 24个港 池。 现场调查的内 容主收稿日期 :2004-06-04修改稿日期 :2005-03-31基金项目

7、 :交通部 河 港工程总 体设计规 范专题研 究 (交水发2001642号 ; 湖南省教育厅科学研究项目 (湘教 发 2003101号 作者简介 :沈小雄 (1961- , 男 , 副教授 , 主要从事内河航道及要是挖入式港池所在河流 的水文泥沙情况及 其港池使用情 况 , 包括港池的淤积情况、 船舶出入港池情况和港池的营运 情况。图 1挖入式港池平面示意图2影响回流尺度和回流强度的主要因素分 析内河挖入式港池内的 水流系统是一相对 封闭的回流系 统 , 由于主流和回流交界 面处的紊动切应力 是回流形成的 , 2005年 6月 第 3期总第 136期 中国港湾建设 China Harbour

8、Engineering Jun. , 2005T otal 136, N o. 3条件和边界条 件密切相关。影响回流 平面尺度和回流强 度 的主要因素有港池的尺度、港 池轴线与主 流交角、主流 流 速、 港池水深等。 试验结果表明 , 对回流平面尺度影响 最大 的因素是港池 轴线与主流流向的 交角以及港池的宽度 , 而 影响 回流强度 的主要 因素是 主流流 速和港池 的几何 条件 , 即港池宽度和 港池轴线与主流流 向的交角。而港池水深 的 影响相对较小。2. 1 回流尺度随交角的变化当其它条 件不变而港池轴线 与主流交角增大时 , 回 流 的范围呈现较大的差异 (图 2 , 即回流长度随

9、H 的增大 而增 大 , 回流长度与回流宽度之比有较大差别。根据 70场 次的 试验资料 , 拟合得到计算回流长度的公式如下 2:L n(L r /B =0. 0069H式中 :L r 为回流长度 ; B 为回流宽度 ; H 为主流与港池 轴线 的交角 , ( 。图 2回流长度随交角的变化2. 2 回流强度随交角的变化以回流横 断面上平均流速表 示回流的强度。当港池 轴 线与主流流向 的交角增大时 , 作用在 回流交界面的水流 切 应力的方向与回流的纵轴线方向的交角 减小 , 图 1中 B 点 的分流作用增 强 , 使港池内的回流运 动流入港池的水流 流 线更加平顺 , 回流的强度必然相应增大

10、。图 3为港池宽 84cm 几种不同交角和主流流速情况 下的回流强度。 表明 当主 流流速相同且 其他因素不变时 , 回流 强度随交角的增加 而 线性增大 , 但由于底部的摩擦作用 , 当水深较小时 , 增 加的 幅度较小 , 水深较大时增加的幅度较大。图 3回流强度与交角的关系 B =84cm3港池轴线与主流流向的交角对淤积的影 响分析分析回流的形成 机理 , 水流的边界突变 提供了回流的 场所 , 紊动掺混产生的紊动切应力提供 了回流运动的动力 , 重力补偿流维持了回流的稳定。 在试 验中观察到 , 当交角大 于 90时 , 在主流与港池内水体的分离界面上 , 形成一个个 明显的立轴旋涡而

11、在交角小 于 90后 , 立轴漩涡较少 发生。 立轴旋涡为港池回流提供了源源不断的动力 , 同时 , 随着主 流流向与港池轴线的 交角增大 , 立轴漩涡输 送泥沙的作用 明显增强 , 通过水体交换 , 进入港池的泥沙数量增多 。 由前 面的分析可知 , 港池内的 回流强度是随着主 流流向与港池 轴线的交角增大而增大的 , 因而回流 挟沙能力也增强。 两者 的对比和变化使淤积 情况较复杂。根据对已 建成的挖入式 港池的调查 , 对于含沙量较大 , 所在河段水文条件基本相同 时 , 交角大的挖入式港池淤积量较大。根据地形测量数 据 , 将回流区各点实测 淤积厚度加权 平均得到回流区平均 淤积厚度

12、, 以该平均淤 积厚度表示回 流淤积的强度。通过固定其他因 素 , 仅改变港池轴线与 主流交角的试 验 , 表 明 :当交角 H =3090, 回流区淤积强度随交角增 大而增大 , 由于交角小时 , 回流强度相对较弱 , 主流与回流 之间的动量和泥沙交 换以质点和涡团的掺 混为主 , 立轴漩 涡的直接搬运作用小 , 进入港池的悬 沙数量少 , 回流区淤积 强度也较小 ; 当交角增大到 90时 , 回流区淤积强度达到最 大值。当交角 H =90150时 , 港池淤积强度不再增加 , 反而有所减小 , 据分析 , 应是回流强度随 交角的增大而增大 , 回流的挟沙能力也相应增强 , 泥沙不易落淤之故

13、。图 4(a (d 是不同模型含沙量、 不同主流流速、港池口门宽度、 港池水深的几组试验结果 , 具有类似的规律。7组试 验数据表明 , 在其他条件相同的情况下 , 港池轴 线与主流流 向的交 角大于 等于 90时 的淤积 强度明 显大于 交角小于 90的情况 , 交角约 90时淤积最严重。现场调查也表明 , 对于含沙量较 大 , 所在河段水文条件 基本相同时 , 交角大的挖入式港池淤 积量较大。 如湘江岳阳 段最大流速 2. 6m /s , 平均含沙量 0. 697kg /m 3, 岳阳港港 务公司港池设计时港池轴线与主流方向夹角采用 90, 年淤 积厚度显著增加 , 最大达到 11. 5m

14、, 港池中间也有 0. 70. 8m , 每年都要疏浚。 而湘江长沙段最大流速 1. 9m /s , 多年平均含沙量 0. 192kg /m 3, 长沙港第一作业区南站港池和 第三作业区金华殿港池所 处水域水流流速和 含沙量都比河 网地区大 , 设计时港池轴线与主流方向夹 角采用 30(口门 朝向下游 , 港池淤积不太严重 , 年淤积厚度仅 0. 250. 4m , 每 23年挖一次 , 且淤积物主要是淤泥和装卸散货时 的掉落物 , 淤积分布多为靠船的两边高 , 港池中间低 , 口门 处的淤积不明显 ; 又如镇 江大港内河港池和 南京栖霞化肥 厂港池同处于长江上 , 且都受潮汐影 响 , 前者

15、港池轴线与主 流方向垂直 , 后者港池轴线与主流方向的 夹角为 60, 从港池淤积量的调查 结果来看 , 后者港池 的年淤积 厚度为 1m 6 中国港湾建设 2005年第 3期图 4回流淤积强度随交 角的变化明 , 在 河网地区和运河上 , 河流流速不大 , 含沙量小 , 水位 差小 , 港池的轴线方向对港池淤积的影响不大 , 年淤积 量约 为 0. 30. 5m 。试验也表明 , 总淤积量随交角 H 的增大而 增大。 总 淤积 量等于回流淤积区的面积乘以 回流淤积强度 H 。 如前所述 , 回流长宽比随 交角的增大而增大 , 因 此回流区的面积也 随 交角的增大而增大 , 而单位面积的平均淤

16、积厚度 H 随 交角 的增大呈现先 增大后缓慢减小的 规律。两者乘积使总淤 积 量呈现增加的规律。 总之 , 港池轴线与主流流向的交角 对淤 积具有显著的影响。4结论与建议(1 回流区的 范围随口门轴线与 主流流向的交角增 大 而增大。回流强度也随交角的增大而线性增大。(2 口门轴线布置对挖入式港池的淤积量的影响较大。 在来水来沙条 件相同的情况下 , 回流 区淤积强度随主流 流 向和港池轴线的夹角的增大而 增大 , 当夹角为 90时 , 淤积 量和淤积强度最大 , 夹角为 90的情况比夹角为 30的情况 , 淤积量大了一倍多。 夹角大于 90时 , 回流区淤积强度虽略 有减小 , 但由于回流范围扩大 , 总淤积量增大。(3 在少沙河流修 建挖入式港池 , 如果港池 布置不当 , 仍然可能产生较大淤积。 在这种情况下 , 同时考虑船舶靠泊 的方便 , 港池轴线与主流流向的交角应以 3060为宜。 大 于 60的情况 , 宜结合当地的来水来沙条件进行模型试验验 证。参考文献 :1谢鉴衡 , 殷瑞然 . 低水头枢纽引航道泥沙