交通港站和枢纽河流与航道特征和相关工程

1、交通港站和枢纽河流与航道特征和相关工程 本章介绍了天然河流的形态特征、河流水力特征、河流泥沙特征。航道必须具备一定的航行条件，即航道尺度，根据航道内通过设计船型载重吨位的大小，航道划分为七级。航道的规划应有科学的程序，航道工程措施可分为疏浚工程、航道整治工程、渠化工程、径流调节和助航措施等。本章还介绍了航道内航行船舶的特征及其编队方式、船舶航行阻力与过滩能力；为船舶航行指示安全、经济的航道，常设置航标以标示内河航道的方向、界限与障碍物。第一节 天然河流的主要特征河流陆域地表宣泄洪水的通道， 是溪、川、江、河的总称。 水流河流 泥沙 河床边界沿河长按不同自然特征，河流划分为五个部分：1、河源河流

2、的起点，即河流最初具有地表水流形态的地方；2、上游直接连接河源，位于河流的上段；3、中游位于河流的中段；4、下游位于河流最下一段；5、河口河流的终点。长江上游宜昌以上的河段； 中游宜昌至汉口的河段； 下游汉口以下的河段；一、河流形态特征（主要指河流的几何特征和地貌特征） 、 河流平面、横断面与纵剖面：（1）河流的平面形状（与水下地形相适应） 迂回曲折，左右蛇行 原因水流的冲击作用、河岸土质不均匀等河流的过度弯曲对航行及其不利： 大大增加了航行路程； 影响船队形式； 增加驾驶操作的困难，甚至由于弯曲过甚而发生碰岸事故 山区河流 其平面形态决定于流经地区的地貌和地质特征， 河中常见巨石突起，岸线极

3、不规则， 急弯卡口众多，开阔段与峡谷段相间出现。 平原河流 其平面形态常分为四种： 顺直型或边滩平移型； 弯曲型或蜿蜒型； 分汊型或交替消长型； 散乱型或游荡型。 每种类型的前一个命名指平面形态，后一个指演变特征而言，它们彼此对应。但习惯上这四种河型，常依次称为顺直型、弯曲型、分汊型和游荡型。顺直型河段的主流仍然是弯曲的,河槽中经常有泥沙的堆积体, 如边滩、江心滩、江心洲和沙埂等。很长的顺直河段不多。弯曲型河段由正反相间、曲率达到一定程度的弯道和介于其间长短不等的过渡段连接而成。河道向下游蜿蜒蛇行美国犹他州格林河段 分汊型河段通常是宽浅水道，中间被沙洲、浅滩分隔游荡型河段，河身一般宽窄相间呈藕

4、节状。在窄段，水流平顺，对下游河势有一定控制作用。在宽段，河身宽浅，河滩密布，汊道交织，河床冲淤变化迅速，主流摆动不定。（2）河流横断面垂直于水流动力轴线的河槽断面。 山区河流：常呈形或形断面。 平原河流: 河谷开阔，地势平坦，有深厚冲积层， 不同河段形成不同的横断面形状。 平原河流不同河段横断面a)顺直过渡段抛物线断面；b)分汊河段马鞍形断面；c)游荡河段不规则断面； d)弯曲河段不对称的三角形断面 长江虎跳峡 赤水河某浅滩 （3）河流的纵剖面 深槽与浅段交替出现的波形线河流的纵剖面形状深槽位于河湾部分且接近凹岸； 形成原因河流本身具有弯曲的特性，在 弯曲河段水流对其凹岸冲刷力强。浅段位于相

5、邻两深槽之间； 形成原因两弯段之间比较直的河段，一般水流冲刷力较弱，使泥沙淤积形成浅滩。、河流阶地台阶状地貌河流阶地按其结构可分为 以下四类：(1)侵蚀阶地IV级阶地（阶地由基岩组成）(2)堆积阶地I级、II级阶地（阶地由冲击物组成） (3)基座阶地III级阶地（上部为冲击物，下部为基岩） (4)埋藏阶地a河流阶地结构类型示意图 、河流节点 由抗冲性较强的突岸形成 并对河势变化起控制作用的河岸形态。 河流节点的两种类型：（1） 一种是两岸皆有依托，位置固定，长年靠流。（2） 另一种是只有一岸依托，另一岸则是易于冲刷的滩地。 河流节点的控制作用 所在河段的主流摆动； 节点上下游宽浅河段。二、河流

6、水力特征 河流系统中最活跃、最关键的因素， 开发河流水能资源的主要依据， 影响河床变形的主导因素 主要包括四个方面： 水位、流量特征 比降特征 流速特征影响航行的重要因素 流态特征 三、河流泥沙特征 坡地及沟被侵蚀的岩土 河流泥沙主要来自 河岸河床被冲刷的岩土 几何特性 静态特性 重力特性 级配特性河流泥沙特性 沉降特性 动态特性 运动特性 冲淤特性第二节 航道条件航道为了组织水上运输所规定和设置的船舶航行的通道。航道必须具备必要的通航条件： 足够的航道尺度深度、宽度、曲度、净空 合适的水流条件流速、比降、流态川江某航段航道图我国天然河流试行通航标准航道等级I级II级III级IV级V级VI级V

7、II级浅滩最小水深（m）3.22.53.01.82.31.51.81.21.51.01.20.81.0通航保证率（%）9899939790958595809380907590 一、通航保证率通航保证率是指在规定的航道水深下，一年内能够通航的天数与全年天数之比，一般用百分率表示。 通航期 二、航道尺度根据航道内通过设计船型载重吨位的大小，航道分为七级，我国内河航道分级与航道尺度，见表2-2。航道标准尺度在设计通航期内,航道能保证设计船型(船队) 安全航行的最小尺度。（设计最低通航水位）航道标准水深、航道标准宽度、航道最小弯曲半径（设计最高通航水位）净空高度、净空宽度 通航净空（一）航道尺度与水运

8、经济效益航道尺度的选择应综合考虑其必要性、可能性和经济合理性航道尺度与成本关系图 最佳航道尺度总成本最小时对应的航道尺度（二）航道标准尺度的计算、航道标准水深设计最低通航水位下航道宽度范围保证 的最小水深，也称设计航道水深航道标准水深定义图 设计船型标准吃水(m)H = t + H 富裕水深(m)限制性航道因水面狭窄、断面系数小而对船舶航行有明显限制作用的航道，主要指运河、渠道和河网地区的部分航道。船型标准吃水设计船型在标准载重量时的吃水；船型结构吃水（最大吃水）船体结构所能承载的吃水。最大吃水 标准吃水富裕水深船舶标准载重时，船底龙骨下 至航道底的最小安全距离。 影响富裕水深的因素： 1、触

9、底安全富裕量H1 2、考虑波浪影响的富裕量H2 3、船舶航行下沉量H3 4、考虑水体密度影响的富裕水深H4 5、考虑挖槽回淤影响的富裕量H5 确定富裕水深的方法： 通过计算公式 海港航道 H = H1+ H2+ H3+ H4+ H5内河航道 H = H1+ H3 根据航道等级，按航道整治工程技术规范的规定选取航道标准水深H (m)3.0富裕水深 H 0.20.30.30.40.40.5沙、泥质河床航道富裕水深石质、卵石质河床航道富裕水深另增加、航道标准宽度设计最低通航水位下具有航道标准水深 的宽度，也称设计航道宽度。 根据船舶航行密度和航道条件，设计成： 单线航道 双线航道 讨论直线航道、 弯

10、曲航道情况 直线段双线航道标准宽度： B 2(bcosa+Lsina) b+2D 航迹带宽度B1 航道富裕宽度B2B航道标准宽度(m)b设计船队宽度(m)L设计船队长度(m)a航行漂角b上下行船队间 的横向舷距(m)D船舷距航槽 边线距离(m)单线航道：B1 = bcos a +LsinaB2 = 2D 船舶航行时占用的水域宽度航行漂角为保持航行的正确方向， 往往使船舶（队）纵轴线 与航向保持一定的夹角。航行漂角示意图影响航行漂角a 的因素：1、船舶吃水与航道水深的比值t/H；（ t/H a ）2、水流流态；（流态越坏，漂角越大）3、船队长度与航道弯曲半径比值L/R；（ L/R a ）4、顶推

11、船队的方形系数L/b。（ L/b a ）确定航行漂角的方法：通过设计船型的实船试验确定；按航道工程技术规范规定的范围在35内选取。航道富裕宽度保证船舶安全航行，不产生船吸和岸吸现象 的最小富裕尺度。包括船队间的富裕宽度、 船队与航槽边线间的富裕宽度。影响航道富裕宽度的因素：船形、队形、系结方式；船队的航速及推轮的舵效；水流流速、流态；河岸的土质及坡度等。航道富裕宽度的确定方法： 通过设计船型的实船试验确定； 采用经验公式估算我国目前的直线段航道标准宽度大致是设计船队宽度的4倍，随着航运事业的发展，这个比值将会增大。弯曲段航道加宽航道整治工程技术规范规定 R6L时，不考虑弯曲加宽 3LR6L时，

12、根据水流条件等具体情况确定 通过实船试验确定 R3L时，适当加宽 通过公式计算 采用直线段航道标准宽度的计算公式 （其中a的取值采用弯道上的航行漂角）3、航道最小弯曲半径航道弯曲半径弯曲航道中心线的曲率半径；航道最小弯曲半径保证标准船队安全通过弯道的最小弯曲半径 航道最小弯曲半径的取值：3顶推船队长度 或 4拖带船队中最大单船长度在一定条件下，弯曲半径可适当减小，但不得小于：2顶推船队长度 或 3拖带船队中最大单船长度 4、通航净空净空高度Hm净空宽度Bm上底宽 b侧高 h通航净空示意图净空高度设计最高通航水位往上至跨河建筑物底部的垂直距离；净空宽度航道底标高以上桥墩（桥柱）间的最小净空。 三

13、、航道断面系数 航道断面系数； 设计最低通航水位时的航道过水断面； 标准船舶（队）标准吃水时的船只浸水横断面面积。 值越小，船舶航行的阻力越大。 根据国内外的研究成果，认为 是最经济合理的 航道工程技术规范规定： 一般情况， ； 流速较大的河流， 。四、航道水流条件（包括流速、比降和流态）航道内的表面流速、局部比降、垂直航道轴线的横向流速不能过大澜沧江河流急流滩船舶过滩 第三节 航道规划及航道工程措施一、航道规划 航道规划的主要任务 研究航道开发的经济意义、社会价值及技术上的可能性； 制定近期和远景航道开发方案； 提出适应远景发展的航道措施方案； 拟定第一期航道工程项目； 提出运河开发方案。航

14、道工程措施方案应包括（1）根据综合利用的要求及河流的自然特点，拟定航道的治理或开发方式；（2）拟定航道路线；（3）拟定航道及其建筑物的通航标准尺度；（4）拟定改善通航条件的工程措施；（5）分析水工建筑物建成后对通航条件所产生的影响，提出航运流量及航运保证率的要求，提出对水库电站操作的要求。航道工程项目的完成一般要经过个阶段二、航道工程措施航道工程 以延长通航里程，提高航道标准， 改善通航条件 和保障航道畅通为目的， 包括疏浚、整治、渠化、 运河、航标、 清障等工程措施的总称。1、 航道疏浚工程采用人力或机械施工方法，为拓宽、加深水域而进行的水下土石方开挖工程。2、航道整治工程在河床上修筑专门的

15、整治建筑物或其他工程措施，诱导水流、改善水流情况，集中水流利用水流本身的力量冲刷河槽，调整河槽形态，增加航道尺度，改善航行条件。长江中游界牌水道锁坝施工 疏浚工程和整治工程不能从根本上改变河流的水文情况，只是局部性改变河床的形状以及河中的水流状态。河流基本上处于自由状态天然河道。疏浚工程和整治工程在某些情况下改善航行条件的效果受到限制。3、 渠化工程在天然河流上，以航运开发为主要目的， 修建拦河闸坝和通航建筑物以壅高上游水位， 从而改善航行条件。渠化工程从根本上改变天然河流的水文情况。渠化后的航道、人工运河人工水道。 船舶过闸清 槽第四节 船舶及其特征一、船舶与船队（一）船舶内河船舶按有无动力

16、装置可分为： 机动船船舶带有动力，可以单独行驶； 如客船、货船、拖船、推船 非机动船船舶没有动力，需由机动船带动引驶； 如驳船、趸船。 新型船舶集装箱运输船高速水翼船（二）船队在内河上常见的运输方式为船队运输，由多个驳船编在一起，由机动船带动。船队运输的优点：运输成本低、运量大、减少货物中转和倒载船队按编队方式可分为： 拖带船队拖轮在前，由缆索拖带后面的驳船队 顶推船队推轮在驳船后面，与驳船联结成整体拖带船队队形图 拖带船队特点：阻力大，运价高； 驳船柔性联结，要求的航道条件低。整治后京杭运河苏州市河段（拖带船队） 顶推船队分为： 普通驳顶推船队由普通驳船和推船组成；特点：阻力小，增加船队的稳

17、定性； 船员数量大为减少，编队解队简便 分节驳顶推船队由统一规格的驳节，组成的庞大船队特点：改善整体线型，可提高航速； 便于建造，降低造价； 船型丰满，增加运量； 易于标准化和系列化，操作性能较好。顶推船队队形图 优点：船舶航行阻力小；推船的推进效率高；操纵灵活。缺点：驳船刚性连接，要求航道有较大的弯曲半径； 在有船闸的渠化河流上，船闸尺度和船队尺度彼此 要相互适应，否则需要解队过闸，影响运输效益。分节驳顶推船队 二、船舶航行阻力及过滩能力（一）船舶航行阻力 船舶航行时，作用在船体上阻止船舶运动的力。船舶运动时，船体的水线以下部分浸入水中，其余部分则处在空气中。通常船舶航行阻力是指船舶的裸体阻

18、力。影响船舶航行阻力的主要因素： 船型 航速 航道宽度船舶航行阻力的确定： 半经验计算公式 按船模测试结果换算（二）船舶的过滩能力船舶的过滩能力 船舶在一定的载重下克服急流险滩自航过滩的能力。2.船舶的最大过滩能力 船舶过滩时，随流速和比降增大，船舶航行阻力增加，航速降低，当航速降低到一定程度时，就不能自航过滩，在这种极限条件下的过滩能力为船舶的最大过滩能力。3.船舶过滩能力的计算 航行阻力 主机推力主要取决于主机功率和推进器效率， 并与螺旋桨特性、转速有关急流险滩，流态紊乱，一般计算结果与实际往往有明显差别，在重要工程中，需采用实船试验确定其过滩能力。第五节 航标配布航标 用以标示航道，引导

19、船舶在航道中 安全方便地行驶的设施。由于航道是水域中能保证满足航行要求的部分，因而必须用航标为船舶提供航行的线路和目标、水深和航道界限，指明危险物位置和某些特定区域以及是否允许通行等。航标对发挥航道的运输能力起着重大的作用。 航标分类 按设置的地区不同分为：海区航标、内河航标。 按设置的位置不同分为：岸标、浮标。岸标主要用以指示航道方向。浮标用以指示航道的界限。 按性能不同可分为三种：视觉航标：又称目视航标，供驾驶人员通过观察辨明水域，确定船位，是最常见的航标。音响航标：可在雾、雪等能见度低的天气中向附近航船按规定声响鸣叫，以示明障碍物和危险，包括雾钟、雾号、雾哨等。无线电航标：是发射无线电波供船舶接收以测定船位的设施，包括无线电指向标，无线电导航台、雷达应答器和雷达指向标等。 一、内河航标1、内河航标船舶在内河航道安全航行的重要助航设施。2、内河航标的主要功能：标示内河航道的方向、界限与障碍物，为船舶航行指示安全、经济的航道。3、常用内河航标的分类： 航行标志 信号标志 专用标志 决定河流左、右岸的原则