由河道水位观测记录表壅高水位产生的上游调蓄流量如何计算?

  利用拦河坝使河道水位壅高,一般为中、高水头水电站是()水电站。
  A.坝式
  B.引水式
  C.有调节
  D.河床式
  【正确答案】A
  【答案解析】坝式水电站是利用拦河坝使河道水位壅高,以集中水头。常建于河流中、上游的高山峡谷中,一般为中、高水头水电站。参见教材P125. 责任编辑:北卡
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与水利实务练习题:利用拦河坝使河道水位壅高,一般为中、高水头水电站是()水电站。类似的试题有
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  3、本网站欢迎积极投稿。封冻河道的阻力研究
封冻河道的阻力研究
茅泽育,马吉明,佘云童,吴剑疆
(清华大学水利水电工程系)
摘 要:冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论,推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式,并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论;对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究,并与现场实测资料进行了验证。
关键词:封冻河道;流动阻力;糙率;流速分布;河冰水力学
作者简介:茅泽育(1962-),男,浙江人,主要研究方向:计算水力学、河冰水力学及城市水力学。
冰盖的形成使河道中的水力现象发生改变,引起流动阻力增加从而导致河道过流能力下降及能量损失增加。对于宽浅式河道,假定冰盖很薄,则水力半径几乎减小到明渠水力半径的一半。如果流动保持恒定,则由曼宁公式计算的水头损失是明渠流动时水头损失的2.5倍。B. Prattle[1]应用P.A. Larsen的研究成果时发现:在水面高程相同的情况下,完全封冻条件下的能量损失比明流条件下的能量损失高达62%;K.
Ohashi和T. Hamada[1]则发现在水面高程相同的情况下,封冻河道的过流能力比明流条件下的过流能力减少29%.流动阻力增加导致河道过流能力下降,从而给河道的冬季管理及运行带来一系列新问题:如上游泄放流量调整,下游河道的水质管理、洪水控制及供水等。若封冻河道中流量剧烈增加,还将引起冰盖破碎形成冰塞、冰坝,明流条件下建立起来的水位-流量关系曲线不再适合于封冻河流。冰盖形成对河道过流能力和泥沙输移也将产生明显的影响。同时,冬季寒冷地区渠道设计及运行还必须考虑冰盖对水头损失的影响。水电站引水渠道水流水头损失的增加直接与发电量的减少相关。结冰河道的糙率是反映河道阻力大小的主要参数。是计算和预报冰盖下流速、水位和流量和重要因素。但是,冰盖下表面糙率很难直接量测得到,一般只能由流速分布进行间接估算,冰盖下的过流断面由于水中冰的堆积而发生变化。封冻河道的水面坡降(准确地说能坡)与恒定均匀明流条件下的能坡相等的假定有时并不正确,尤其当有大量水中冰堆积或流动要素急剧改变时,河床床面糙率在有冰盖存在时,与明流条件下相比有显著的不同,所有上述这些影响因素均随时间而变。至今为止,对封冻河道阻力问题的研究仍处于研究探索之中。
冰期河道阻力组成及计算方法现状
冰盖的存在使总流断面的湿周增加,水力半径减小。冰盖和床面的糙率共同决定总流的综合糙率。理论和应用上需要研究综合糙率、冰盖糙率、床面糙率和相关的水力因素之间的定量关系。一般有两个主要问题需要解决:一是冰盖糙率的确定;二是在已知河床及冰盖糙率的情况下,计算渠道的综合糙率。
对于天然河道,由于影响水流阻力因素的复杂性,人们通常采用曼宁系数来直接表示水流的流动阻力。河道中形成冰盖,这时的阻力由两部分组成:水流与床面的摩擦切应力和水流与冰盖下表面的摩擦切应力。应用曼宁公式表达阻力项:
Sf=Q2n2c/A2R4/3
式中:R为封冻时的水力半径;nc为综合糙率系数,反映了河床粗糙nb和冰盖下表面糙率ni的综合效应,即冰盖和床面的糙率共同决定水流的综合糙率。
河流动力学中,在处理岸壁阻力和床面阻力时,有两种途径,一种是P. E. Meyer和R. Muller[1]提出的拆分岸壁阻力和床面阻力的处理途径;另一种处理途径是H.A.Einsteinp[2]提出的按阻力划分过流断面的方法,即把水体分成几部分,假定各部分水体的流速相等,等于断面平均流速。这个方法较为普遍地被大家所接受,但各部分流速相同,只是一种近似的假定。目前,人们常采用Einstein假定,将整个过流断面划分成上部冰区和下部床面区,以最大流速所在面作为上下两区的分界面,见图2;同时假定封冻河道过流断面的水力半径可以分割;整个过流断面的断面平均流速和床面与边壁附近处的平均流速相等。现有的许多冰期河道综合糙率的研究及公式都采用了平均流速相等的假定[1,3,4,5,6]。许多研究结果表明封冻河道流动符合对数流速分布规律。
图1 封冻河道流速分布
图2 封冻河道过流断面
文献[1]对上述各种综合糙率的计算公式进行了总结及评述,并应用E.
N. Dolgopolova[7]对莫斯科河的实测资料,对各种公式进行了分析比较,得出结论:各种计算综合糙率的公式均有待于进一步完善,特别是对于冰区与床面区平均流速相等的假设,需应用各种边壁糙率组合情况的实验资料,及天然河道的原观资料进行进一步的验证。
封冻河道局部复合糙率计算
现分析封冻河道各水力要素之间的关系(图1)。考虑立面二维情况。对于宽浅式河渠,将冰盖下水流视为两个独立的断面分区,分别只受冰盖和床面影响。最大流速umax位于距冰盖下表面Yi处;总水深Yt=Yi+Yb;每区水流流速呈对数分布规律。
上部冰区:ui=2.5V*iln(30/kiyi);下部河床区:ub=2.5V*bln(30/kbyb)
式中:V*i和V*b分别为冰区和河床区的摩阻流速;Ki和kb分别为冰盖底部和河床的水力粗糙高度;yi和yb分别为从冰盖、河床起算的距离;ui和ub为相应点的速度。最大流速发生在距河床Yb、冰盖底面Yi处,所以:
umax=2.5V*iln(30/ksiYi)=2.5V*bln(30/ksbYb)即
V*i/V*b=(τi/τb)1/2=ln(30/ksbYb)/ln(30/ksiYi)=a/b
式中:τi为冰盖区的边壁剪应力,τb为床面区的边壁剪应力;对流速分布曲线分别进行积分得到冰区的平均流速Vi和床面区的平均流速Vb:
Vi=2.5V*i[ln(30/ksiYi)-1];Vb=2.5
V*b[ln(30/ksbYb)-1]
由式(3)和式(4)得:
V*i/V*b=(τi/τb)1/2=a/b=Vi/Vbln(30/ksbYb)-1/ln(30/ksiYi)-1=Vi/Vb[a-1/b-1]即:
Vi/Vb=a(b-1)/b(a-1)
由曼宁公式,得:
Vi=(1/ni)Yi2/3J1/2;Vb=(1/nb)Yb2/3J1/2;VC=(1/nC)Yt2/3J1/2
Vi/Vb=nb/ni(Yi/Yb)2/3;或:Yi/Yb=[Vi/Vb&ni/nb]3/2
由式(5)和式(7)得:
Yi/Yb=[a(b-1)ni/b(a-1)nb]3/2
由连续性方程得:
YiVi+YbVb=YtVC
及式(6)得到以下综合曼宁系数的计算式:
1/nC=(1/ni)Yi5/3+(1/nb)Yb5/3(1/2)2/3Yt5/3
式(7)及式(10)给出了封冻河道水力要素间的理论关系表达式。若已知ni和nb及Yt值,按前述公式可计算得到综合糙率nc,Vi/Vb和Yi/Yb,及Yi、Yb、Vb和Vi.
若Ri≈Yi,Rb≈Yb,当冰盖区和床面区的流速分布均满足对数流速分布法则时,若进一步假定Yi/ki和Yb/kb近似相等,则由式(3)得到V*i=V*b,因此由方程(5)得到Vi=Vb=Vc,也就是床面区和冰盖区以及整个过流断面的平均流速均相等。这样方程(8)变为:
Yi/Yb=[a(b-1)ni/b(a-1)nb]2/3=[ni/nb]2/3
即Yi/Yb可近似化为是ni/nb的函数。
冰盖糙率和河床糙率的计算
冰盖糙率通常利用实测的流速分布间接确定,有时也当作反问题来解决。在进行封冻河道水面曲线计算时,需要知道河段内流动的总阻力。有时根据流量和水位的观测资料,利用水流方程确定河段的阻力系数。采用这一方法,需要知道许多水力要素,而且在河道封冻结冰情况下,往往很难准确确定这些因素。较之由水面坡降求糙率的河段方法,前者通常可以得到稳定可行的结果。后种方法对于水面坡降的量测十分敏感,而水面坡降的量测在冬季往往很难精确确定,很容易导致误差。
天然河道中的冰盖糙率受到水力、热力因素以及水中冰堆积的影响,变化规律十分复杂[8,9]。P.A. Larsen[6]对电站引水渠冬季水头损失进行了研究,提出了一种根据流速分布公式估计边壁粗糙高度ks的图解法。冰区曼宁糙率系数ni由Manning-Strickler公式估算得到,这一方法意味着n仅是k的函数。实际上,n是河道形状、相对粗糙度k/R及雷诺数的函数。同时,ksi及ni的数值对最大流速位置十分敏感,而最大流速位置又很难准确确定。若ni在实际范围内增大3倍,ksi将增大上千倍,这样ksi的值很可能超过水深值;K。S.
Vedula和R. R. Achanta[1]于1985年提出双流速分布规律,并采用图解方法分析得到摩阻流速,从而计算得到河床及冰盖的阻力特性。但是,应用双流速分布法估算阻力系数对于水深较浅的封冻河道或流速很小,难以确定流速分布曲线的斜率及转变点位置。W.Majewski等[10]根据实测资料提出了一个由流速分布推求冰盖糙率系数ni的图解方法,但其最大流速位置很难准确确定,产生较大的误差。另外,寒冷地区各国的学者也做了许多封冻河道流动阻力的现场观测及实验室内研究,得到了许多有价值的数据资料。文献[1]就是近年来对这些研究成果的总结。因篇幅关系,这里不再一一列举。
如前所述,冰盖下表面的粗糙系数与冰盖特性、水流及气象条件密切相关,随时间、空间而不同。由于天气、工作条件等种种原因,冰盖下表面的粗糙度往往很难直接量测,通常利用流速分布量测进行间接估算。假设冰盖下最大流速划分水深为两区,上下每区从边壁到最大流速处的流速分布均满足Karman Prandtl的流速分布规律(图1)。用下列方程表示:
u=V*[2.5ln(30y/ks)]
其中:u为距边壁距离y处的点流速;kS为水力粗糙高度;V*为摩阻流速。
  上述方程可表示为:
为了准确确定最大流速所在位置Yi,对实测流速分布资料进行分析拟合,得到两区的流速分布方程,数值联解得到对应于断面最大流速umax处的Yi,并由此求得umax及冰区平均流速Vi和λi,进而得到:
ni= Ri1/6=1/λi1/2Ri1/6
  同样也可确定河床的粗糙系数nb=λb1/2Rb1/6/.
新疆北屯-干渠明渠冬季输水运行原型观测报告,1997,1.
本文根据新疆北屯电站引水渠道的流速分布原型观测资料*,应用上述方法进行了糙率计算。具体的计算结果见表1、表2.
冰盖下表面糙率系数计算
umax/(m/s)
床面糙率系数计算
umax/(m/s)
计算结果表明,当渠底与冰盖下表面的糙率值相等时,最大速度值在水深一半附近的位置;当渠底与冰盖下表面的糙率值不相等时,最大速度的位置移向相对较为光滑的边界一侧。一般来说,在冰盖形成初期,冰盖下表面的糙率值相对较大;随着冬季严寒的加剧,冰盖的逐渐加厚、水流的冲蚀,冰盖下表面将逐渐光滑而使糙率减小,在冰盖破坏前,冰盖下表面糙率将达到一个最小值;到春天流冰期,冰盖破坏,冰盖的糙率又将突然增大。因此,最大速度的位置也将随着时间的推移而处在不同的水深位置。
本文根据实测资料由流速分布推求冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑上下两区的流速分布,从而准确地确定最大流速位置,并与现场实测资料进行验证。
冰盖糙率属于过程变量,影响因素太过复杂,且原型观测常常会受到自然条件的限制,资料不可能很完整。因此进一步的研究需要进行室内外系统的模拟试验研究工作,通过测量已知糙率渠道中的流速分布计算渠道糙率,并与已知值进行比较来衡量该种方法的精度。
通常认为冰期流量较小,床面糙率可采用结冰前的明流糙率,但计算结果表明,冰盖的存在使得床面阻力产生变化。在进行流速分布量测时,由于冰泥、水中冰的存在以及冰盖下过浅的水深,有时使得量测资料的可用率受到一定的限制。进行进一步研究时,应该在量测流速分布的同时,实测粗糙高度的特征值,进行进一步比较分析。
致谢:本研究是水电系基础研究基金项目:“河道中冰塞形成机理及数学模型研究”的部分内容,研究过程中得到陈永灿教授、胡和平教授和王爱民老师的支持,在此一并表示感谢。
参 考 文 献:
佘云童。封冻河道阻力分析和计算方法研究[D]。北京:清华大学,2000,6.
[2] Einstein H A. Method of calculating
the hydraulic radius in a cross section with different roughness[J].Appen. II of the
paper &Formulas for the transportation of bed load&. Trans ASCE, .
[3] Sun Z C, Sui J Y. Calculation of
water level in a river reach with frazil ice jam[C]。IAHR Ice Symposium, Espoo, 1990.
惠遇甲。冰期河道糙率分析和计算方法研究现状的述评[C]。见:第一届全国冰工程学术会议论文集,中国水利学会水力学专业委员会编。1992.
茅泽育,董曾南,陈长植。河冰数学模拟研究综述[J],水利水电技术,1996,(12).
[6] Larsen P A. Head losses caused by an
ice cover on open channels[J]。Journal of the Boston Society of Civil Engineers, 1969,(1)
[7] Dolgopolova E N. Resistance of ice
covered nature flows[C]。IAHR Ice Symposium. Beijing,1996.
[8] Brennan T,Smith Robert Ettema.
Flow resistance in ice covered alluvial channels[J]。Journal of Hyd. Engrg.,).
[9] Hung Tau Shen,Poojitha D Yapa.Flow
resistance of river ice cover[J]。Journal of hydraulic engineering, ).
[10] Majewski W, Baginska M,Valczak
P.Determination of roughness coefficient of the underside of ice cover[C]。IAHR Ice
Symposium, Sapporo, 1988。工程水文学5.6_百度文库
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浙江省涉河码头水利许可技术规定
二Ο一О年九月
是水法律法规赋予水行政主管部门的法定职责。码头是涉河项目较普遍的形式之一,码头建设直接涉及行洪畅通、河势稳定、堤防安全等,是一项技术性较强的工作。为加强涉河码头水利许可的技术管理,统一我省涉河码头的有关技术参数标准,特制定本规定。
附录A& 码头壅水及冲刷计算公式9
最大壅水高度计算
非粘性土一般冲刷公式
下列术语和定义适用于本标准。
2.0.1& 阻水面积百分比
相应水位条件下,码头阻水结构在垂直于水流方向上的投影面积与原河道过水断面面积之比。
2.0.2& 主槽
主要的过水河槽。
2.0.3& 占用主槽面积百分比
相应水位条件下,位于主槽断面中的码头阻水结构在垂直于水流方向上的投影面积与主槽断面面积之比。
2.0.4& 壅水高度、最大壅水高度和影响范围
码头阻水结构的存在抬高了河道的水位,其壅起的水面高度称为壅水高度,其最大值称为最大壅水高度,水面线抬升的范围称影响范围。
2.0.5& 一般冲刷
由于码头阻水构筑物压缩水流,导致主槽及滩地流速增大而引起的河床断面冲刷。
&宜离开堤脚3倍桩径距离以上,并
码头位于I、II级堤防河道,码头阻水面积百分比不宜大于4%,不得超过5%;位于III级及以下堤防以及无堤防河道,码头阻水面积百分比不宜大于5%,不得超过6%。
河宽500m以上河段除满足上述阻水面积百分比控制值外,还应校核码头占用主槽面积百分比参数,一般不得超过5%。
以潮汐作用为主的河口水域,应根据对防洪(潮)和对河势影响的综合分析结果,合理限定阻水面积及码头尺寸。
码头位于I、II级堤防河道,码头阻水引起的最大壅水高度不得超过0.08m;位于III级及以下堤防以及无堤防河道,最大壅水高度不得超过0.06m。
新建码头的沿程壅水与已建码头等建筑物的壅水叠加后的壅水值, 码头位于I、II级堤防河道的,最大不得超过0.08m;位于III级及以下堤防以及无堤防河道,最大不得超过0.06m。
码头建成后洪水下泄时堤脚前沿流速增幅应控制在5%以内。
建在分汊河段上的涉河码头不得影响分汊河道分流比性质的变化,应维持原河段泄洪能力主次的分配特点。
在钱塘江河口地区新建码头,应进行涌潮景观影响论证,避免对涌潮景观的观赏带来影响。
设计洪水条件下码头建设引起的堤脚一般冲刷应控制在0.5m以内。
& 以潮汐作用为主的河口水域及所在河段有重要防洪任务或重要防洪工程的河段,建码头后的壅水、流速变化及河道冲淤等宜开展数学模型计算或物理模型试验进行研究。
5.2& 涉河码头除满足上述规定外,还应对壅水、冲刷、流态变化等造成的影响采取补偿措施,以消除不利影响。
5.3& 涉河码头施工栈桥、围堰等临时建筑物,应在汛前拆除。如不能拆除,应采取度汛措施,并征得水行政主管部门同意,以确保河道防洪安全。
5.4& 涉河码头建设不得影响第三方的合法水事权益。
& 码头壅水及冲刷计算公式
壅水曲线的全长 和任意断面 处壅水高度 可按下列公式计算:
&&&&&&&&&&&&& & &&& && &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&& & &&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中: ——壅水曲线的全长(m);
——桥前最大壅水高度(m);
& ——河床比降(以小数计);
——任意断面 处的壅水高度(m);
——任意断面 至最大壅水断面的距离(m)。
(1) 河槽部分
①&&&&&& &&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中: ——码头断面一般冲刷后的最大水深(m);
——频率为P%的设计流量(m3/s);
& ——河槽部分通过的设计流量(m3/s);
——天然状态下河槽部分设计流量(m3/s);&
——天然状态下河滩部分设计流量(m3/s);
——河槽宽度(m);
——造床流量下的河槽宽度(m),对复式河床可取平滩水位时河槽宽度;
——设计水位下,在 宽度范围内,码头阻水总面积与过水面积比值;
——码头水流侧向压缩系数,近似取1;
——河槽最大水深(m);
——单宽流量集中系数,山前变迁、游荡、宽滩河段当 ﹥1.8时, &值可采用1.8;
——造床流量下的河槽平均水深(m),对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深;
表2-1& E& 值& 表
注:含沙量 采用历年汛期月最大含沙量平均值。
(2) 河滩部分
&&&&&&&&&&&&& & &&&&&&& &&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&
式中: ——河滩部分通过的设计流量(m3/s);
——河滩最大水深(m);&&
——河滩平均水深(m);
——河滩部分宽度(m);
——河滩水深1m时非粘性土不冲刷流速(m/s),
1.0.1本条文主要阐明了制定本规定的目的和作用。
1.0.2、1.0.3条主要阐明了本规定的适用范围,应该与原码头一并考虑。由于临时性码头一般需跨越汛期,且在实践中临时码头的拆除往往存在困难,因此从对河道的影响角度考虑,临时码头应纳入本规定。关于省级河道的范围参见附件2。
1.0.4本条文是对涉河码头建设提出一般性的规定,既要考虑码头建设对现状河道的影响,还要分析对规划河道的影响,应符合相关水利规划及其它规划。
本章仅将本规定中出现的、重要的术语列出。术语的解释是概括性的涵义。部分术语的补充说明如下:
对于2.0.2 条主槽的定义,受潮汐影响的河道,一般将平均低水位以下的河槽定义为主槽,不受潮汐影响的河道,一般将常水位以下的河槽定义为主槽,如图2.1所示。
图2.1& 河床断面
3.1本条文是对涉河码头平面、结构布置等提出的总体规定,参考了《防洪法》和《河港工程总体设计规范》(JTJ212-2006)的有关条款。
3.2.2& 水文观测断面和观测设施一般已有较长的连续观测记录,这些资料是分析河道特性的基本参数,为维持记录的连续性和代表性,码头应避开观测区域,否则应进行专门的论证,重新设置观测区域,河道水文测验断面具体保护范围应符合浙江省实施《中华人民共和国河道管理条例》办法中有关规定。另外,码头也应避开治涝、灌溉、供水等工程设施,保证工程设施的安全运行。
3.3.1& 该条文选自浙江省实施《中华人民共和国河道管理条例》办法第九条。
3.3.2& 人工运河和河网地区河宽有限,应限制码头结构突出岸线的平面布置方式,《河港工程总体设计规范》(JTJ212-2006)从保护航道的角度出发也作了类似的规定。
码头按结构型式分,有重力式、板桩式、高桩式和混合式等类型,各类型结构在阻水面积上有较大差异,在上述类型的比选中,除码头设计本身的需要外,还应把阻水面积作为选型的依据之一。
按有关设计规范,码头设计高水位依据河流类型和码头受淹损失的不同从5~50年一遇变动,码头前沿设计高程为设计高水位加超高值,但同时也允许适当变动,另外,从码头设计的实际需要出发,码头平台高程设置过高可能对作业安全带来不利的影响,因此,码头的防洪标准宜由码头建设本身的要求来确定。但码头建设不得对所在河段堤防防洪标准产生影响。
对于码头防洪标准降低导致码头平台受淹而使阻水面积增加,考虑在以下条文中对码头阻水作进一步的明确要求。
本条规定参考了《河港工程总体设计规范》(JTJ212-2006)总平面设计中的有关条款。除平原河网部分挖入式港池外,内河及河口码头基本为顺岸式布置,从防洪角度来看,码头前沿线与洪水主流流向的夹角越小,在主流方向的投影面积越小,有利于阻水面积降低和洪水的下泄。而码头前沿线与水流的夹角在码头本身设计中也有相应的要求,但通常考虑常水流条件下,而常水流和洪水流向一般并不完全一致,本条规定顺岸式码头的前沿线布置也应考虑洪水流向因素。
根据《防洪法》第二十二条规定,禁止在河道管理范围内建设妨碍行洪的建筑物、构筑物,因此,仓库应严禁设于河道之内。
河道滩地上设置码头堆场会对管理带来隐患,应尽量避免,但从我省实际情况来看,码头堆场占用河道高滩的现象比较多,对于确实需要设在河道滩地上的临时堆场,须经水行政主管部门批准,建设中要以自然滩地高程为标准,不得填土抬高,不得向河下推土,改变河道岸线,在日程管理中,堆场上的货物要做到随卸随运,不得在货场上长期存放,以确保河道泄洪通畅,汛期物资堆放、转移应服从防汛需要,并应落实防汛应急预案。
堤防护堤地范围应符合水行政主管部门的有关规定。
3.8.1、3.8.2条摘自《堤防工程设计规范GB50286-98》及《海堤工程设计规范SL 435-2008》中相关条款。
3.8.3 跨堤道路或栈桥与堤防立交时,防汛通道的净高应满足防汛抢险车辆通行的净高要求。当梁底与堤顶的净高不能满足防汛抢险车辆通行的净高要求时,应在堤背坡设置防汛通道及上下堤的交通坡道。
3.8.5 《堤防工程设计规范GB50286-98》和《海堤工程设计规范SL 435-2008》对穿堤的各类建筑物、构筑物的设计有明确要求,
(1)阻水面积百分比
堤防工程等级划分见表4.1。
表4.1 堤防工程的等级
根据省内主要河道上30座码头的统计结果,高桩梁板式码头和重力式码头是最常见的结构型式,其它结构型式较为少见,码头岸线均采用顺岸式布置。其中,以潮汐作用为主的河口水域均为引桥式高桩梁板码头,码头前沿突出岸线;河口以上河道兼有高桩梁板式码头和重力式码头,其中重力式码头处于相对上游河段,河宽较小,码头前沿线基本不突出岸线;人工运河和河网地区以重力式码头为主,码头岸线往往采用顺岸式与挖入式港池相结合的综合形式。从主要阻水结构来讲,高桩梁板式码头的码头平台、下部桩基及引桥结构是主要的阻水结构。
码头阻水对洪水位、流态、河势可能造成不利影响,阻水面积百分比是衡量这种影响程度比较明确的参数,且计算简单,易于控制。
统计资料中,500~1000吨级高桩码头平台宽度平均约为15m,从码头设计角度来看,码头宽度主要考虑富余宽度+吊装设备+车道+后沿附属设施等因素,15m宽度也基本可满足一般涉河码头的需要。
考虑统计资料中,上述500~1000吨级码头对应最小河宽为600m,按15m平台宽度和600m河宽比值粗略估算码头平台阻水面积百分比为2.5%左右,另外再考虑栈桥因素及码头位置局部岸滩高程的变化,确定码头阻水面积百分比不宜大于4%,不得超过5%,这个百分比可满足通常的码头设计要求,同时根据《涉河桥梁水利技术规定》的成果来看,这样的阻水面积对河道的影响不大。重力式及其它结构型式码头阻水面积百分比参数宜与高桩码头一致。
借鉴《涉河桥梁水利技术规定》中的条款,对于堤防级别较低(Ⅲ级及Ⅲ级以下堤防或无堤防),防洪重要性相对降低的河道,码头阻水面积百分比适当放宽要求,提高1%。
高桩梁板式码头阻水面积的计算中,建议把码头平台宽度范围内的投影面积均作为不过水来考虑。栈桥区桩基较稀疏,可按其实际外形计算阻水面积。
码头建设出于对水深的要求,码头前沿一般要设置在主槽之中,码头对主槽的占据会对河道滩槽分布产生影响,进而可能造成河势的改变,宜用单独的指标进行控制。工程中一般认为5%以内的相对变化范围为可承受的变化范围,确定河宽500m以上河段码头占用主槽面积百分比一般不得超过5%。河宽较大的河段往往有多条主槽存在,指标计算中的主槽取码头所在的深槽。
对于河宽较小的河道,码头占用主槽面积百分比与阻水面积百分比相差并不大,同时浙江省航道管理办法也对临河建造码头规定:码头外边线与航道中心线最小距离为该航道等级标准船宽的5倍以上,不得影响原有通航和行洪条件,因此不再用占用主槽面积百分比另行限制。
(3)以潮汐作用为主的河口水域,动力条件复杂,水下地形多变,码头建设容易减少河道断面总进、出潮量,或改变滩、槽潮量分配比例,进而影响整体河势,很难用单一的阻水面积参数来反映这种影响程度,应根据码头对防洪(潮)和对河势影响的综合分析结果,合理限定码头尺寸。
根据分析计算,码头壅水高度与河道、水流、码头阻水面积、码头沿岸长度等因素有关,因此一定的河道和水流条件下,壅水高度能综合反映码头的横向、纵向尺度。
由于码头结构和河道条件的不同,不同码头引起的壅水高度差异较大,根据所收集的资料来看,绝大部分码头最大壅水高度普遍在0.03m以下,个别为0.07m左右,与桥梁比较而言相对较小。数模计算的结果显示,在常见的洪水流速下,与阻水面积百分比上限值相应的最大壅水高度一般在0.06~0.08m范围,对于一定的阻水面积,洪水流速如较大则相应壅水高度也较大。因此对于防洪标准较高的I、II级堤防河道,洪水流速相对较大,取最大壅水高度限值0.08m,对于III级及以下堤防以及无堤防河道,防洪标准较低,洪水流速相对较小,取最大壅水高度限值0.06m。
最大壅水高度是指壅水沿程分布中的最大值,受潮汐影响的河道,壅水高度随涨落潮发生变化,对堤顶高程影响最大的壅水往往出现在高水位,而过程最大壅水则出现在急流时刻。最大壅水高度的控制值指高水位时的壅水值。
在堤防工程设计中,由于水文观测资料系列的局限性、河流冲淤变化、主流位置改变、堤顶磨损和风雨侵蚀等,设计堤顶高程需有一定的安全加高值。由于堤防的安全加高值中并不包含由于码头建设引起的水位壅高,因此,水位壅高引起的防洪能力降低必须进行补偿。补偿工程一般有加高加固、切滩、退堤等,由于河流两岸往往是人口密集、岸线利用密度高,切滩和退堤虽能使水位降低,多数情况下不切实际。补偿工程往往采用堤防加高加固方法,其主要缺点是,不易对堤防基础进行加固处理,随水位壅高值的大小增加堤身高度,水位抬高增加堤防损坏的风险,溃决后造成的危害也有所加大,对周边的景观也造成不利的影响。由于浙江省绝大多数河道已建有标准海塘,堤防加高加固可考虑在下一轮堤防建设中进行,或者维护整修时一并考虑,在加固加高补偿工程实施之前,涉河码头建设引起的壅水降低了堤防的安全加高值,因此,壅水高度应该控制在安全加高值的一定幅度内。上述最大壅水高度限制基本在堤防安全加高值10%以内(不允许越浪工况),见下表。
堤顶安全加高值& (单位:m)
由于设计洪水时水面线平缓,壅水范围大,易造成不同码头间以及与其它涉水工程间的壅水叠加,叠加后的最大壅水高度应不超过单一码头允许的最大壅水高度。
对于高桩码头,水流进入桩群区后,受到来自桩群的阻力,桩群区的水流流向阻力较小的主槽,促使主槽及码头对岸流速迅速增大,桩群区的流速明显降低。突出岸线的重力式码头也有类似的流速分布。
根据收集的资料来看,堤脚前的流速增大值基本可以控制在5%以内。
钱塘江涌潮作为特殊的景观资源越浪越受到各方重视,宜用单独的指标进行特别保护。
根据以往动床试验和经验公式计算的成果,当流速变化5%以内时,边滩的冲刷量大多数在0.3m以内,一般不超过0.5m,同时0.5m的冲刷量一般也不会超过堤脚防护块体的厚度(通常为0.3~1m)。堤脚有冲刷的,应对堤防稳定安全系数进行复核,并采用抛石等工程措施对堤脚进行保护,以免影响堤防的稳定。
5.4 涉河码头对于第三人合法水事权益的影响程度是否在允许的范围内,则需参看其它相关的规定或另行研究。
对于壅水高度和壅水范围对河段的防洪影响较大的,或者建设项目工程规模较大的,或对河势稳定可能产生较大影响、所在河段有重要防洪任务或重要防洪工程的建设项目,建码头后的壅水、流速变化及河道冲淤等应开展数学模型计算或物理模型试验进行研究。一般情况下,如在河流的上游河段或平原小型河道,重要性相应低一些,建码头后的水位壅高及冲刷可采用经验公式进行计算。
经验公式是在有限认识和经验的基础上建立起来的,不可能把所有的影响因素都考虑进去,只能考虑一些主要的影响因素,加之浙江省河道条件复杂,因此计算成果必须结合当地的实际情况分析核对,作合理性论证。
在经验公式选择中,编者查阅了众多国内文献,但针对码头水位壅高及冲刷的研究成果较少,且各公式适用性有一定的限制。编者开展了概化数模的计算,得到的码头壅水数据对各公式计算结果校核后,选定附录A所列壅水计算公式,该公式系《河港工程总体设计规范》码头高程壅水试验研究的部分成果。目前国内一般采用《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2002)的公式对桥墩进行一般冲刷计算,码头引起的一般冲刷计算引用该公式,并根据码头的特点对名词说法及取值上稍有调整。
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