航道整治课程设计某浅滩航道整治课程设计.doc

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1、某浅滩航道整治课程设计学校：学院：专业：姓名：学号：指导老师：时间：2014年6月一、 设计目的：消化和巩固航道整治课程的基本理论和知识，并加以综合应用。培养理论与实际相结合、分析和解决问题的能力，初步掌握航道整治设计的基本内容、步骤和方法。二、设计任务：本课题系采用顺直治段上的过渡段沙质浅滩。浅滩的基本特点为：能满足航深要求的上、下深槽宽而浅，且水深相差不大，曲率甚小，但经多年观察，深槽仍然变化不大，基本稳定；上、下边滩低坦，过渡段河面宽阔，水流分散。拟统一采取整治（筑坝）和疏浚相结合的工程措施进行整治。其具体整治措施为：沿溪线布置挖槽，吸引水流，增加航深；两岸用对口丁坝束窄过渡段河面宽度，

2、抬高边滩，稳固中、枯水河槽及其主流方向，加大流速，提高水流输沙能力，确保挖槽稳定。这个方案是根据课程设计的需要拟定的，不一定是最好的方案。三、设计内容和步骤：3.1基本参数的确定3.1.1设计水位、最低通航水位的计算（1）计算1963年保证率为95%的水位值保证率为95%的水位，即在一年中出现大于该水位值的水位的概率为95%，则可知一年中出现小于该水位值的水位的概率为5%,那么一年中水位低于该水位值的天数为：天。由航道整治课程设计指导书中的1963年长江上游某基站日平均水位表，根据所给资料按水位从42.19米到31.00米按20厘米分级，从30.99米到30.00米按10厘米分级的方法，统计出

3、1963年长江上游某基站日平均水位的各区间水位出现的次数，其统计结果如下表年水位保证率曲线计算表水位平均值出现次数累计次数保证率(%)36.61-36.6736.6400036.41-36.6036.505110.00273972636.21-36.4036.305120.00547945236.01-36.2036.105130.00821917835.81-36.0035.905140.01095890435.61-35.8035.705040.01095890435.41-35.6035.505040.01095890435.21-35.4035.305150.0136986335.01

4、-35.2035.105270.01917808234.81-35.0034.905180.02191780834.61-34.8034.705190.02465753434.41-34.6034.5053120.03287671234.21-34.4034.3054160.04383561634.01-34.2034.1051170.04657534233.81-34.0033.9052190.05205479533.61-33.8033.7055240.06575342533.41-33.6033.5053270.07397260333.21-33.4033.3054310.0849315

5、0733.01-33.2033.1057380.10410958932.81-33.0032.9056440.12054794532.61-32.8032.70511550.15068493232.41-32.6032.50515700.19178082232.21-32.4032.3058780.2136986332.01-32.2032.10511890.24383561631.81-32.0031.905111000.27397260331.61-31.8031.705181180.32328767131.41-31.6031.505191370.37534246631.21-31.40

6、31.305161530.41917808231.01-31.2031.105261790.49041095930.91-31.0030.955181970.53972602730.81-30.9030.855162130.58356164430.71-30.8030.755192320.63561643830.61-30.7030.655212530.69315068530.51-30.6030.555132660.72876712330.41-30.5030.455242900.79452054830.31-30.4030.355503400.93150684930.21-30.3030.

7、255133430.93972602730.11-30.2030.155123651然后绘制保证率水位曲线，如图由此可知1963年保证率为95%的水位值为30.29m.上游基站最枯水位和保证率95%水位 年 份最枯水位P=95%水位零点水位对应95%水位年 份最枯水位P=95%水位零点水位对应95%水位195530.39 30.40 0.58 196530.17 30.26 0.44 195630.19 30.26 0.44 196629.82 29.84 0.02 195730.25 30.26 0.44 196730.36 30.38 0.56 195830.16 30.17 0.35 1

8、96830.58 30.67 0.85 195930.20 30.38 0.56 196930.63 30.66 0.84 196030.55 30.60 0.78 197030.55 31.05 1.23 196130.68 30.74 0.92 197130.11 30.14 0.32 196230.75 30.78 0.96 197230.08 30.23 0.41 196330.15 30.29 0.48 197330.73 30.90 1.08 196430.30 30.46 0.64 197430.33 30.35 0.53 上游基站保证率为95%的水位累计频率计算 计算经验累积频

9、率。使用Excel得到上游基站保证率为95%的水位累计频率计算表，如下表所示。 矩法求样本统计参数。变差系数计算如下： 理论累积频率曲线计算与绘制。根据已计算出的参数试定，由工程水文学中查得，代入式及，算得，列入表理论累积频率曲线计算表。并以点（）绘出三条理论累积频率曲线。 保证率为95%的水位累计频率计算表序号年号P=95%的水位最枯水位起y模比系数kiki-1(ki-1)2p=m/(n+1)*100%1197031.05 1.231.98 0.98 0.97 4.76 2197330.90 1.081.74 0.74 0.55 9.52 3196230.78 0.961.55 0.55 0

10、.30 14.29 4196130.74 0.921.48 0.48 0.23 19.05 5196830.67 0.851.37 0.37 0.14 23.81 6196930.66 0.841.35 0.35 0.13 28.57 7196030.60 0.781.26 0.26 0.07 33.33 8196430.46 0.641.03 0.03 0.00 38.10 9195530.40 0.580.94 -0.06 0.00 42.86 10195930.38 0.560.90 -0.10 0.01 47.62 11196730.38 0.560.90 -0.10 0.01 52.

11、38 12197430.35 0.530.85 -0.15 0.02 57.14 13196330.29 0.480.77 -0.23 0.05 61.90 14195630.26 0.440.71 -0.29 0.08 66.67 15195730.26 0.440.71 -0.29 0.08 71.43 16196530.26 0.440.71 -0.29 0.08 76.19 17197230.23 0.410.66 -0.34 0.11 80.95 18195830.17 0.350.56 -0.44 0.19 85.71 19197130.14 0.320.52 -0.48 0.23

12、 90.48 20196629.84 0.020.03 -0.97 0.94 95.24 平均30.44 0.62合计20.05 0.05 4.21 理论累积频率曲线计算表P0.010.1151050759095992Cvp5.82 4.45 2.98 1.87 1.34 -0.35 -0.73 -1.14 -1.34 -1.63 kp3.74 3.09 2.40 1.88 1.63 0.83 0.66 0.46 0.37 0.23 Zp32.14 31.74 31.31 30.99 30.83 30.33 30.23 30.11 30.05 29.96 3Cvp6.87 5.09 3.27

13、1.94 1.33 -0.22 -0.73 -1.04 -1.17 -1.32 kp4.23 3.39 2.54 1.91 1.63 0.90 0.66 0.51 0.45 0.38 Zp32.44 31.92 31.39 31.01 30.83 30.38 30.23 30.14 30.10 30.06 4Cvp7.98 5.77 3.55 1.99 1.31 -0.29 -0.72 -0.92 -0.98 -1.04 kp4.75 3.71 2.67 1.94 1.62 0.86 0.66 0.57 0.54 0.51 Zp32.77 32.12 31.47 31.02 30.82 30.

14、36 30.23 30.17 30.15 30.14 适线情况分析。由下图可看出时线头部的点据配合较好，尾部也较好，且可查得此时保证率为95%的水位为30.23米。（2）浅滩的设计水位计算（水文站与浅滩基本站间的水位相关关系）1.利用EXCEL 得到上游基站保证率为95%的水位累积频率计算表，将补齐的95%保证率的水位从小到大排列，分级计算频率并绘制95%保证率水位的累积频率曲线，如下图所示。在曲线上取频率为20%对应的水位作为设计水位为30.24m。2.利用1962年的水位情况表绘制成图形如下：1962年浅滩基本水尺与上游基本水文站同步观测水位 单位：米日期1.11.21.31.41.5基站

15、32.2832.6733.1233.2233.05浅滩31.3531.6132.2832.6132.27日期1.61.71.81.91.10基站32.8132.5832.3332.2132.11浅滩31.8431.7531.2931.1530.92日期1.111.121.131.141.15基站32.0031.9531.8831.8431.81浅滩30.8530.8230.7830.7030.64日期1.161.171.181.191.20基站31.8031.7630.7031.5831.56浅滩30.5530.5330.4430.3730.32日期1.211.221.231.241.25基站

16、31.5431.5031.4431.4031.34浅滩30.3030.2730.2030.1830.10日期2.102.112.243.6基站30.8230.8030.7631.63浅滩29.4229.3929.3530.42数据绘制成图形如下：由此可得水文站与浅滩基本站间的水位相关关系为：式中：y-基站水位， x-浅滩水位已推得基本站的设计水位为30.23m, 则浅滩设计水位3.1.2整治水位及流量的计算：(1)浅滩整治水位在设计水位以上超高值1米，由此得整治水位=浅滩设计水位+超高值=28.72+1=29.72(m)(2)根据浅滩整治水位，采用浅滩和水文站二者间的相关关系确定水文站的整治水

17、位 得水文站的整治水位=(3)根据水文站低水期水位流量关系求出整治水位对应的流量上游水文站低水时水位流量相关方程： Q=504Z15060 (m3/s)式中： Z基站水位(米)。 由此可得Q=50431.03-15060=581.41(m3/s)综上所述，已获得浅滩基本水尺（4#）的设计水位28.72m、整治水位29.72m和整治流量581.41 (m3/s)3.1.3浅滩其他水尺及各断面水位的计算 浅滩枯水期比降计算：由某滩地形图量得1，3水尺间的距离为693.6874米，2，4水尺间的距离为1224.00米，由此再根据任务书中的浅滩其他水尺与基本水尺同步观测水位表及比降公式即可算得各水尺间

18、的比降。比降公式如下：J=(Hi+1-Hi)/L （4） 其中，Hi为地i个水尺的水位，L为两水尺间的距离。计算1，3水尺及2，4水尺间的比降结果如下表所示： 个水尺间比降计算表日期1,3水尺水位差1,3水尺比降2,4水尺水位差2,4水尺比降3.210.11 0.00016 0.250.00020 3.240.10 0.00014 0.230.00019 3.270.12 0.00017 0.220.00018 确定浅滩1，2，3号断面的设计水位及整治水位：已知基本水尺（即4号水尺）的设计水位为 28.86米 ，整治水位为 29.86米 。由于4号水尺的整治水位趋近于3.21号的实测数据，所以

19、采用这一天的平均比降来计算其他水尺的设计水位及整治水位。由某滩地形图中量得1，4水尺间距离为1005.66米，2，4水尺间距离为1229.00米3，4水尺间距离为358.85米。又3.21号这一天的平均比降为： (5) (6) （7） 其中，Hi为第i个水尺的设计水位，i=1，2，3； Hj为第i个水尺的整治水位 J为比降，L两水尺间的距离。于是可计算得各水尺的整治水位及设计水位，结果见表各水尺整治水位及设计水位水尺1234设计水位29.0429.0828.9228.86整治水位30.0430.0829.9229.86 确定、号断面的设计水位及整治水位： (8) (9)式中，为第个断面的设计水

20、位，I=、； 为基本水尺的设计水位； 为第个断面与基本水尺间的距离； 为第个断面的整治水位。从地形图中量得、号断面与基本站间的水平距离（米）分别为：1113.89，611.71，296.65，270.03。再利用（8）和（9）两式即可算得四个断面的设计水位与整治水位。所得结果见表各水尺整治水位及设计水位断面设计水位29.0628.9728.9128.91整治水位30.06529.9729.9129.91各水尺整治水位及设计水位3.1.4浅滩河床特征粒径的计算 确定河床中值粒径：根据任务书中所给的浅滩槽沙筛分资料得到床沙粒径级配曲线计算表，如下表 床沙粒径级配曲线计算表筛孔直径(毫米)75321

21、0.50.250.10.05筛内泥沙重量(克)045.0422.5211.2639.4133.78101.34197.05112.7小于某粒径的沙重(克)563.05518.01495.49484.23444.82411.04309.7112.650小于某粒径的沙重占总重的重量百分比(%)10092888679735520.010Excel绘制粒径级配曲线如下图：由此图可查得床沙中值粒径=0.3mm。 计算河床平均粒径：由任务书可知，加权平均粒径计算方法如下： （10）于是由此公式和下表即可求得=0.99mm。加权平均粒径计算表筛孔直径(毫米)753210.50.250.10.05平均粒径di

22、(毫米)642.51.50.750.380.180.08各组沙重(克)45.0422.5211.2639.4133.78101.34197.05112.65各组泥沙重量84276183520.01百分比pi(%)pidI0.480.160.050.110.040.070.060.023.1.5浅滩河段枯水糙率计算在CAD中画出断面I 、II 、III、 IV的断面图如下：量得断面的面积和周长如下表，结合 面积A和湿周（由CAD可以量得），Q=659.76(m3/s) ，J=0.000173，水力半径R=，V=Q/A,流速求得以下数据。 断面断面断面 断面断面面积1320.24 1380.56

23、1352.231464.36河宽660.42 680.28681.36 661.68 湿周662.42 672.36 676.21668.54 水力半径R2.1442.053 2.000 2.190流速V0.464 0.4780.4880.451 糙率n0.0471 0.0445 0.04280.0492 3.2 整治参数的确定输沙平衡法计算整治线宽度：由沙莫夫推移质输沙率公式： (14)为止动流速，为计算方便，将式中改写为： = （15）又,于是，（14）式可变为： (16) (17) 式中指数m的值可由对数纸上的相关线确定，上述各式代入（14）式，且 ，于是可推得： （18） 其中系数 已

24、知：,由表查得再由，可得。 水力学方法计算整治线宽度： (19) (20)假定整治前后不变，则,故可得： (21)而，故已知：，可得，故整治线宽度为：。3.3整治线的平面布置3.3.1整治线的基本走向-两个原则走向应与凹岸稳定深槽的河岸相吻合,利用河岸自身的控制点，同整治建筑物共同构造稳定的整治线。过渡段应以枯水水流动力轴线偏离河心位置为起点，终点在下深槽沱口稍下一点保证过渡段与下深槽平顺衔接。3.3.2整治线的平面形态及设计 通常情况下，冲积性河道总是弯曲的。整治线适宜的形式是由两反向河弯并在中间内插一个长度适中的直线段构成，规划布置时参照优良河段选择弯曲半径R和直线段长度L。 弯曲半径R：

25、一般取R=(46)B2，本图中取R=2800m，切除凸角时取R=(23)B2，此处取R=1400m直线段长度L：一般取L=(13)B2，此处取L=600m整治线与航槽间的距离 : L=(35)h+ch整治建筑物头部高度；c安全距离，大中型河流取10m整治线的平面设计：在上、下深槽确定主导河岸， 绘枯水水流动力轴线；越过转向的起讫点，沿主导河岸做圆弧线，根据B2平行绘出对岸的圆弧线，在过渡段以直线联接上、下圆弧线。 常采用平面控制整治线的整治建筑物: 丁坝、顺坝、锁坝、洲头分流坝、洲尾导流坝及护岸等。本例中采用丁坝。按从上至下的顺序布置两岸丁坝。第一座丁坝宜在水深稍浅或适航的断面上，坝间距按前坝

26、投影长度的12倍确定，各坝按从上至下、左单右双（面向下游分左右）的习惯编号。丁坝布置详见CAD图 表17坝1坝2坝3坝4与4号水尺距离1060.16624.25815.75478.84比降0.0001730.0001730.0001730.0001734号水尺设计水位28.7228.7228.7228.724号水尺整治水位29.7229.7229.7229.72设计水位28.9028.8328.8628.80整治水位29.9029.8329.8629.803.4挖槽的布置根据保证航深1.50米，设计航宽60米，航道最小半径300米，绘出航槽及挖槽断面，详见图二挖槽的方向挖槽的方向，通常以挖槽和

27、流向的交角来表示。挖槽轴线与主流流向应尽可能保持一致，有困难时，其夹角一般不因超过15。挖槽的最佳尺寸取进出口两个断面分别计算挖槽水深，取其平均值作为挖槽后的水深。、指挖泥前浅滩断面水平宽度、平均水深；、指挖泥后相对应的数值。令为相对挖泥深度；为相对挖泥宽度；则上式可简化为取断面3计算，由此可得挖槽后的流速将大于挖槽前浅滩上得平均流速，易产生冲刷挖槽横断面形状挖槽横断面的形状，一般设计成对称梯形，两侧边坡系数的大小，取决于土壤在水流作用下的休止角，沙质土壤的边坡为，卵石浅滩可取得边坡为，泥质浅滩的边坡为。挖槽纵断面底坡宜与挖槽后的水面线一致，做到与上下深槽平顺衔接，避免进、出口出现横流、急流。

28、3.5整治工程的校核计算按“累积流量法”绘制水流平面图，校核在整治水位时设计航道范围内河床是否冲刷。累积流量图图比：横（河宽）1:4000，纵（水深）1:20，以横断面图的起伏点划分“流带”七等分累积虚流量。调整后的各“流束”（也称流带）虚流量不等值应不大于5. 调整前累计流量计算表点号图上面积实际面积biHibi*Hi(5/3)累积bi*Hi(5/3)累积bi114104.58 176.31 82.96 2.13 291.43 291.43 82.96 28245.92 103.07 82.96 1.24 119.12 410.56 165.92 311625.51 145.32 82.96

29、 1.75 211.17 621.72 248.88 412418.18 155.23 82.96 1.87 235.70 857.42 331.84 511748.07 146.85 82.96 1.77 214.89 1072.31 414.80 613183.10 164.79 82.96 1.99 260.39 1332.71 497.76 713183.10 164.79 82.96 1.99 260.39 1593.10 580.72 第一次调整后累计流量计算表点号图上面积实际面积biHibi*Hi(5/3)累积bi*Hi(5/3)累积bi111355.37 141.94 64.7

30、9 2.19 239.44 239.44 64.79 212308.95 153.86 118.66 1.30 182.96 422.40 183.45 314513.38 181.42 86.92 2.09 296.30 718.69 270.37 410914.54 136.43 81.91 1.67 191.71 910.40 352.27 512342.25 154.28 83.43 1.85 232.42 1142.82 435.71 611500.37 143.75 72.51 1.98 226.87 1369.70 508.22 710377.07 129.71 72.51 1.

31、79 191.15 1560.85 580.72 第二次调整后累计流量计算表点号图上面积实际面积biHibi*Hi(5/3)累积bi*Hi(5/3)误差值累积biVc111195.94 139.95 63.80 2.19 236.26 236.26 1.04 63.80 0.522 214654.75 183.18 143.04 1.28 216.03 452.29 0.95 206.84 0.477 310400.33 130.00 53.03 2.45 236.38 688.67 1.04 259.87 0.532 412841.23 160.52 91.91 1.75 232.79 92

32、1.46 1.02 351.77 0.503 511542.68 144.28 78.43 1.84 216.62 1138.07 0.95 430.21 0.507 611070.14 138.38 69.51 1.99 218.99 1357.06 0.96 499.72 0.514 711605.60 145.07 80.51 1.80 214.82 1571.87 0.94 580.22 0.505 大致满足调整后的各“流束”（也称流带）虚流量不等值应不大于5的要求。由，得得下表表13点号1234567Vi/Vc1.030.941.050.991.001.021.00分析可得各流带均不

33、满足VV01.11.3要求，比值太小，表示冲刷较弱，宜缩窄整治线。校核挖槽的稳定性：由上述计算可知，流量为604.32，再由下式即可求得挖槽范围内平均流速： （22）其中，：施挖前航槽范围内平均水深开挖后挖槽内平均流速为： （23） 式中，为平均开挖深度 为开挖断面面积 令开挖后挖槽断面范围内平均流速增大倍数为，则： （24）开挖前挖槽范围内平均流速：断面B(m)A(m2)h0(m)B1/2(m2)A3/2h01/2v0-370.47680.921.6519.2417768.231.280.97开挖后挖槽范围内的平均流速：断面Anh0An/A(1+h)/h0Kmv-501.10.0731.27

34、1.51.455由上述结果可以看出，挖槽范围内开挖后的流速均大于开挖前的流速，基本满足稳定校核中提出的流速要求。3.6工程设计及工程量的计算 3.6.1坝的纵横断面的设计和工程量计算（抛石丁坝）（1）材料选用及粒径确定 抛石坝的石质，要选用未风化的不溶于水的岩石，忌用页岩和疏松的砾岩等。一般多用花岗岩、砂岩、玄武岩、和石灰岩。块石应具有合理的级配，坝身不宜采用片状石，坝体应按设计要求嵌砌牢固。（2）丁坝的断面尺寸及工程量计算坝顶宽一般采用1.02.0m，此处取坝顶宽为2米。取丁坝上游、下游坡面均为1:5，取坝高为3m,则坝底宽为6m,按梯形断面计算丁坝横断面面积为12。则各丁坝工程量及丁坝总工

35、程量详见下表： 丁坝1丁坝2丁坝3丁坝4坝长（m）228.68140.6695.36208.24断面面积12121212各丁坝工程量2744.161687.921144.322498.88总工程量8075.28为了防止丁坝全部长度骤然同时过水，而引起河床的急剧变化，应将丁坝设计成斜向河心的纵坡，有纵坡的丁坝较平顶的丁坝可以减轻坝根附近的冲刷。纵坡的大小取决于坝长河丁坝相接的高度，一般为1:1001:300。（3）坝根的保护 为了防止中、洪水位时水流冲栓河岸，切断坝根，要做好坝根与河岸的衔接。在坝根与河岸坡面连接段，根据岸坡的地形，采取坝顶纵坡，紧靠坝根上下游河岸，各建一定长度的护岸。其长度视土

36、质、流速、坝轴线与水流交角而定。（4）坝头的处理 坝头处水流湍急，承受的动水压力大，并产生绕过坝头的螺旋流，在坝头稍下地方形成冲刷坑，必须加固。一般采取如下措施：将坝头放宽成梨形，即在背水面将坝顶加宽1/31/2倍，并将头部做成圆滑曲线；放缓坝头向河坡，采用1:31:5坡度；加大坝头处的河底面积，护底伸出512m，一般采用沉排；在坝头下游一侧加设一段与水流方向平行的顺坝，使坝轴线成勾头坝。（5）丁坝坝基的处理 山区河流流速较大，丁坝的坝面、坝头等部位容易发生破坏；在平原河流及松散的沙、砂卵石河床上筑丁坝，基础容易淘刷，导致坝体沉陷乃至崩滑，在坝根与天然岸坡连接处，上下游均会产生回流，岸坡容易被

37、冲刷，使得坝体接岸处冲开，导致岸坡垮塌。因此在修筑丁坝时，一定要采取可靠的防护措施。山区河流的河床多为基岩和卵石覆盖，坝基一般不需要处理。在卵石粒径较小且松散的地方，可先沿坝轴线平抛一层块石，然后在进行筑坝。在平原河流和河床易冲刷的河段，应采取可靠的护底措施。护底采用柴排或土工织物软体排。由于梢料来源困难，目前一般采用土工织物软体排。3.6.2、挖槽纵横断面设计和工程量计算断面1断面2断面3断面4断面5断面6面积9.43 47.1770.89 67.16 33.30 49.88断面间距离154.47110.26 83.45 87.6571.64挖方工程量4371.506508.655760.144402.66 2979.5