海岸工程学-课件

海岸工程学海岸工程学1本章内容本章内容l水闸定义l水闸用途l闸下淤积成因l闸下淤积估算l闸下淤积治理对策l闸下淤积治理实例本章内容水闸定义2是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水流，具是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水流，具有挡水和泄（引）水的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电有挡水和泄（引）水的双重功能，在防洪、治涝、灌溉、供水、航运、发电等方面应用十分广泛等方面应用十分广泛1水闸定义南京秦淮河南京秦淮河是调节水位、控制流量的低水头水工建筑物，主要依靠闸门控制水3节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节水位，控制流量节制闸（拦河闸）：拦河兴建，调节水位，控制流量进水闸（渠首闸）：在河、湖、水库的岸边兴建，常位于引水渠道首部，引取水流进水闸（渠首闸）：在河、湖、水库的岸边兴建，常位于引水渠道首部，引取水流排水闸（排涝闸、泄水闸、退水闸）：在江河沿岸兴建，作用是排水、防止洪水倒灌排水闸（排涝闸、泄水闸、退水闸）：在江河沿岸兴建，作用是排水、防止洪水倒灌分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰洪、滞洪分洪闸：在河道的一侧兴建，分泄洪水、削减洪峰洪、滞洪挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌挡潮闸：建于河流入海河口上游地段，防止海潮倒灌冲沙闸：静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤积冲沙闸：静水通航，动水冲沙，减少含沙量，防止淤积排冰闸：在堤岸上建闸防止冬季冰凌堵塞排冰闸：在堤岸上建闸防止冬季冰凌堵塞按担负的任务（作用）分：按担负的任务（作用）分：l l水闸分类水闸分类水闸分类水闸分类按担负的任务（作用）分：水闸分类4 n n挡潮御卤挡潮御卤n n抬高水位抬高水位n n蓄淡灌溉蓄淡灌溉n n改善水质改善水质n n防风暴潮防风暴潮n n2河口建闸的目的2河口建闸的目的5一些无航运要求的河口中，常建闸以御卤蓄淡，尤以我国苏北和海河流域建闸最多国外河口建闸多以防暴潮为目的，如荷兰三角洲及英国泰晤士河口伦敦附近建闸，我国黄浦江支流苏州建闸亦属于此类型 基于“挡暴潮”目的的河口闸，常年处于开启状态以保持通航，只有在暴潮来临时才关闭闸门，因此出于通航和防淤、减淤的目的也常在河口建双导堤以拦截河口近岸带含沙浓度较高的海水进入河口，减少河口内引河段的淤积一些无航运要求的河口中，常建闸以御卤蓄淡，尤以我国苏北和海河6大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点可以互相讨论下，但要小声点大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点7温州鹿城戍浦江河口大闸温州鹿城戍浦江河口大闸温州鹿城戍浦江河口大闸8曹娥江大闸枢纽工程浙江省“五大百亿”工程浙东引水工程的枢纽工程，是我国在河口地区建设的第一大闸工程位于曹娥江口门，工程主要由挡潮泄洪闸、堵坝、导流堤、鱼道、闸上江道堤脚加固等组成大闸工程总宽1582米，其中挡潮闸共28孔，每孔净宽20米，总宽697米，堵坝长575米。总投资12.52亿元 曹娥江大闸枢纽工程浙江省“五大百亿”工程浙东引水工程的枢纽工9荷兰三角洲挡潮闸工程荷兰三角洲挡潮闸工程(Delta Storm Surge Barriers Project in the Nether-lands)荷兰三角洲地区位于莱茵河、马斯河和斯海尔德河的人海口，大部分土地低于海平面 该地区的灾害主要来自北海，以前的治理方法是筑堤防潮 1953年在荷兰发生的水灾促成了庞大的三角洲治理计划的实施在入海口及水道之间修筑了一系列设有水闸、船闸的堤坝，提高了整个三角洲地区的防潮抗洪能力 荷兰三角洲挡潮闸工程荷兰三角洲地区位于莱茵河、马斯河和斯海尔10荷荷兰兰荷兰11海岸工程学-课件12哈灵水道挡潮闸哈灵水道挡潮闸l兼有防潮、防洪、供水、航运等综合效益的重要水利兼有防潮、防洪、供水、航运等综合效益的重要水利枢纽，也是对水资源实现统一使用调度管理的成功范例枢纽，也是对水资源实现统一使用调度管理的成功范例l低潮位时闸门打开将水泄入大海，涨潮时将闸门关闭低潮位时闸门打开将水泄入大海，涨潮时将闸门关闭以防潮水入侵。遇风暴时则将两侧闸门都关闭与坝体形以防潮水入侵。遇风暴时则将两侧闸门都关闭与坝体形成一道封闭的墙体，以抵御海潮袭击成一道封闭的墙体，以抵御海潮袭击l当莱茵河上游来水流量降到当莱茵河上游来水流量降到1700m1700m3 3/s/s时，关闭闸门使时，关闭闸门使河水可经鹿特丹新水道泄出。这样既可保证有足够的流河水可经鹿特丹新水道泄出。这样既可保证有足够的流量防止海水入侵，又可以防止西北部地区产生盐碱化，量防止海水入侵，又可以防止西北部地区产生盐碱化，且保障中西部地区的饮用和灌溉用水且保障中西部地区的饮用和灌溉用水l当流量达到当流量达到6000m6000m3 3/s/s时，低潮位时闸门全开，以防北时，低潮位时闸门全开，以防北部地区的水位抬高而泛滥，同时还可防止鹿特丹水道因部地区的水位抬高而泛滥，同时还可防止鹿特丹水道因有过多水量通过而使其内水流速加大，造成航运困难有过多水量通过而使其内水流速加大，造成航运困难哈灵水道挡潮闸13哈灵水道挡潮闸哈灵水道挡潮闸哈灵水道挡潮闸14海岸工程学-课件153闸下淤积及成因l l我国河口建闸之多，淤积之严重，是世界少见的我国河口建闸之多，淤积之严重，是世界少见的我国河口建闸之多，淤积之严重，是世界少见的我国河口建闸之多，淤积之严重，是世界少见的目前我国沿海地区已修建挡潮闸的入海河口有300多个，普遍性的存在闸下淤积江苏沿海建闸。据1985年统计，排水流量大于100m3/s的挡潮排涝闸58座，闸下严重淤积的有15座，一般淤积的20座，基本淤死的5座河北海河建闸。海河流域20个河口，建闸后均发生淤积。闸下短引河淤积强度大、淤积总量少；长引河淤积强度小、淤积总量大3闸下淤积及成因我国河口建闸之多，淤积之严重，是世界少见的16l l危害危害危害危害n河口修建挡潮闸后改变了潮波运动状态，陆相和海相泥沙因环境动力变化而发生淤积n淤积将影响闸门正常效用发挥n更重要的是影响河流的行洪排涝、生态功能、甚至航运功能行洪排涝、生态功能、甚至航运功能行洪排涝、生态功能、甚至航运功能行洪排涝、生态功能、甚至航运功能危害河口修建挡潮闸后改变了潮波运动状态，陆相和海相泥沙因环境17l l闸下淤积的成因机制闸下淤积的成因机制闸下淤积的成因机制闸下淤积的成因机制n n建闸前上游有水必排，能随时冲淤建闸前上游有水必排，能随时冲淤n n建闸后控制了上游水源，排水量减少，汛期将多余的涝水排放，非汛期则建闸后控制了上游水源，排水量减少，汛期将多余的涝水排放，非汛期则蓄水灌溉，这样难以有足够的水量保证蓄水灌溉，这样难以有足够的水量保证“冲淤量年平衡冲淤量年平衡”（1 1 1 1）建闸后河流径流量减小及径流分配过程改变建闸后河流径流量减小及径流分配过程改变建闸后河流径流量减小及径流分配过程改变建闸后河流径流量减小及径流分配过程改变闸下淤积的成因机制建闸前上游有水必排，能随时冲淤（1）建闸18由于闸身截断了上溯到潮区界的潮流量，潮棱柱体相应减少，纳潮容量相对变小，造成落潮平均流量(包括上游下泄径流量)也随之相应减少建闸前涨潮流速过程相对匀称，同时上游河道有部分径流加入，落潮流速还略大于涨潮流速建闸后涨潮流前峰突出，流速大，落潮历时延长，流速减弱，涨潮流前峰突出，流速大，落潮历时延长，流速减弱，平均流速比涨潮流速减少一半如江苏八滩河闸建闸前实测平均涨潮流速为0.62m/s,平均落潮流速为0.73m/s,平均落潮历时3h30min建闸后实测平均涨潮流速为0.58m/s,平均落潮流速为0.33m/s，平均落潮历时7h45min（2 2 2 2）潮流量减少与潮流速的变化）潮流量减少与潮流速的变化）潮流量减少与潮流速的变化）潮流量减少与潮流速的变化由于闸身截断了上溯到潮区界的潮流量，潮棱柱体相应减少，纳潮容19闸v（3 3 3 3）潮波变形）潮波变形）潮波变形）潮波变形建闸后，边界条件改变造成潮波变形加剧由于闸门反射，挡潮闸下近闸河段的潮流由推进波变为驻波，潮位过程线与流速过程线发生明显相位差，高潮增高、低潮降低；涨潮历时缩短，落潮历时增长水力条件改变，是导致闸下泥沙淤积的重要原因闸v（3）潮波变形建闸后，边界条件改变造成潮波变形加剧20海岸工程学-课件21（4 4 4 4）自然原因（泥沙来源丰富）自然原因（泥沙来源丰富）自然原因（泥沙来源丰富）自然原因（泥沙来源丰富）江苏沿海的浅海滩涂泥沙和废黄河口外的泥沙丰富，潮流的涨落运动产生强大的输沙能量，将大量泥沙带入闸下河道如东滩中心河闸于1996年7月20日21日、25日26日在夸套港的周日水文泥沙观测表明：落潮历时大于涨潮历时，闸下涨落历时差达4.06h，涨潮历时3h16min,落潮历时8h51min涨 潮 流 速 大 于 落 潮 流 速,涨 潮 含 沙 量 大 于 落 潮 含 沙 量,涨=1.41m/s,落=0.62m/s,涨=2.03g/L,落0.84g/L落潮是一个沿程冲刷的过程，但对于细粒泥沙而言，起动流速大于落潮流速，落潮含沙量明显小于涨潮含沙量，泥沙逐渐淤积（4）自然原因（泥沙来源丰富）江苏沿海的浅海滩涂泥沙和224闸下河床变形估算l闸下淤积绝大部分淤积在低潮位下的河槽内，潮间带的淤积约为高潮位下淤积总量的5-10%l建闸头一年的淤积量约为平衡后总淤积量的50%l如果水沙条件比较稳定，一般5-10年可以达到相对平衡l估算的方法主要由经验法以及河床形态法4闸下河床变形估算闸下淤积绝大部分淤积在低潮位下的河槽内，23（1 1）经验法）经验法l采用经验公式确定A为闸下河段平均断面面积，LR为离潮区界点的距离，建闸后的潮区界点在闸下建闸后的潮区界点在闸下l采用挟沙能力估算假定建闸前、后同一位置挟沙能力相同H为水深；S为含沙量；q为单宽潮量（1）经验法采用经验公式确定A为闸下河段平均断面面积，LR为24（2 2）河床形态法）河床形态法l河床形态（河相关系）是河道所遵循的基本规律之一l窦国仁提出河口段均衡河相关系为H中潮位下的水深；A面积；B河宽；Qe平均落潮流量底沙止动流速悬沙止动流速河岸与河底相对可动性系数涌潮系数，和水深及潮差有关（2）河床形态法河床形态（河相关系）是河道所遵循的基本规律之25对于基本没有径流的闸下河段基本没有径流的闸下河段基本没有径流的闸下河段基本没有径流的闸下河段泥沙淤积可用纳潮回淤理论加以估算（3 3）其他方法）其他方法对于基本没有径流的闸下河段泥沙淤积可用纳潮回淤理论加以估算265 5 闸下减淤防淤措施闸下减淤防淤措施闸下减淤防淤措施闸下减淤防淤措施n n水力冲淤水力冲淤水力冲淤水力冲淤n n机械清淤机械清淤机械清淤机械清淤n n工程措施工程措施工程措施工程措施n n植物措施植物措施植物措施植物措施5闸下减淤防淤措施水力冲淤27（1 1 1 1）水力冲淤）水力冲淤）水力冲淤）水力冲淤根据大潮大淤，小潮小淤的特点，放水冲淤采用大潮大放、小潮小放采用大潮大放、小潮小放的方法,尤其是大潮大放效果极为显著1997年8月25日9月2日东滩中心河闸关闸淤积试验表明:大汛关闸7d,闸下低潮位增加0.59m，闸下港槽淤积量1.5万m3而小汛关闸7d,闸下港槽淤积量0.30.4万m3大汛关闸淤积量是小汛关闸的45倍，大潮放同样水，前者效率是后者10余倍l逢大潮开闸冲淤（1）水力冲淤逢大潮开闸冲淤28根据一般潮水前峰挟沙量大潮水前峰挟沙量大的特点，涨潮前开闸放水，顶住浑水涨潮前开闸放水，顶住浑水，使清水先冲满闸下引河，一般在涨潮前23h开闸放水，取得了较好的效果，大大减少淤积量l涨潮时清顶浑根据一般潮水前峰挟沙量大的特点，涨潮前开闸放水，顶住浑水，使29l低高潮时开闸冲淤在一般情况下低高潮与高高潮相比，低低高高潮潮后后落落潮潮潮潮差差较较大大，水水位位落落到到最最低低，落落潮潮流流速速较较大大，选择大潮汛的低高潮后开闸，可以获得相对较小的河道水深和较大的势能，从而增加冲淤效果。同时，还可以顶住下一个潮差较大的涨潮，起到清顶浑的作用低高潮时开闸冲淤在一般情况下低高潮与高高潮相比，低高潮后落潮30在闸上下有一定水头差时，开闸放水，增大瞬时下泄量，加大冲刷流速，达到闸下冲刷的效果l利用水头差开闸l纳潮冲淤流域来水较少，可利用潮汐水流的动力来冲刷河道纳潮冲淤水源充沛，成本低，不与工农业生产争水，但但但但上上上上游游游游淤淤淤淤积积积积无无无无法法法法避避避避免免免免，且时间受限，多在农田不用水的时候在闸上下有一定水头差时，开闸放水，增大瞬时下泄量，加大冲刷流31（2 2 2 2）机械清淤）机械清淤）机械清淤）机械清淤一般讲在上游水源有限，闸下河床比较坚硬，靠水流难以冲动的情况下，上游水源有限，闸下河床比较坚硬，靠水流难以冲动的情况下，上游水源有限，闸下河床比较坚硬，靠水流难以冲动的情况下，上游水源有限，闸下河床比较坚硬，靠水流难以冲动的情况下，用机械清淤能得到最佳效果（2）机械清淤一般讲在上游水源有限，闸下河床比较坚硬，靠水流32 l机船拖淤闸下引河落潮含沙量明显小于涨潮含沙量，落落落落潮潮潮潮时时时时借借借借助助助助于于于于机机机机械械械械的的的的搅搅搅搅动动动动，在同样的水流条件下，原来未能起动的床面泥沙便能起动和悬浮，使落潮或下泄径流挟带更多的沙量向下输送，这对于解决泥质河口淤积问题是一种经济而可行的清淤措施，对引河短、水深小的河道效果更为显著对引河短、水深小的河道效果更为显著对引河短、水深小的河道效果更为显著对引河短、水深小的河道效果更为显著机船拖淤闸下引河落潮含沙量明显小于涨潮含沙量，落潮时借助于机33l机船挖淤机船挖淤是一种经常性措施，简易绞绞绞绞吸吸吸吸式式式式挖挖挖挖泥泥泥泥船船船船清淤，早在1990年就已使用，它利用刀轴带动主附刀片旋转，切割水下泥层，使之绞成泥浆状态，通过泥浆泵将泥浆送至岸上，最大泥水输送距离可达100m，扬程可达5m，这种挖泥船体积小，造价低，工效高，操作方便，正常1h可挖3040m3泥土，水下作业可深达2.2m，连续工效每昼夜可挖泥600800m3。它适适适适用用用用于于于于清清清清除除除除闸闸闸闸下下下下附附附附近近近近河河河河段段段段淤积，切滩及汛前开槽保港等方面淤积，切滩及汛前开槽保港等方面淤积，切滩及汛前开槽保港等方面淤积，切滩及汛前开槽保港等方面机船挖淤机船挖淤是一种经常性措施，简易绞吸式挖泥船清淤，早在34l水力冲塘1994年淮海农场把水水水水力力力力冲冲冲冲挖挖挖挖机机机机组组组组开开开开挖挖挖挖鱼鱼鱼鱼塘塘塘塘技技技技术术术术应用到河道清淤疏浚工程中，实行机械与人工相结合的办法，具有节省劳力、提高工效的优点1995年东滩中心河闸下游1.5km长的弯曲淤积港道，行水不畅，后组织2台机泵直靠型水力挖塘机组利用小潮汛突击施工，7月6日12日，共作业250台时，施工长度175m，口宽810m，共挖土方0.25万m3，完工第2天已成行水主道，缩短下游引河港道流程1.1km，提高了冲淤效果和排涝能力水力冲塘1994年淮海农场把水力冲挖机组开挖鱼塘技术应用35（3 3 3 3）工程措施）工程措施）工程措施）工程措施l修筑导堤依据河口特性，因势利导地拟定合理的工程措施，才能取得好的效果措施在河口一侧或两侧修筑导堤在河口一侧或两侧修筑导堤在河口一侧或两侧修筑导堤在河口一侧或两侧修筑导堤目的减少涨潮流挟带进入引河的沙量、束水攻沙减少涨潮流挟带进入引河的沙量、束水攻沙减少涨潮流挟带进入引河的沙量、束水攻沙减少涨潮流挟带进入引河的沙量、束水攻沙l合理确定闸下引河长度长引河径流型（径流为主要动力）短引河潮流型（潮流为主要动力）长引河长引河长引河长引河当径流来量不足，极易导致水文泥沙的不平衡，造成严重淤积短引河短引河短引河短引河实践证明这种河口淤积就较轻微，挡潮闸距离海口宜控制在轻微，挡潮闸距离海口宜控制在轻微，挡潮闸距离海口宜控制在轻微，挡潮闸距离海口宜控制在0.80.81.0km1.0km以内以内以内以内，可较好地解决闸下淤积（3）工程措施修筑导堤依据河口特性，因势利导地拟定合理的工程36 由于河口外以及浅海滩涂大量泥沙在风浪和潮流作用下的再分配，因而最好的防由于河口外以及浅海滩涂大量泥沙在风浪和潮流作用下的再分配，因而最好的防淤措施是淤措施是防止海滩产沙防止海滩产沙防止海滩产沙防止海滩产沙,以切断涨潮流挟带泥沙进入河口以切断涨潮流挟带泥沙进入河口以切断涨潮流挟带泥沙进入河口以切断涨潮流挟带泥沙进入河口案例：南八滩河闸、北八滩河闸下游浅海滩涂上长有大片的大米草和至花米草等，案例：南八滩河闸、北八滩河闸下游浅海滩涂上长有大片的大米草和至花米草等，闸下淤积就较轻。因此，在浅海滩涂大量种植固滩促淤植物，是一种极为有效的闸下淤积就较轻。因此，在浅海滩涂大量种植固滩促淤植物，是一种极为有效的方法方法采取植被措施时应注意，对于外来物种需严格控制其生长范围，了解其生长属性采取植被措施时应注意，对于外来物种需严格控制其生长范围，了解其生长属性（4 4 4 4）植物措施）植物措施）植物措施）植物措施（4）植物措施37江苏东台江苏东台江苏东台江苏东台沿海系粉沙淤泥质海岸，上个世纪70年代，为了防风浪、防流沙、淤涂泥、护海堤，便从国外引进了这种具有抗浪淤涂功能的大米草大米草大米草大米草这种海水草，耐咸耐碱，根须发达，狂窜疯长。东台当初只在海岸线外侧栽种的千余亩带状形大米草，每年都以200米左右的速度向东延伸东台近海的北部潮滩是青蛤、泥螺最理想的产卵繁殖地，尤其是蹲门潮滩的无沙黄泥螺，名扬大江南北，可谓海鲜一绝。大米草硬逼着贝类家族“离乡背井，远走他乡”。每次赶海，走的路程远了，捕的贝类少了引入外来物种不利案例：引入外来物种不利案例：江苏东台沿海系粉沙淤泥质海岸，上个世纪70年代，为了防风浪、38位于中国江苏省射阳县通兴镇，是江苏北部里下河地区主要排水干道射阳河出海口的挡潮闸射阳河闸主要作用是挡潮、排涝及通航，兼蓄淡灌溉挡潮、排涝及通航，兼蓄淡灌溉射阳河建闸后，潮波发生变形，加之过闸下泄流量和潮流量减少，闸下河道泥沙逐年淤积、出流不畅。经40多年运行，水闸的排涝能力比初期减少1/3以上经采取闸下河段裁弯取直等措施，才渐趋稳定6 工程实例l河口段河道弯曲、加长，河道阻力增加，排水不畅，沿程淤积增加，影响行洪l对于弯曲过大的河口段港道，通常采用人工裁弯取直的整治措施，达到了改善排水冲淤的条件l我国苏北射阳河闸和川东河闸均为成功实例（1 1）人工裁弯取直的整治措施）人工裁弯取直的整治措施位于中国江苏省射阳县通兴镇，是江苏北部里下河地区主要排水干道39海岸工程学-课件40（2 2）海河闸下淤积处理方式）海河闸下淤积处理方式海河是我国七大江河之一，干流系北运河、永定河、大清河、子牙河和南运河汇海河是我国七大江河之一，干流系北运河、永定河、大清河、子牙河和南运河汇流而成。为使咸淡水分家，发展海河两岸的工农业生产，于流而成。为使咸淡水分家，发展海河两岸的工农业生产，于19581958年在河口修建了年在河口修建了海河口挡潮闸海河口挡潮闸（2）海河闸下淤积处理方式海河是我国七大江河之一，干流系北运41海岸工程学-课件42海岸工程学-课件43由于上游修建水利工程，加上近些年来连续枯水，使进入海河口的径流日益减少 海河口泥沙淤积不断加重，主槽断面萎缩，河宽由250m缩窄为不足100m，缩窄了70%，拦门沙位置退缩，河底高程抬高，河口拦门沙顶点高程由-3.30m抬高到-0.50m，高出闸底板高程（高出闸底板高程（高出闸底板高程（高出闸底板高程（-6.00m-6.00m-6.00m-6.00m）5.5m5.5m5.5m5.5m据1989年海河闸下实测地形资料分析。闸下闸下4km4km以内，河床普遍抬高以内，河床普遍抬高6-7m6-7m，闸下4-11km河床普遍淤高2-5m。闸下11km河道内淤积量为1862万m3，其中闸下1.9km河段内淤积量为546万m3，占11km淤积量的29%海河闸泄流能力大大降低海河闸泄流能力大大降低海河闸泄流能力大大降低海河闸泄流能力大大降低由于上游修建水利工程，加上近些年来连续枯水，使进入海河口的径44(1)现状水流、泥沙条件下，仅靠疏浚疏浚疏浚疏浚来维持闸下河段水深，满足行洪800m3s流量的要求是非常困难的，实施建堤工程十分必要(2)海河口整治工程，具有行洪流程短、主流顺畅，导堤岸线略呈“喇叭”型布置，基本不会对海河口泄洪产生影响，同时也为南疆港区发展留有余地(3)南疆港区围海造陆采用河口整治与天津港向外延伸工程相结合的原则，对带动海河口整治工程的早期实现将起积极作用(4)南疆港区合理造陆规模：东边界确定为12.8km，南边界选择在与南防波堤最大距离2km范围内，使海河口整治和港口发展达到协调一致，具有良好的综合工程效果(1)现状水流、泥沙条件下，仅靠疏浚来维持闸下河段水深，满足45l河口整治l挖泥清淤 减淤措施：河口建闸后，闸上下游曾进行过不连续的清淤和拖淤1981年水利部海河水利委员会接管了海河口的清淤工作，每年汛前对海河口进行泥沙清淤工作，挖泥机械采用绞吸式挖泥船结合天津港总体发展规划，提出海河口整治优化方案，把南防波堤沿导线南移200m，以达到海河泄洪与扩大港口陆域面积相协调河口整治挖泥清淤减淤措施：河口建闸后，闸上下游曾进行过不连46（3 3）支流与潮区界附近建闸与航运、港口等综合利用）支流与潮区界附近建闸与航运、港口等综合利用 椒江是浙江省的第三大河，永宁江为椒江的一条支流，1962年在永宁江上游兴建长潭水库，使得椒江河段的下泄径流量和纳潮量明显减少，椒江航道和海门港区的淤积日趋严重，码头前沿水深只能靠疏浚来维持（3）支流与潮区界附近建闸与航运、港口等综合利用椒江是浙江47永宁江枢纽工程与椒江航道整治工程布置图为解决航道和港区码头前沿水深问题，改善船舶航行和靠泊条件，8080年代确定椒江口内航道整治采年代确定椒江口内航道整治采年代确定椒江口内航道整治采年代确定椒江口内航道整治采用长顺堤工程方案用长顺堤工程方案用长顺堤工程方案用长顺堤工程方案，并于1989年建成长顺堤3km，堤顶高程25m长顺堤整治工程是建立在永宁江不建造永宁闸枢纽工程的前提下实施的1990年底，浙江省决定在永宁江口实施永宁江闸枢纽工程，封堵永宁江浙江省决定在永宁江口实施永宁江闸枢纽工程，封堵永宁江浙江省决定在永宁江口实施永宁江闸枢纽工程，封堵永宁江浙江省决定在永宁江口实施永宁江闸枢纽工程，封堵永宁江。永宁江枢纽工程将使永宁江断流，椒江河段的径流量和纳潮量将进一步减少，潮流动力进一步削弱，加剧椒江口内航道和海门港区的淤积，直接影响到已建整治工程效益为了达到永宁江建闸与椒江河段航运以及海门港开发综合利用的目的，工程措施：北槽上口布置潜工程措施：北槽上口布置潜工程措施：北槽上口布置潜工程措施：北槽上口布置潜堤，延长长顺堤、长顺堤北侧增设短丁坝群及开挖南导流槽堤，延长长顺堤、长顺堤北侧增设短丁坝群及开挖南导流槽堤，延长长顺堤、长顺堤北侧增设短丁坝群及开挖南导流槽堤，延长长顺堤、长顺堤北侧增设短丁坝群及开挖南导流槽。工程实施后，有效调整了椒江河段和海门港区的潮流流场，使原来单一宽浅河床断面逐步恢复成复式双深槽断面，南北槽均发生不同程度的冲刷，改善了航道和港区水深永宁江枢纽工程与椒江航道整治工程布置图为解决航道和港区码头48灌河口及建闸位置示意图20世纪60年代初曾酝酿在灌河口建闸，解决防咸蓄淡解决灌溉问题70年代初，在灌河较大的支流一帆河口建闸，1980年又在东三汊处建武漳河闸、义泽河闸和陈集闸，通称盐东控制工程，见图运行后，闸下河段略有淤积，但不影响灌河口主要河段的断面积和航道水深灌河口的实践表明：从水利与航道考虑，海相来沙河口，需要建闸时，宜在支流海相来沙河口，需要建闸时，宜在支流海相来沙河口，需要建闸时，宜在支流海相来沙河口，需要建闸时，宜在支流及潮区界附近建闸及潮区界附近建闸及潮区界附近建闸及潮区界附近建闸以达到水利与航道都能兼顾灌河口建闸灌河口建闸灌河口及建闸位置示意图20世纪60年代初曾酝酿在灌河口建闸49（4 4）永定新河河口建闸）永定新河河口建闸（4）永定新河河口建闸50海岸工程学-课件51研究背景：l永定新河位于天津市区北侧，是海河流域北系永定、北运、潮白和蓟运河的共同入海尾闾河道，是天津市防洪的北部防线，永定新河的治理直接关系到天津市的防洪安全 l永定新河自建成以来，上游下泄径流甚少，河道受潮汐水流控制。随潮水上溯的大量海域来沙，不断在河道内淤积，使河道行洪能力大幅度下降 l考虑到永定新河河道淤积物的主要来源是河口滩涂的泥沙，修建防潮闸阻挡潮流进入河道，是截断滩涂泥沙的来源，防止或减少河道淤积的有效途径 l沿程支流污染较为严重，建闸运用不能对水质带来不利影响，而充分利用调度，改善水质研究背景：永定新河位于天津市区北侧，是海河流域北系永定、北运52永定新河历年淤积过程 1971-1989年1989年以前大潮的潮水可直接到达屈家店闸下，由于涨潮流输移的海相泥沙不断在河道内沉积，其河道纵向冲淤形态具有长引河建闸河口的冲淤规律。河道上段严重淤积，占总淤积量的62.3%；中游段淤积减缓；河口段出现冲刷。至1989年3月，年均淤积量为141万m3，其中约94%淤在深槽中，淤积量逐年增加1987年又开始进行河槽清淤，由上而下、分年分期进行。为防止潮水倒灌回淤已清的河槽，1989年汛前在永定新河桩号28+192处填筑了一道拦河临时挡潮埝，至1992年完成了埝上清淤1989-1998年1989年河道筑埝后，改变了原河道的上边界条件及河口地区的动力条件，使感潮河段由原来的62km 缩短到34km。由于纳潮量减少，潮汐动力减弱，挡潮埝下河道淤积速率加快 1989年3月至1989年10月，桩号28+192-63+000河道年均淤积量334万m3，原河口段的冲刷量全部回淤，河道防洪标准只能达到2-3年一遇 1999-2000年1999年汛前投资对桩号28+192-43+550段河道进行部分清淤，并在桩号50+100处新筑挡潮埝防止回淤但新筑挡潮埝以下河槽仍继续向下游淤积，如不采取措施，除永定新河本身泄洪能力继续减少外，潮白新河、蓟运河的入海口将很快被严重堵塞 永定新河历年淤积过程1971-1989年1989年以前大53海岸工程学-课件54lBOD:生化需氧量，即是一种用微生物代谢作用所消耗的溶解氧量来间接表示水体被有机物污染程度的一个重要指标。其定义是：在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量，表示单位为氧的毫克/升lCOD是ChemicalOxygenDemand，化学耗氧量。采用重铬酸钾(K2Cr2O7)作为氧化剂测定出的化学耗氧量表示为CODcr。COD的数值越大，则水体污染越严重。一般洁净饮用水的COD值为几至十几mgLl氨氮的意思是以氨的形式存在的氮的含量.NH3-N，NH4。氮,磷对水体的污染主要体现在引起水体富营养化.富营养化会使水中藻类恶性繁殖,大多数种类的蓝藻会使水产生霉味和腥臭味.许多种藻类会产生毒素l溶解氧（DO）是指溶解于水中的氧的含量，它以每升水中氧气的毫克数表示。溶解氧是水体净化的重要因素之一，溶解氧高有利于对水体中各类污染物的降解，从而使水体较快得以净化BOD:生化需氧量，即是一种用微生物代谢作用所消耗的溶解氧量5520062006年河流单月监测结果年河流单月监测结果年河流单月监测结果年河流单月监测结果河流河流断面名称断面名称年年月月pHpH值值氯化物氯化物溶解氧溶解氧高锰酸盐指数高锰酸盐指数生化需氧量生化需氧量氨氮氨氮总磷总磷石油类石油类粪大肠菌群粪大肠菌群北塘排污河北塘排污河永和闸永和闸200620061 18.08 8.08 537 537 0.2L0.2L47.6 47.6 55.755.747.3 47.3 4.95 4.95 0.12 0.12 240000240000北塘排污河北塘排污河永和闸永和闸200620063 37.51 7.51 381 381 0.2L0.2L43.1 43.1 51.151.151.3 51.3 0.02 0.02 240000240000北塘排污河北塘排污河永和闸永和闸200620065 58.57 8.57 716 716 0.2L0.2L26.9 26.9 31.231.222.2 22.2 0.10 0.10 9200092000北塘排污河北塘排污河永和闸永和闸200620067 77.60 7.60 428 428 0.2L0.2L19.2 19.2 24.624.641.9 41.9 3.36 3.36 0.58 0.58 240000240000北塘排污河北塘排污河永和闸永和闸200620069 97.54 7.54 529 529 0.2L0.2L24.7 24.7 37.037.037.6 37.6 0.11 0.11 240000240000北塘排污河北塘排污河永和闸永和闸2006200611118.06 8.06 588 588 0.2L0.2L14.7 14.7 40.940.938.6 38.6 0.01L0.01L240000240000潮白新河潮白新河宁车沽宁车沽2006 2006 1 1 7.98 7.98 17600 17600 0.70 0.70 5.20 5.20 5.25.25.28 5.28 0.390 0.390 0.04 0.04 2400024000潮白新河潮白新河宁车沽宁车沽2006 2006 3 3 7.87 7.87 2910 2910 4.40 4.40 14.2 14.2 10.210.223.2 23.2 0.02 0.02 17001700潮白新河潮白新河宁车沽宁车沽2006 2006 5 5 7.94 7.94 3310 3310 9.80 9.80 11.9 11.9 6.56.512.7 12.7 0.06 0.06 9090潮白新河潮白新河宁车沽宁车沽2006 2006 7 7 8.98 8.98 7590 7590 10.20 10.20 12.1 12.1 12.612.60.929 0.929 0.940 0.940 0.65 0.65 330330潮白新河潮白新河宁车沽宁车沽2006 2006 9 9 8.28 8.28 448 448 4.50 4.50 3.20 3.20 3.53.50.372 0.372 1.21 1.21 0.01L0.01L490490潮白新河潮白新河宁车沽宁车沽2006 2006 11 11 8.56 8.56 1050 1050 9.90 9.90 7.04 7.04 6.26.20.311 0.311 0.01L0.01L330330蓟运河蓟运河蓟运河防潮闸蓟运河防潮闸200620061 18.20 8.20 975 975 3.70 3.70 12.2 12.2 3.03.01.70 1.70 0.320 0.320 0.01L0.01L2400024000蓟运河蓟运河蓟运河防潮闸蓟运河防潮闸200620063 37.80 7.80-7.08 7.08 14.3 14.3 8.68.61.78 1.78 0.01L0.01L2400024000蓟运河蓟运河蓟运河防潮闸蓟运河防潮闸200620065 58.90 8.90-19.25 19.25 14.3 14.3 9.09.01.73 1.73 0.01L0.01L24002400蓟运河蓟运河蓟运河防潮闸蓟运河防潮闸200620067 78.30 8.30 234 234 6.93 6.93 14.3 14.3 9.29.21.43 1.43 0.310 0.310 0.01L0.01L2400024000蓟运河蓟运河蓟运河防潮闸蓟运河防潮闸200620069 97.90 7.90-4.10 4.10 9.00 9.00 8.58.51.12 1.12 0.01L0.01L35003500蓟运河蓟运河蓟运河防潮闸蓟运河防潮闸2006200611117.60 7.60-6.40 6.40 12.8 12.8 8.48.41.64 1.64 0.01L0.01L2400024000北京排污河北京排污河东堤头闸东堤头闸200620061 17.78 7.78 637 637 7.21 7.21 13.6 13.6 15.315.38.25 8.25 0.317 0.317 0.70 0.70 790790北京排污河北京排污河东堤头闸东堤头闸200620063 37.10 7.10-7.92 7.92 22.2 22.2 34.734.728.7 28.7 0.96 0.96 790790北京排污河北京排污河东堤头闸东堤头闸200620065 57.98 7.98-6.38 6.38 19.7 19.7 16.516.553.1 53.1 0.32 0.32 11001100北京排污河北京排污河东堤头闸东堤头闸200620067 77.92 7.92 1387 1387 4.38 4.38 14.8 14.8 12.712.763.7 63.7 1.35 1.35 0.63 0.63 11001100北京排污河北京排污河东堤头闸东堤头闸200620069 97.15 7.15-6.03 6.03 14.8 14.8 10.810.857.7 57.7 0.41 0.41 17001700北京排污河北京排污河东堤头闸东堤头闸2006200611117.62 7.62-6.35 6.35 15.6 15.6 19.019.050.3 50.3 0.36 0.36 14001400黑猪河黑猪河北闸北闸2006 2006 1 1 8.28 8.28 1900 1900 4.00 4.00 6.43 6.43 7.87.845.5 45.5 2.85 2.85 0.01L0.01L3500035000黑猪河黑猪河北闸北闸2006 2006 3 3 7.66 7.66 1420 1420 0.2L0.2L28.4 28.4 52.152.130.2 30.2 0.16 0.16 240000240000黑猪河黑猪河北闸北闸2006 2006 5 5 7.97 7.97 1320 1320 7.00 7.00 12.7 12.7 7.47.420.9 20.9 0.18 0.18 23002300黑猪河黑猪河北闸北闸2006 2006 7 7 7.82 7.82 1610 1610 0.2L0.2L13.4 13.4 25.025.028.5 28.5 2.39 2.39 0.64 0.64 5400054000黑猪河黑猪河北闸北闸2006 2006 9 9 7.80 7.80 1720 1720 0.2L0.2L12.5 12.5 33.933.918.1 18.1 1.76 1.76 0.01L0.01L2400002400002006年河流单月监测结果河流断面名称年月pH值氯化物溶解氧56研究目的l建立永定新河建闸后的泥沙淤积及水质影响数学模型l利用数学模型预测永定新河河口建闸后闸上河道泥沙的淤积量和淤积范围、闸门调度方案对闸下泥沙淤积、闸上河道水质影响，l为永定新河建闸后的调度决策提供技术依据研究目的建立永定新河建闸后的泥沙淤积及水质影响数学模型57描述一维不恒定水流运动的水流连续方程和水流运动方程可表述为：描述一维不恒定水流运动的水流连续方程和水流运动方程可表述为：58边界条件如何处理支流分汇处理，主要是汇，流量？（闸孔出流，宽顶堰？）含沙量？上游游边界的提法：涨潮：下水位，沙量，上边界？落潮：上流量沙量，下水位计算参数和公式处理包括挟沙力公式？沉速？干容重？修正系数？还是改变公式结构？冲淤模拟的精度问题主要是泥沙是否固结？尤其是累积淤积后再冲，怎么合理模拟水沙系列如何选取？水质参数？需要解决的关键问题：l模型的建立和处理？l闸门的优化如何考虑？蓄淡？蓄咸？全开，关闭边界条件如何处理需要解决的关键问题：模型的建立和处理？闸门的591）闸门控制条件的加入 l对河道加入防潮闸后的问题就变成一个有内边界条件的一维非恒定流问题l防潮闸的过流流量受到上下游水位的影响，同时在闸下游发生了水跃，闸门上闸门上闸门上闸门上下游的水流不再满足圣维南方程组下游的水流不再满足圣维南方程组下游的水流不再满足圣维南方程组下游的水流不再满足圣维南方程组。因此在计算时要进行特殊处理特殊处理特殊处理特殊处理1）闸门控制条件的加入对河道加入防潮闸后的问题就变成一个有60分别列出两个内边界条件闸上下游水位流量关系可以由闸孔出流或堰流公式确定简化了对闸门局部这种复杂的水流现象的求解分别列出两个内边界条件闸上下游水位流量关系可以由闸孔出流或612）闸门过流计算 受闸门控制的水闸,其过闸水流可能会出现堰流和闸孔出流两种形式，堰流与闸孔出流是相互转化的对于同一种流动形式，由于下游水位对收缩断面水深的影响程度不同，会出现自由出流和淹没出流两种水流状态水流状况的转化条件除与闸门的相对开度(-闸门开度，H1上游堰上水头)有关外，还与闸底坎及闸门型式和上下游水位有关。对于平底板水闸，一般认为水流形式主要与闸门的相对开度有关，当0.65时，水流为堰流，当0.65时，水流属于闸孔出流2）闸门过流计算受闸门控制的水闸,其过闸水流可能会出现堰623）局部闸门冲淤计算 当闸门局部开启运用时，由于水流被人为的束窄，以较大的流速从建筑物出口流向下游宽阔的河道。在水流突然展宽的区域，就会形成水流横向流速梯度引起的平面回流 一维水沙数学模型扩展局部断面泥沙交换示意图 主回流区划分及断面宽度确定 主回流区的泥沙交换关系如图所示，经过理论推导可以得出泥沙在局部河段输移的方程对于闸前出现的局部回流，由于回流区纵向流速相对主流的流速较小，对于主流的影响比较小可以忽略。因此回流区对于主流而言起着蓄水的作用，可以按照滩槽的简化计算模式来处理首先按照图来划分主回流区，并按照滩槽的模式计算出各水力要素，再根据推导得到泥沙运动方程和河床变形方程来计算局部冲淤变化3）局部闸门冲淤计算当闸门局部开启运用时，由于水流被人为的634）考虑絮凝的泥沙沉速计算 永定新河河口是淤泥质河口，淤泥的颗粒极细，中值粒径d50为0100501008 mm，这种细颗粒泥沙在含盐水体中具有絮凝作用 首先采用张瑞瑾沉速公式计算单颗粒泥沙的沉速，在上式基础上考虑絮凝的作用，加入影响系数，得到考虑絮凝的泥沙沉速公式 4）考虑絮凝的泥沙沉速计算永定新河河口是淤泥质河口，淤泥的645）水质参数描述物质在水体中输移扩散的一维不恒定流基本运用方程为：对于水体中的污染物，主要模拟指标为：BOD5、DO、CODcr、TP、NH3-N等。其生化反应项分别为：BOD5为BOD5的浓度；为降解速率系数DO为溶解氧DO的浓度；为大气复氧系数；为饱和溶解氧浓度；为单位氨氮氧化时的耗氧率；为氨氮氧化速率；为氨氮浓度CODcr为CODcr的浓度；为降解速率系数5）水质参数描述物质在水体中输移扩散的一维不恒定流基本运用方65海岸工程学-课件666）河口潮位及泥沙条件 永定新河河口潮型受渤海湾潮波系统控制，具有高潮潮位比较接近、低潮潮位相差较大的特征。河道内由河口往上游潮差沿程由小逐渐增大，而后由大逐渐变小。下图分别为永定新河口处大、中、小潮潮位过程，计算中选用大潮潮位过程作为下边界条件大潮潮位过程 时间：2000.7.1920小潮潮位过程 时间：2005.4.1617 6）河口潮位及泥沙条件永定新河河口潮型受渤海湾潮波系统控制677)闸门调度方式闸门调度方式挡潮闸最终推荐方案闸位采用深、浅孔、分离式底板、灌注桩基础。中间深孔15孔，底板高程-6.0m，两边各布设浅孔4孔，底板高程-4.0m，全闸共23孔。闸门运行时可考虑局部开启中孔。闸门的调度过程如下：l蓄淡方案闸门开启：当闸内水位高于正常蓄水位或水质指标高于水质控制指标，且闸内外水位差满足排水条件时，开闸排水。本次计算中，当内河水位达到正常蓄水位1.0m或水质指标超过劣类，闸外潮位低于内河水位超过0.25m时，开闸排水。闸门关闭：当闸内外水位差不满足排水要求或闸内水位降到目标水位时闸门关闭，待下次条件满足时再开启闸门。l蓄咸方案开闸排水：当闸内水位高于正常蓄水位或水质指标超过水质控制指标，且闸内外水位差达到一定程度时，开启闸门。本次计算中，当内河水位达到正常蓄水位1.0m或水质指标超过劣类，闸外潮位低于内河水位超过0.25m，开闸排水。闸门关闭：当闸内水位降到最低控制水位或闸内外水位差不满足排水条件时闸门关闭。闸内最低控制水位本次计算中取-0.5m。开闸引水：当闸内水位低于最低控制水位，闸内外水位差达到一定程度开闸引水；至闸内水位超过正常蓄水位或闸内外水位差不满足引水条件，闸门关闭。本次计算中，当内河水位低于控制水位-0.5m，闸外潮位高于内河水位超过0.25m，开闸引水。7)闸门调度方式挡潮闸最终推荐方案闸位采用深、浅孔、分离式底68无闸方案无闸方案无闸方案69全关方案全关方案70蓄淡方案蓄淡方案蓄淡方案排水过程闸上河道沿程水位变化蓄淡方案沿程泥沙冲淤变化蓄淡方案蓄淡方案排水过程闸上河道沿程水位变化蓄淡方案沿程71计算时间计算时间闸上河段闸上河段闸下河段闸下河段全河段全河段1010年末年末0 039.9939.9939.9939.992020年末年末0 052.5552.5552.5552.553030年末年末0 055.6855.6855.6855.68年平均年平均0 01.8561.8561.8561.856蓄淡方案永定新河累积冲淤量计算单位:万m3蓄淡方案开关闸过程中COD的沿程变化计算第20小时对应开闸排水前一时刻，计算第21、22、23小时对应开闸排水后的时刻计算第20小时对应开闸排水前时刻的COD的沿程的浓度，此时由于闸门关闭，沿程各水质指标的浓度分布较为均匀;当计算第21小时，闸门开启开始排水，污染物随水流由上游流向下游，并逐渐衰减,由于支流污染物的汇入，在支流河口附近，污染物浓度增大较多，之后往下游仍呈衰减的趋势；由于上游屈家店闸常年关闭，没有污染物汇入，因此上游河段的污染物浓度一直呈衰减的趋势，而下游河段由于有支流的汇入，污染物浓度在计算第23小时大于上游河段，定性上是合理的计算时间闸上河段闸下河段全河段10年末039.9939.9972