复式航道的淤积计算

２０ｏ６年４月　第４期总第３８７期　水运工程　Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｐｒ．２００６　Ｎｏ．４　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．３８７　

・航道与船闸・　

复式航道的淤积计算　

曹祖德，侯志强，张书庄　

（交通部天津水运工程科学研究所，天津３００４５６）　

摘要：利用水流泥沙运动基本理论，分析了水流经过复式航道时的流速、流向变化，建立了复式航道的泥沙淤积计算　公式，方法简单实用，可供工程应用。　关键词：复式航道；淤积计算；淤泥质海岸；沙质海岸；粉沙质海岸　中图分类号：Ｕ６１　１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—４９７２（２００６）０４—００５４—０４　

Ｓｉｌｔａｔｉｏｎ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｃｈａｎｎｅｌ　

ＣＡＯ　Ｚｕ—ｄｅ，ＨＯＵ　Ｚｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕ—ｚｈｕａｎｇ　

（Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＷａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４５６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　

ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｌｏｗ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｃｈａｎｎｅｌ，ａｎｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｓｉｌｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｃｈａｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｏ　ｕｓｅ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｃｈａｎｎｅｌ；ｓｉｌｔａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｓｉｌｔｙ　ｂｅａｃｈ；ｓａｎｄｙ　ｂｅａｃｈ；ｓｉｌｔ——ｓａｎｄｙ　ｂｅａｃｈ　

为适应船舶大型化和深水化的发展趋势，国　

内许多港口都开展了航道的拓宽与加深，以满足　港口吞吐量日益增加的要求。许多大型港口还扩　

建了双向航道。　对于专业性很强的港口，进出港１３的船舶重　

载与轻载常常是固定的，如大型煤炭出１３港，常　

轻载进重载出：矿石、石油进１３港则重载进轻载　出。因此设置复式航道，使轻载船走浅航道，重　

载船走深航道，这是经济合理的。复式航道可节　省大量基建士，并可减少淤积回淤土，但如何计　

算复式航道的泥沙淤积，目前尚无成熟方法，本　文通过复式航道的水力特性分析。导出航道泥沙　淤积计算公式，供实际工程应用。　

１航道淤积分析　复式航道的横剖面如图１所示。　

受水流作用而进入航道的泥沙因运移型态不　图１复式航道横剖面　

同而呈不同的淤积特点。　

悬移质进入航道后，因航道水深加深、过水　断面加大、挟沙能力降低而使部分泥沙沉积，其　余部分泥沙则随水流横越航道，沉积在航道的泥　

沙较均匀地分布在航道底部，淤积率随航道水深　

增大而增大，并随航道宽度增大而略有减小。　推移质进入航道后则全部沉积．如从浅航道　

侧进入航道，则一部分沉积在浅航道，其余部分　

收稿日期：２００５—１２一Ｏ８　作者简介：曹祖德（１９３１一），男，研究员。从事海岸工程和港口工程泥沙研究。

　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　曹祖德．等：复式航道的淤积计算　・５５・　

则沉积在深航道；如从深航道侧进入航道，则全　

部在深航道沉积。　对于粉沙质海岸，除悬移质和推移质外，底　部还可能出现高浓度含沙水体薄层中的泥沙（流　

移质），其淤积过程和推移质相似。　先分析水流越过复式航道时的变化特点。水　流进入复式航道时由于航道内水深加大，阻力减　

小及水流归槽等诸多因素的影响，流速变小，流　向改变，流线向水流下游折射（图２）。　

＾２　／　＾Ｉ　

．　

．　

～　

图２水流斜越航道时折射示意　

为了分析方便，将各流速按　向、Ｙ向分解，　

、Ｙ坐标见图２。　根据水流连续条件，各水深处的　向分速有　

如下关系：　

／／＇ｌｘ＝　；　＝　（１）　／１，１　／＇／＇２　ｔｔｏｘ＝ｔｔｏｓｉｒｔ　；　１　＝　１ｓｉｎ　０１；　＝　式中：　分别为航道边滩、浅航道、深航道　

处的流速；Ｍ　，　Ｍ　分别为　０，　１，Ｍ２的　向分　速；Ｏｏ，０　，０２分别为浅滩、浅航道、深航道处流　

速与航道轴线的锐夹角。　沿航道轴线的Ｙ向分速，除了水深影响外还　

受水流归槽的影响，关系更加复杂，很难从理论　上建立关系，根据我们的水池专门试验，有如下　

关系『１１：　

Ｍ　（　）　；Ｍ矿＿、／　ｈ２，０２２Ｍ　；　ｈ２）　／．ｔｏｙ（２）　

Ｕｏｃ＝ＵｏＣＯＳ　０ｏ；Ｍ１　Ｍ１ＣＯＳ　０１；ｔｔ２ｙ＝ｔｔ２ｅｏｓ　０２　式中：　嘶，　卸分别为Ｕｏ，　１，　２在Ｙ轴方向　（航道轴线）的分速。　由式（１）和式（２）不难得出：　

．　１　［（　）２ｓｉｎ２００十（　）　ｃ０ｓｚ刎　（３ａ）　，　１　，‘１　

２＝＝　ｎ２　Ｏｏ＋（　）０Ａ４ｃｏｓ２　０ｏ］　（３ｂ）　凡，　，　有了流速变化及相应的挟沙力变化，即可利用下　式计算悬移质淤积率　，　

叼　＝　（１一　）　（４）　ｐｃ　＾）０　式中：　为悬移质泥沙淤积几率；Ｃ．Ｏ　为泥沙沉降　速度：Ｐ　为淤积土干容重；５。为含沙量；Ｓ，为水　

体挟沙力。　在式（４）中，关键是挟沙力表达式，根据最　

近研究，海岸工程中挟沙力可用下式表示［２１，　

５　—啦　（５）　Ｐ　—Ｐ　ｇｎｏＪ￣　式中：　为系数；　Ｐ　为分别为沙、水密度；ｇ为　

重力加速度；　为波浪、水流合成流速，没有波　

浪时．即为水流速。　在淤泥质海岸上，不管泥沙粒有多细，泥沙最　终均表现为絮凝沉速，Ｃ．Ｏ　为常值，约为０．０５　ｃｍ／ｓ左　

右．而流速也大致在Ｏ．５　ｃｍ／ｓ上下，因此淤泥质海　

岸的挟沙力也常用下式表示，　

５础　Ｐ告　（６）　

式中：毗为考虑泥沙絮凝沉速、泥沙密度等多种　

因素在内的综合因素。　在式（４）中分别采用不同挟沙力公式即可得　

出不同类型海岸的淤积率计算表达式。　

２复式航道的淤积计算　不同类型海岸的复式航道，其淤积计算公式　

是不同的。　２．１淤泥质海岸　淤泥质海岸的泥沙平均中值粒径小于０．０３　１　ｍｍ，　复式航道的淤积主要由悬移质落淤所形成，利用　

式（３ａ）、（３ｂ）、式（４）和式（６）可得出复式　

航道中浅水航道和深水航道的平均淤强，分别如　

下式所示：

　维普资讯 http://www.cqvip.com ・５６・　水运工程　２００６血　

Ｆ　『１＿（　）　ｓｉｎ２　（　）０５６ＣＯ８２０ｏ１（７ａ）　

警【１－（　ｉｎ２　００－（ｈ－￣－）０５６００８２　０ｏ］（７ｂ）　

式中：△小△　分别为浅航道部位和深航道部　

位的淤强（以淤积厚度计算）；ｔ为淤积时间。　淤积总量可用下式计算：　

ｌ－－Ａ　１ｂｌＺｌ　（８ａ）　２－－Ａ，２６２ｆｚ　（８ｂ）　式中：　，　分别为浅航道部位和深航道部位的淤　积量；ｂ　，ｂ　分别为浅航道和深航道的宽度；Ｚ　为　

浅航道计算段长度；ｚ：为深航道计算段长度。　２．２沙质海岸　沙质海岸的泥沙平均中值粒径大于０．１２５　ｌｎｍ，　

航道淤积主要由推移质形成。悬移质淤积也不可　忽视。　

利用式（３）一（５）可导出复式航道的悬移质淤积：　浅航道部位：　

△　旦　｛ｌ一【（　）　ｓｉｎ２　０ｏ　ｃ　ｎ１　

＋（　）　ＣＯｓ２０ｄ　（　）　ｌ　（９ａ）　

深航道部位：　Ａ　警｛１－［（鲁）３　ｓｉｎ２０２　

＋（　）　ｃｏｓ　ｏｄ　（　）　｝　（９ｂ）　

推移质淤积则根据推移质输沙的来向不同而　在复式航道内有不同的分布方式。　

当推移质输沙来向先进入浅水航道，则浅水　

航道和深水航道的推移质淤积分别如下式所示：　

△　５　（１一静　击鲁湘　（１　）　

Ａｂ：￣－－－０．５ｃｔ堕（１一宰）　兰Ｊ血ｓｉｎ　０ｏ（１０ｂ）　ｐｏ　Ｘ／ｇｄ５０　ｇｂ２　

式中：△　，△坼分别为推移质输沙从浅水航道侧进　入复式航道后浅航道和深航道的推移质淤积（以　

厚度计）；　６为落淤系数；Ｐ　为水密度；Ｐ　为推移　质淤积土干重度；　为水流速度；　为泥沙起动　

流速；ｆｉｔ）　为推移质泥沙沉降速度；ｄｓｏ为推移质泥　

沙中值粒径；　为推移质发生淤积的时间。　

当推移质从深航道侧进入复式航道时，泥沙　全部在深航道内淤积，浅航道内几乎无推移质淤　

积，因此得深航道和浅航道淤积公式分别为：　

Ａｂｒ２－￣－　６　（１一　）孕ｓｉｎ　ｏｏ（１ｌａ）　ｐｂ　Ｘ／ｇｄ￣０　Ｍ　

△　＝０　（１ｌｂ）　式中：△　，△　分别为推移质泥沙由深航道侧进入　复式航道后浅航道和深航道的淤积强度（以厚度　

计）；“，为流速；ｔ为淤积时间。　

沙质海岸复式航道内由推移质淤积和悬移质　淤积两部分组成。由此得：　

△１；△　１＋△　＋△　（１２ａ）　

△２－－－Ａ　２十△＾　＋△６，２　（１２ｂ）　Ｑ１－￣ｌｂｌｌ１；Ｑ２－－－Ａ２６２ｆ２　式中：△　，△　分别为浅航道和深航道总淤积厚度。　２．３粉沙质海岸　

粉沙质海岸是介于淤泥质海岸和沙质海岸之　

间的一种特殊型态海岸，海岸泥沙平均中值粒径　为ｏ．ｏ３１－ｏ．１２５　ｍｍ，泥沙运移型态有悬移质．、推　

移质和流移质。复式航道内的悬移质淤积和推移　质淤积计算公式与式（９ａ）一（１ｉｂ）相似，分别表示　

如下：　

Ａｓｍ１－鳢｛ｌ一［（　）３　ｓｉｎ　０ｏ＋　Ｐｓ　凡Ｉ　１　（　０ｓ２　Ｏｏ１Ｔ（　）１｝（１３ａ）　

△，　鳢｛ｌ一［（　）３　ｓｉｎ２　０２＋　ｃ　ｔｂ２　

（　）０３６（？０８２００］　（　）　｝（１３ｂ）　凡，　凡，　￣：１＝０．５ｃｑ　击（１一　）署ｓｉｎ　０ｏ（１４ａ）　

ｍｒ２＝Ｏｒｂ　击（１专）鲁　（１４ｂ）　

△６　１－－０　（１５ａ）　

△　＝　（１一　）孕ｓｉｎ　０ｏ（１５ｂ）　、／ｇｄ５０　“　流移质是指粉沙质海岸泥沙在波、流共同作　

用下临近床面的一种高浓度含沙水体泥沙运移型　态，它是由粉沙质泥沙易起动又易沉降的特性所　

决定，它存在于悬移质与推移质之间的过渡层。　

运移型态与悬移质相似，进入航道后全部沉积在　航道内，这又与推移质相似。

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