航道工程学 第7章运河工程20111114.ppt

1、华北水利水电学院华北水利水电学院 水力学教研室水力学教研室 2011.11第一节第一节 概述概述第二节第二节 运河的选线及设计运河的选线及设计第三节第三节 运河的护坡运河的护坡 运河是人工开挖的航道，用来沟通不同水系的运河是人工开挖的航道，用来沟通不同水系的河流，湖泊和海洋，与天然河流共同构成一个四通河流，湖泊和海洋，与天然河流共同构成一个四通八达的航道网。八达的航道网。 运河在航道建设中占重要的地位：运河在航道建设中占重要的地位： 一方面一方面是运河能沟通河流、湖泊和海洋，以满是运河能沟通河流、湖泊和海洋，以满足足航运发展航运发展的需要；的需要； 另一方面另一方面，按照，按照水资源综合利用水

2、资源综合利用的原则，运河的原则，运河还可以满足灌溉、防洪、排涝、发电和城镇供水等还可以满足灌溉、防洪、排涝、发电和城镇供水等国民经济国民经济部门的需要。部门的需要。 我国具有代表性的京航运河总长我国具有代表性的京航运河总长1782km，始建，始建于春秋末期，已有于春秋末期，已有2400多年的历史，是世界上最长多年的历史，是世界上最长最古老的运河。最古老的运河。珠江三角洲珠江三角洲高等级航道高等级航道网网长江三角洲长江三角洲高等级航道高等级航道网网图图7-1 7-1 明清运河图明清运河图图图7-2 7-2 京杭运河图京杭运河图1 1、按其所处的地理位置分：、按其所处的地理位置分：海运河海运河和和

3、内河运河内河运河。 位于近海陆地上，沟通海洋和海洋或连通港口，位于近海陆地上，沟通海洋和海洋或连通港口， 在其中主要行驶海船的运河，称为在其中主要行驶海船的运河，称为海运河；海运河； 供内河船舶航行的运河，称为供内河船舶航行的运河，称为内陆运河，内陆运河，如我国如我国的京抗运河和前苏联的莫斯科运河等。的京抗运河和前苏联的莫斯科运河等。2 2、按工程布置情况分：、按工程布置情况分：开敞运河开敞运河和和设闸运河设闸运河。 跨越分水岭的设闸运河，又称为跨越分水岭的设闸运河，又称为越岭运河越岭运河。 开挖运河的主要目的有：开挖运河的主要目的有： 1构通互不相通的河流，使航道连接成网。构通互不相通的河流

4、，使航道连接成网。2沟通海、洋之间的地峡，避免迂回运输。沟通海、洋之间的地峡，避免迂回运输。3沟通通航河流或海洋与城市、工矿企业，解决直达沟通通航河流或海洋与城市、工矿企业，解决直达 运输，减少货物的中途倒载和转运。运输，减少货物的中途倒载和转运。4改善天然河流的航行条件如绕避水流湍急的滩险，改善天然河流的航行条件如绕避水流湍急的滩险，风浪较大的湖泊和弯曲迂回的河湾等航行障碍。风浪较大的湖泊和弯曲迂回的河湾等航行障碍。5综合利用水资源以满足国民经济各部门的需要。综合利用水资源以满足国民经济各部门的需要。6用于军事目的。用于军事目的。巴拿马运河 在运河选线时，应考虑以下原则：在运河选线时，应考虑

5、以下原则：首先，首先，应考虑应考虑航运要求。航运要求。 其次其次，运河选线应贯彻运河选线应贯彻综合利用综合利用水资源的原则，最大限水资源的原则，最大限度地满足国民经济各个部门的需要，以充分发挥运河的度地满足国民经济各个部门的需要，以充分发挥运河的综合效益。综合效益。第三，第三，运河选线应适应运河选线应适应远景发展远景发展的需要。的需要。 另外，运河线路应符合全国航道网的规划布局另外，运河线路应符合全国航道网的规划布局; ;并力并力求工程技术简单，施工方便，运转和维修费用省。求工程技术简单，施工方便，运转和维修费用省。 1 1线路要尽可能顺直，要尽量减少弯道，这样既使运线路要尽可能顺直，要尽量减

6、少弯道，这样既使运河总长度最短，又便于船舶航行。河总长度最短，又便于船舶航行。 2 2线路应力求避免跨越高山、避免与天然河流、沟渠、线路应力求避免跨越高山、避免与天然河流、沟渠、铁路和公路的交叉，以减少通航建筑物铁路和公路的交叉，以减少通航建筑物( (船闸、升船机船闸、升船机) )及其他交叉建筑物的数目，并提高运河的运输能力。及其他交叉建筑物的数目，并提高运河的运输能力。 3 3线路应选在水文地质条件较好的地段通过。线路应选在水文地质条件较好的地段通过。 4 4线路应选择在地形适当的地段通过，应力求避免高线路应选择在地形适当的地段通过，应力求避免高填方河段。填方河段。 5 5线路应选择在水量充

7、沛的地区通过。线路应选择在水量充沛的地区通过。 6 6运河应尽可能利用现有的江、河、湖泊作为运河的运河应尽可能利用现有的江、河、湖泊作为运河的一部分，以减少开挖运河的土方量，节省工程投资。一部分，以减少开挖运河的土方量，节省工程投资。 7 7运河的轴线方向应尽量避免和强风一致，以免发生运河的轴线方向应尽量避免和强风一致，以免发生水面的过份壅高和降落，降低风浪，便于船舶航行。水面的过份壅高和降落，降低风浪，便于船舶航行。 运河的纵断面设计，就是确定运河河底的运河的纵断面设计，就是确定运河河底的纵坡降纵坡降。1.1.应保证能通过最大的输水流量；应保证能通过最大的输水流量；2.2.最大流速不超过船舶

8、航行的容许流速和不冲流速；最大流速不超过船舶航行的容许流速和不冲流速；3.3.同时还要保证运河的不淤性，同时还要保证运河的不淤性， 运河河底的最小可能的运河河底的最小可能的纵坡降纵坡降 (7-1)(7-1)相应于上述纵坡降的相应于上述纵坡降的平均流速平均流速 (7-2)(7-2)式中：式中： c c谢才系数；谢才系数；R R运河设计断面的水力半径。运河设计断面的水力半径。 为了减小运河的纵坡降可以采取以下措施：为了减小运河的纵坡降可以采取以下措施： 一是加长运河线路的长度；一是加长运河线路的长度； 二是在运河适当的位置设船闸。二是在运河适当的位置设船闸。运河跨越分水岭的布置 三、运河的平面设计

9、三、运河的平面设计 运河的线路应尽量顺直，但受地形和地质等条件运河的线路应尽量顺直，但受地形和地质等条件的限制，运河线路在平面上的形状不可避免地要采用的限制，运河线路在平面上的形状不可避免地要采用直线和曲线相间的衔接形式，曲线一般都与被连的直直线和曲线相间的衔接形式，曲线一般都与被连的直线相切，弯曲段弯曲半径最大的可选线相切，弯曲段弯曲半径最大的可选20003000m，最小的只有最小的只有200300m。弯曲段半径的设计：弯曲段半径的设计：cLR 3cLR4顶推船队顶推船队拖带船队拖带船队过渡段的长度：过渡段的长度：ccRLL212221RRRc反向曲线相连时：反向曲线相连时：1 1、运河的断

10、面系数、运河的断面系数 运河的断面系数运河的断面系数为设计最低通航水位时运河过水断为设计最低通航水位时运河过水断面面积与船中横断面的浸水断面面积的比值，以面面积与船中横断面的浸水断面面积的比值，以n来表来表示，即：示，即：四、运河的横断面设计四、运河的横断面设计n2 2、运河的断面形状、运河的断面形状 合理断面形状应为合理断面形状应为船舶提供良好的航行条船舶提供良好的航行条件，使航行阻力小、航件，使航行阻力小、航行方便，并应考虑工程行方便，并应考虑工程费费用、营运费用以及维修用、营运费用以及维修费用省，施工方便等条费用省，施工方便等条件。件。 运河的断面形状一运河的断面形状一般有般有梯形、复式

11、梯形、梯形、复式梯形、多边形、矩形、半矩形多边形、矩形、半矩形。3 3、运河的断面尺度、运河的断面尺度基本尺度：基本尺度：航道宽度、航道水深和航道底宽航道宽度、航道水深和航道底宽。 指在指在最低通航水位最低通航水位时计算船舶标准载重状况亦即时计算船舶标准载重状况亦即标准吃水的船底处的水面宽度。标准吃水的船底处的水面宽度。可按下式估算：可按下式估算：1.1.运河的航道宽度运河的航道宽度caBBf22cossinccfBLB2.2.运河的深度运河的深度 运河的航道水深运河的航道水深系指在最低通航水位时运河所系指在最低通航水位时运河所应具有的最小水深，通常规定为应具有的最小水深，通常规定为设计最低通

12、航水位设计最低通航水位至航道断面底部的水深至航道断面底部的水深：TThcc最大计算船舶在标准载重状况下的吃水；最大计算船舶在标准载重状况下的吃水；富裕水深；富裕水深；cTT3.3.运河的底宽运河的底宽 运河的航道底宽运河的航道底宽指运河横断面的底部宽度。指运河横断面的底部宽度。梯形断面：梯形断面：HmBBb2 设计最低通航水位时，航道的水面宽度；设计最低通航水位时，航道的水面宽度； 航道水深；航道水深； 运河岸坡的边坡系数；运河岸坡的边坡系数；BHm4.4.运河的堤顶高程运河的堤顶高程挖方段：挖方段：1.0-1.5填方段：填方段：2.0-3.0第三节第三节 运河的护坡运河的护坡一、船行波一、船

13、行波 船舶在天然河流、人工运河等水域中航行时，船船舶在天然河流、人工运河等水域中航行时，船体附近的水体受到行驶中船体的排挤，过水断面发生变体附近的水体受到行驶中船体的排挤，过水断面发生变化，引起流速、压力的变化，从而使水面上产生波动而化，引起流速、压力的变化，从而使水面上产生波动而形成波浪，这种波浪称为形成波浪，这种波浪称为船行波。船行波。 运河的护坡运河的护坡:一、船行波一、船行波 船行波是造成运河等限制性航道岸坡破坏的船行波是造成运河等限制性航道岸坡破坏的主要主要动力因素。动力因素。第三节第三节 运河的护坡运河的护坡一、船行波一、船行波 船行波对岸坡的破坏船行波对岸坡的破坏 船行波的形成原

14、因船行波的形成原因航速航速航道断面系数航道断面系数船型船型上下上下1 1m范围范围第三节第三节 运河的护坡运河的护坡 二、护坡的范围二、护坡的范围 为了保护运河的岸坡，需要在一定范围内护坡，护为了保护运河的岸坡，需要在一定范围内护坡，护坡的范围通常是在坡的范围通常是在船行波影响的区域船行波影响的区域。它一般根据运河。它一般根据运河中中水位变化水位变化的幅度和船行波的的幅度和船行波的上卷高度上卷高度与与下滚高度下滚高度而确而确定。定。 护坡的上界护坡的上界应是在应是在设计最高通航水位设计最高通航水位+富裕高度富裕高度a1，富裕高度应大于船行波的上卷高度。富裕高度应大于船行波的上卷高度。 运河岸坡

15、的防护范围运河岸坡的防护范围护坡的下界：护坡的下界：? 护坡的上界护坡的上界应是在应是在设计设计 最高通航水位最高通航水位+a1第三节第三节 运河的护坡运河的护坡三、护坡的形式三、护坡的形式 护坡的要求：护坡的要求：1.1.为了保证护坡在水流及船行波作用下能保持稳定，为了保证护坡在水流及船行波作用下能保持稳定，护坡应透水，以消减护坡所承受的渗透水压力的作用。护坡应透水，以消减护坡所承受的渗透水压力的作用。2.2. 要能够防止从岸坡下流出的渗透水流将岸坡的土粒要能够防止从岸坡下流出的渗透水流将岸坡的土粒带走，一般在护坡下面均设有反滤层。带走，一般在护坡下面均设有反滤层。3.3.护坡本身应能维持稳

16、定。护坡本身应能维持稳定。第三节第三节 运河的护坡运河的护坡三、护坡的形式三、护坡的形式 护坡的形式：护坡的形式： 在选择护坡的形式时，必须在选择护坡的形式时，必须对岸坡的高度，土壤的对岸坡的高度，土壤的性质，船行波的大小，水流流速，水位变幅，建筑材料性质，船行波的大小，水流流速，水位变幅，建筑材料及施工条件及施工条件等因素进行综合考虑，等因素进行综合考虑， 船行波的大小船行波的大小则是确定护坡形式的主要因素。则是确定护坡形式的主要因素。第三节第三节 运河的护坡运河的护坡三、护坡的型式三、护坡的型式 护坡常用的型式有：护坡常用的型式有： 1 1抛石和砌石护坡抛石和砌石护坡图图7-11 块石护坡

17、块石护坡2 2混凝土和钢筋混凝土板混凝土和钢筋混凝土板护坡护坡3 3沥青和沥青混凝上护坡沥青和沥青混凝上护坡4 4纤维模袋混凝土护坡纤维模袋混凝土护坡5. 5. 垂直护坡垂直护坡运河上的建筑物运河上的建筑物1 通航建筑物通航建筑物 船闸和升船机船闸和升船机2 供水建筑物供水建筑物 供水渠道、进水闸供水渠道、进水闸 3 引水、泄水建筑物引水、泄水建筑物 引水渠道引水渠道4 靠船建筑物靠船建筑物 港口、码头港口、码头5 交叉建筑物交叉建筑物 立交与平交建筑物立交与平交建筑物 一、实验的性质、目的及任务：一、实验的性质、目的及任务： 航道工程学是一门实践性很强的学科。航道工程航道工程学是一门实践性很

18、强的学科。航道工程实验教学的目的实验教学的目的是是增强对航道工程（特别是增强对航道工程（特别是通航、整通航、整治建筑物治建筑物）的感性认识，加深和巩固课堂教学的基本）的感性认识，加深和巩固课堂教学的基本理论，培养实践能力，初步掌握量测技术及实验数据理论，培养实践能力，初步掌握量测技术及实验数据采集和处理等方法采集和处理等方法。 通过实验教学，对通过实验教学，对渠化枢纽工程总体布置渠化枢纽工程总体布置、河流河流形态形态、滩险的成因及整治措施以及各种通航滩险的成因及整治措施以及各种通航、整治建整治建筑物的作用、特性筑物的作用、特性和和船闸水力学实验方法船闸水力学实验方法等有一个较等有一个较为全面的

19、了解，培养学生的实际操作能力及分析、解为全面的了解，培养学生的实际操作能力及分析、解决问题的能力，提高专业技术水平，也为将来进一步决问题的能力，提高专业技术水平，也为将来进一步从事本学科的实验研究工作奠定基础。从事本学科的实验研究工作奠定基础。 实实 验验 教教 学学 内内 容容二、主要仪器设备：二、主要仪器设备： 船闸模型水槽、水位量测仪、缆绳拉力仪、流速船闸模型水槽、水位量测仪、缆绳拉力仪、流速仪、船闸模型、弯道玻璃水槽、概化模型、仪、船闸模型、弯道玻璃水槽、概化模型、1 1米玻璃米玻璃水槽、水槽、2 2米玻璃水槽、变坡水槽、流速仪、传感器、米玻璃水槽、变坡水槽、流速仪、传感器、水位测针等

20、；水位测针等；实实 验验 教教 学学 内内 容容序号 实验名称内容提要实验类别主要仪器及配套数教学要求1 散乱浅滩整治实验 采取工程措施对散乱浅滩进行治理综合性 概化模型（1座）、测速仪（2套）、水位测针（6套）演示实验2 过渡浅滩整治实验 采取工程措施对过渡浅滩进行治理综合性 概化模型（1座）、测速仪（2套）、水位测针（6套）演示实验3 交错浅滩整治实验 了解航道浅滩出浅的原因、找出整治方案综合性 测速仪（2套） 水位测针（6套）演示实验4 丁坝 实验 丁坝、丁坝群、阶梯式丁坝对水流的作用和影响综合性概化模型、1米、2米玻璃水槽（各1座）、测速仪（2套）、水位测针（6套）演示实验三、主要实验

21、内容三、主要实验内容序号 实验名称内容提要实验类别主要仪器及配套数教学要求5 山区河道流态及急流滩实验了解山区河流的泡水、漩涡、剪刀水等水流流态以及消除急流的措施演示性概化模型（1座）、测速仪（2套）、水位测针（6套）演示实验6潜坝实验通过实验了解潜坝的作用和特点综合性测速仪（2套）、水位测针（6套）演示实验7 分汊河道水流实验掌握汊道分流、分沙的实验方法，研究分流分沙对主河道的影响综合性概化模型（1座）、测速仪（2套）、水位测针（6套）演示实验8 渠化枢纽总体布置实验了解渠化枢纽中主要水工建筑物的布置原则和基本要求综合性概化模型（1座）船舶模型（1个），流速仪、水位测针三、主要实验内容三、主

22、要实验内容序号 实验名称内容提要实验类别主要仪器及配套数教学要求9 船舶过闸演示实验 1、了解船闸结构组成，船舶过闸原理 2、计算船舶过闸时间等 演示性 船闸模型、电动船模型（各1套） 潜水泵（1台） 10 船闸闸室灌泄水实验 1、实测闸室灌、泄水过程中，闸室水位随时间变化过程线。 2、学习实验方法和实验资料整理分析 验证性 船闸模型水槽、水位量测仪（各1套） 三、主要实验内容三、主要实验内容序号 实验名称内容提要实验类别主要仪器及配套数教学要求11 船闸停泊条件实验 1、测定过闸船舶在闸室以及引航道中系船缆绳所承受的拉力。 2、测量在稳定流条件下闸室及引航道停泊区的流速分布及流态。 验证性

23、船闸模型水槽、缆绳拉力仪、流速仪、 （各1套） 12 船闸廊道水力学实验 1、观察船闸阀门运行时阀门后的水流现象2、测定稳定流和非稳定流时，输水廊道的压力及其分布情况。 综合性 船闸模型水槽 （1套） 测压管及玻璃架 （2套） 三、主要实验内容三、主要实验内容实实 验验 教教 学学 计计 划划序号实验项目名称时数所用设备 1渠化枢纽工程总体布置实验2流速仪及流速传感器，水位测针，测桥，船模，经纬仪，水准仪，供回水系统2浅滩整治实验2水位测针，地形仪，测桥，流速仪及流速传感器，供回水系统。 浅滩整治工程浅滩整治工程演示实验演示实验渠化工程模型渠化工程模型渠化工程实验渠化工程实验航道渠化工程模型航道渠化工程模型航道整治工程模型航道整治工程模型