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西部交通建设科技项目合同号：2001-328-000-65交通编号：密级：内部单位编号：HD-01分类号：长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）研究报告长江航道局2003年6月2报告摘要本项目依托长江航道清淤应急工程，通过河床演变分析、数学模型计算、实体模型试验、水槽试验及现场试验等多途径、多技术手段，对长江中游典型分汊浅滩河段——沙市河段的演变规律及三峡建库后的演变趋势进行了深入分析，并就航道整治对策与措施进行了大量探索，着重对恢复北汊主通航孔通航的对策进行了研究。同时针对当前航道整治前期研究及设计工作遇到的有关促淤建筑物、迎流顶冲丁坝结构型式及施工工艺、航道整治建筑物、CAD技术等急需解决的问题，进行了初步开发应用研究。通过研究，对以长江中游沙市河段为代表的典型分汊段浅滩演变趋势与治理措施、促淤装置选型与促淤机理、迎流顶冲丁坝新型结构型式等关键技术有所突破，初步解决了河势条件与整治目标不相协调情况的航道治理对策、促淤建筑物附近的水流泥沙运动特性、不同丁坝坝型对水流结构和河床冲刷影响等技术难点。研究成果表明，长江中游沙市河段目前的河势格局与三峡水库运行后的演变趋势均表现为有利于南汊而不利于北汊的发展，与恢复北汊通航的治理目标背道而驰，有必要在三峡工程135m蓄水前后及时加以控制；通过在沙市河段上下段联合采取工程措施，改变北汊进口水流结构，逐步调整和改变河势，能够实现恢复北汊枯季通航的目标，为实现此目标，需要分步实施应急、过渡和总体治理措施。研究成果还表明，三边固定型三角网促淤装置能够显著改变网前后的水流结构和冲淤形态，相对其它促淤装置效果较好，以8目网的促淤效果最为理想；在长江中下游航道整治工程中，对处在迎流顶冲状态下的丁坝采用有勾头的阶梯形结构型式较为适宜、可靠。3目目录录11项项目目工工作作基基本本情情况况…………………………………………………………………………………………1111..11项项目目背背景景………………………………………………………………………………………………………………1111..22研研究究目目的的…………………………………………………………………………………………………………1111..33项项目目总总体体目目标标…………………………………………………………………………………………………………3311..44技技术术路路线线…………………………………………………………………………………………………………………………3322主主要要研研究究内内容容及及成成果果……………………………………………………………………………………4422..11专专题题一一研研究究内内容容及及取取得得的的主主要要成成果果………………………………………………………………4422..22专专题题二二研研究究内内容容及及取取得得的的主主要要成成果果………………………………………………………………5522..33专专题题三三研研究究内内容容及及取取得得的的主主要要成成果果………………………………………………………………6622..44专专题题四四研研究究内内容容及及取取得得的的主主要要成成果果………………………………………………………………9933依依托托工工程程及及其其与与科科研研结结合合情情况况…………………………………………………………………………111144关关键键技技术术………………………………………………………………………………………………………………112255项项目目的的经经济济、、社社会会、、环环境境效效益益及及推推广广应应用用前前景景…………………………115555..11经经济济效效益益……………………………………………………………………………………………………………………115555..22社社会会效效益益…………………………………………………………………………………………………………………………116655..33环环境境效效益益…………………………………………………………………………………………………………………………117755..44推推广广应应用用前前景景………………………………………………………………………………………………………………1177长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局111项项目目工工作作基基本本情情况况1.1项目背景长江干流通航条件优越，具有巨大的航运潜力，是贯通我国东西的水上运输大动脉。长江航道作为交通基础设施的重要组成部分，是西部大开发的基础性、先导性工程，在长江流域的经济发展、生产力布局由东向西转移以及东、中、西部地区不断扩大的资源、技术、信息交流中发挥着十分重要作用。党和国家在关于“十五”计划的建议和纲要中，明确提出要加强内河航道治理，加快长江水运主通道建设，要依托长江水道，推进西部大开发。这为发展长江航运，加快航道治理与建设提供了历史性机遇。交通部在水运建设中确定了航道优势战略，把长江主通道的开发列为内河建设的重点，现在长江航道的系统清淤和系统治理工程已经陆续展开。长江航道治理影响因素复杂，涉及面宽，技术难度大。要加快建设速度，提高工程质量和效果，必须对工程中的关键技术问题开展科研攻关。1.2研究目的长江航道滩险众多，演变特点各不相同，航道治理技术多种多样，研究解决航道治理涉及的关键技术，不可能以全部单个滩险为研究对象，需要采取以点带面、分类研究、重点突破的方法。“长江中上游清淤工程关键技术研究（一期）”项目紧密结合长江中上游航道清淤及治理工程需要，选择以下四个专题进行研究： 专题一：长江中游典型分汊段浅滩演变与清淤及治理措施研究； 专题二：长江中游荆江重点河段二维水流泥沙数值模拟研究；长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局2 专题三：整治建筑物结构型式及施工工艺研究； 专题四：恢复荆州长江大桥北汊主通航孔的对策研究。1.2.1专题一研究目的选择长江中游沙市河段（河道形势见图1）作为典型分汊浅滩河段进行研究，其目的在于认识典型分汊段浅滩的演变规律、碍航特性以及三峡建库后的演变趋势，确定浅滩治理时机和思路，为沙市河段清淤应急工程和航道治理工程提供适宜方案。图1沙市河段河道形势图1.2.2专题二研究目的利用数学模型的优势，配合实体模型同步进行三峡建库后演变趋势预测和整治方案效果计算，并与实体模型相互印证。1.2.3专题三研究目的解决长江航道清淤应急工程和长江航道治理中有关促淤建筑物、长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局3迎流顶冲丁坝以及整治建筑物CAD设计中的关键技术问题，提高整治建筑物设计的水平和效率。1.2.4专题四研究目的弄清荆州长江大桥桥区河段的演变规律及演变趋势，认识疏浚挖槽回淤规律及效果，为解决桥区通航与安全存在的突出矛盾提供技术支持和决策依据。1.3项目总体目标(1)为长江中上游航道清淤应急工程以及系统治理工程提供技术支持和服务，提高航道清淤及治理工程质量和效果。(2)以长江中游沙市河段为代表，揭示长江中游典型分汊段浅滩的演变规律以及三峡建库后的演变趋势，提出浅滩治理的总体思路及方案，为开展浅滩治理前期工作创造条件，并节省前期工作费用和时间。(3)为长江中上游航道治理工程提供适宜、可靠的促淤和迎流顶冲整治建筑物结构型式和施工工艺，研制开发适合航道整治工程主体建筑物设计的专用CAD制图系统，提高航道整治建筑物设计效率和水平。(4)提出荆州长江大桥桥区通航的应急方案、过渡方案及恢复北汊主通航孔通航的总体治理方案。1.4技术路线1.4.1通过研究和总结国内外相关研究成果，收集整理长江中游相关浅滩河段的水沙、地形、演变、航道疏浚与整治资料，为项目研究提供基础资料。1.4.2通过长江中游典型分汊浅滩河段——沙市河段的河床演变分析长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局4和实体模型试验，研究现状及三峡建库条件下的河床冲淤变化规律，预测三峡建库后的航道条件变化和碍航问题。1.4.3利用数学模型和实体模型相互验证和配合，对长江中游沙市河段的清淤应急工程和疏浚工程效果进行分析，并对整治工程方案进行探索、优化，提出合理可行的治理思路与措施。1.4.4通过水槽试验、数学模型计算相结合的方法研究促淤和丁坝建筑物附近水流泥沙运动特性和冲淤机理，提出建筑物结构与工艺设计方案，然后通过现场试验检验效果，并对设计方案进行优化、完善。1.4.5充分发挥科研、生产、设计单位联合攻关的优势，充分利用当今先进的仪器设备、研究手段，确保研究工作的顺利展开。在研究工作中适时召开研讨会，对遇到的技术难点进行研讨、咨询，充分听取有关部门和专家意见，集思广益，使认识得到深化，方案确定更为合理。22主主要要研研究究内内容容及及成成果果22..11专题一研究内容及取得的主要成果2.1.1研究内容(1)长江中游沙市河段河床演变分析主要包括：沙市河段年际、年内演变规律与主要影响因素分析，洲滩及水道演变关系分析，三峡建库后演变趋势预测、治理对策建议等。(2)长江中游沙市河段定床模型试验主要包括：定床验证试验、水流条件变化的认识性试验、清淤应急工程方案试验、整治工程方案探索试验。长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局5(3)长江中游沙市河段动床模型试验主要包括：动床验证试验、三峡水库运用系列年冲淤试验、整治工程方案试验。(4)长江中游典型分汊段浅滩整治工程方案研究主要包括：国内外研究现状综述、浅滩碍航问题的综合分析、整治方案与分步实施步骤研究等。22..11..22取得的主要成果(1)揭示了长江中游典型分汊段浅滩——沙市河段的演变规律、碍航特征、主要影响因素；(2)认识了三峡工程对沙市河段的影响以及三峡建库后沙市河段的演变趋势；(3)提出了河势条件与整治目标不相协调情况下的航道治理思路、措施及分步实施步骤。22..22专题二研究内容及取得的主要成果2.2.1研究内容(1)长江中游荆江重点河段二维水流泥沙数值模拟研究主要包括：平面二维水沙数学模型的建立与验证、三峡水库不同运用时冲淤计算及航道条件分析、清淤及整治工程方案效果计算及方案优化计算。(2)丁坝坝头水流结构数值模拟研究长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局6主要包括：高分辨有限元三维水流模型研究、方柱绕流三维数值模拟研究、方墩绕流平面二维数模研究、丁坝局部水流结构三维数模研究等。2.2.2取得的主要研究成果(1)建立了适用于长江中游荆江重点河段水沙运动特点的平面二维水流泥沙数学模型。(2)计算了三峡工程蓄水运用后，沙市河段的河床冲淤与通航条件变化。(3)配合实体模型对沙市河段航道治理措施进行了优化。(4)建立了计算丁坝坝头水流结构的高分辨率有限元三维水流数学模型。22..33专题三研究内容及取得的主要成果2.3.1研究内容(1)促淤建筑物初步研究主要包括：促淤机理三维水流数模研究、促淤装置结构选择、促淤装置水流特性试验、促淤装置的效果试验、促淤装置的现场试验等。(2)迎流顶冲坝体结构与施工工艺研究主要包括：国内已建丁坝坝体结构型式综述、迎流顶冲坝体的边界条件分析、迎流顶冲丁坝的水流泥沙特点、迎流顶冲丁坝冲淤机理水槽试验、迎流顶冲坝体结构型式与工艺设计、迎流顶冲丁坝的应用研究等。(3)航道整治建筑物CAD技术应用与开发长江中上游重点清淤工程关键技术研究（一期）长江航道局7主要包括：计算机硬件和软件选择、整治建筑物CAD制图系统开发、系统的应用与升级的规划等。2.3.2取得的主要研究成果(1)弄清了促淤建筑物附近的水流结构、阻力特性，揭示了冲淤规律以及促淤机理，提出了一种促淤效果较好的三边固定型柔性透水三角网促淤装置，为下一步深入研究和推广应用打下了良好基础（见图2）。图2促淤建筑物结构形式(2)认识了矩形、梯形和加肩台的阶梯形等三种断面型式和有勾头、无勾头两种平面形式的丁坝周围的水流结构及泥沙运动特点，提出了适宜于长江中下游航道整治在迎流顶冲条件下的新型丁坝结构型式：有勾头的阶梯形丁坝，并在张家洲航道整治工程中成功应用于作岸1#、2#、3#丁坝（见图3）。长江中上游