适用于运河浪岸坡击区作用范围的确定方法及船行波模型试验装置

技术领域

本发明涉及航道岸坡治理技术领域，具体为适用于运河浪岸坡击区作用范围的确定方法及船行波模型试验装置。

背景技术

当船舶在狭窄的人工运河航行时，船在水面上的行进会对水面形成连续压力冲量扰动，使得水面产生波动，形成船行波，由船首波系和船尾波系共同组成。船首波系，是由于船首排挤水体，使该处水面局部升高，形成的水面波动；船尾波系，则是由于船体移动，使得不断有水体填充船尾形成的空间，进而产生水面局部下降形成水面波动。船首波系及船尾波系，均是由两组明显的横波和散波组成。随着两组波系向两岸的传播，其产生的波压力、爬高及次生流将会对岸坡稳定性、水流结构、船舶安全通航等产生影响。

国内外研究人员结合实践要求，开展了较为系统的实船测验和室内的船行波试验，提出了各自的船行波波要素计算公式，有纯经验的，有半理论半经验的。船行波计算公式中常用的向金公式、Delft水工研究所公式和美国陆军工程师兵团公式等针对河流整个横断面，由于需要兼顾船舶附近和岸线附近的船行波动力，在运河岸坡设计关注的近岸处船行波波高准确度存在局限性。我国在运河岸坡设计规范中还没有浪击区范围确定方法，在具体的项目研究中还需要借助实船试验和室内船模试验来探求设计所需要的数据。

综上所述，船行波是影响护坡结构稳定性的最关键水动力因素，船行波在岸坡上的影响标高上、下限之间可认为强动力作用下的浪击区，如何合理确定浪击区的影响范围，决定了运河岸坡重点防护的范围及结构的稳定性，而目前其确定以经验性认识为主，缺乏计算方法。因此，需要提出一种适用于运河岸坡浪击区作用范围的确定方法，为运河沿线岸坡防护工程的设计提供支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供克服以往运河岸坡设计中需要重点防护的浪击区范围依靠经验性判断，而缺乏计算方法的不足，提供一种适用于运河岸坡浪击区作用范围的确定方法及船行波模型试验装置，特别适用于运河初步设计和施工图设计阶段。

为实现上述目的，本发明提供如下其中一种技术方案，一种适用于运河浪岸坡击区作用范围的确定方法，该方法包括：

S1、收集运河沿线现有的天然河流、湖泊的水文资料，确定运河沿线原天然河流、湖泊控制点的最高和最低通航水位；

S2、建立原天然河流、湖泊控制点在内的一维水流数学模型，推求沿程水面线，确定岸坡防护工程设计断面位置处的最高通航水位Z

S3、确定研究河段船舶航速、船舶吃水深度；

S4、计算研究河段的波浪爬高值R

S5、计算岸坡浪击区作用范围上限Z

S6、计算岸坡浪击区作用范围下限Z

进一步的，S3中，计算最高通航水位Z

式中，h

进一步的，S4中，R

式中，R

进一步的，S5中，Z

Z

进一步的，S6中，Z

Z

本发明提供如下另一种技术方案，船行波模型试验装置，：该装置应用于上述的确定方法。

进一步的，该装置包括进水池、积水池、航道水槽和通过拖曳方式的船模；

进一步的，所述航道水槽左右两侧边坡按1:3设置；

进一步的，所述航道水槽包括匀速段、船舶加速段和减速段。

进一步的，该装置还包括两个测波断面，分别位于模型匀速段进口测波断面Ⅰ与出口测波断面Ⅱ，沿测波断面横断面方向分别布置3个电容式波高仪，共有6个测波点，用于记录不同船舶航速、水深与船舶航线组合条件下，水槽沿程两个观测断面上6个测波点的水面波动值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明对现有航道整治技术做出的最大贡献，在于提出了运河岸坡浪击区上限高程和下限高程的计算方法，基于该方法，代替目前经验性判断浪击区作用范围的方法，为运河岸坡防护初步设计和施工图设计阶段浪击区重点防护的范围的确定提出理论支撑，提高结构的安全性及稳定性，并减少工程方案优化阶段的模型研究组次，节约工程设计成本。

附图说明

图1为本发明实施例2中的船行波模型试验装置的结构示意图；

图2为实施例2中的船行波模型试验装置的侧视图；

图3为实施例2中的船行波模型试验装置的实物图；

图4为实施例2中的电容式波高仪的实物图；

图5为试验例中的江淮运河引江济淮菜子湖线路示意图；

图6为江淮运河工程引江济巢段的断面设计图；

图7为江淮运河工程江淮沟通段的断面设计图；

图8为对比例中的式(1.10)和式(8)计算值与测量值对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种适用于运河浪岸坡击区作用范围的确定方法，该方法包括：

S1、收集运河沿线现有的天然河流、湖泊的水文资料，确定运河沿线原天然河流、湖泊控制点的最高和最低通航水位；

具体的，可以通过查阅《内河通航标准》(GB50139-2004)和运河航道等级，进而确定运河沿线原天然河流、湖泊控制点的最高和最低通航水位。

S2、建立原天然河流、湖泊控制点在内的一维水流数学模型，推求沿程水面线，确定岸坡防护工程设计断面位置处的最高通航水位Z

S3、确定研究河段船舶航速、船舶吃水深度；

进一步的，S3中，计算最高通航水位Z

式中，h

具体的，式(1)的推导过程为：考虑到近岸处船行波波高可以为工程河段的护岸护坡设计提供设计波要素，近船处船行波波高可为分析船舶受力提供动力参数条件。因此，本方案基于船行波模型试验的测量数据，采用多元线性回归的方法，分别推导适用于本工程河段的船行波近船处与近岸处的计算公式。

在梯形断面河道中，影响近船处最大波高h

h

上式中，h

在梯形断面河道中，影响近岸处最大波高h

h

上式中，h

根据量纲分析及π定理，式(1.1)与(1.2)可以简化为如下无量纲的形式：

式(1.3)与式(1.4)中，

设定本次试验河段两侧边坡的坡度为1:3，船型均为1000t级货船且船舶都是满载情况，因此在下文推到公式的过程中不考虑边坡坡度、代表船型尺度的影响，即不考虑式(1.4)与式(1.5)中m、l/b与b/T的影响，式(1.3)、式(1.4)简化如下：

对于近船处波高h

式中：k

对上式两边取自然对数后可得下式：

设定船行波模型试验近船处的第3测波点与第6测波点的波高测量值进行多元线性回归，可得保证率r

对于近船处波高h

综合式(1.8)与(1.9)得到本方案推导的江淮运河船行波波高计算公式：

S4、计算研究河段的波浪爬高值R

进一步的，S4中，R

式中，R

S5、计算岸坡浪击区作用范围上限Z

进一步的，S5中，Z

Z

S6、计算岸坡浪击区作用范围下限Z

进一步的，S6中，Z

Z

基于该方法，代替目前经验性判断浪击区作用范围的方法，为运河岸坡防护初步设计和施工图设计阶段浪击区重点防护的范围的确定提出理论支撑，提高结构的安全性及稳定性，并减少工程方案优化阶段的模型研究组次，节约工程设计成本。

实施例2

如图1-图4所示，船行波模型试验装置，该装置应用于上述实施例1的确定方法。

进一步的，该装置包括进水池、积水池、航道水槽和通过拖曳方式的船模；

具体的，所述航道水槽左右两侧边坡按1:3设置；

具体的，所述航道水槽包括匀速段、船舶加速段和减速段。

进一步的，该装置还包括两个测波断面，分别位于模型匀速段进口测波断面Ⅰ与出口测波断面Ⅱ，沿测波断面横断面方向分别布置3个电容式波高仪，共有6个测波点，用于记录不同船舶航速、水深与船舶航线组合条件下，水槽沿程两个观测断面上6个测波点的水面波动值。

对比例

以引江济淮工程包括了引江济巢、江淮沟通和江水北送三段为例，其中如图6所示，引江济巢段(包括菜子湖线及西兆河线)、如图7所示，江淮沟通段具有通航功能。

其中引江济巢段全长187.63km，按Ⅲ级航道标准设计，渠道规则断面河道底宽为45m，河道两侧岸坡坡度为1:3～1:3.5，最高及最低通航水位条件下的水深分别为12.04m与3.3m，设计代表船型采用淮河水系1000吨级货船(总长58m×型宽11m×设计吃水2.8m)，兼顾2000吨级货船。

江淮沟通段全长155.1km，按Ⅱ级航道标准设计，渠道规则断面河道底宽为60m，河道两侧岸坡坡度为1:3，最高及最低通航水位条件下的水深10.9m与4m，设计代表船型采用淮河水系1000吨级货船(总长58m×型宽11m×设计吃水2.8m)及2000吨级货船(总长68m×型宽13.8m×设计吃水3.2m)。

现有技术中，船行波要素经典计算公式包括向金公式、Delft水工研究所公式和美国陆军工程师兵团公式等，采用经典公式对引江济巢段和江淮沟通段典型规则断面的船行波波高进行了计算。表1中航道底宽与设计代表船型组合分别为江淮沟通段和引江济巢段的航道底宽45m和60m及其对应的设计代表船型1000t及2000吨级货船。计算过程中45m底宽航道对应的最大水深和最小水深分别为引江济巢段最高及最低通航水位条件下的水深12.04m及3.3m，60m底宽航道对应的最大水深和最小水深分别为江淮沟通段最高及最低通航水位条件下的水深10.9m及4m。船舶航速参考京杭运河标准船型中干散货船的设计航速取为3.5m/s。

1、向金公式

上式中：H

2、荷兰Delft水工研究所公式

式中：H

3、美国陆军工程师兵团公式

式中：H

表1江淮运河近岸处波高计算值

表1中不同公式计算得到的引江济淮工程近岸船行波的计算值差异较大，引江济巢段最高通航水位下的变化范围为0.12～0.22m，最低通航水位下的变化范围为0.17～0.94m；江淮沟通段最高通航水位下的变化范围为0.10～0.22m，最低通航水位下的变化范围为0.13～0.70m。虽然不同公式的计算值差异较大，但均满足以下两条规律：1、在河道底宽及设计代表船型不变的情况下，最低通航水位近岸处的船行波波高计算值均大于最高通航水位；2、无论是在最高通航水位还是最低通航水位，引江济巢段船行波波高计算值基本均高于江淮沟通段。

如图1-图4所示，由于无论是在最高通航水位还是最低通航水位，引江济巢段船行波波高计算值基本均高于江淮沟通段，因此，本试验依托引江济巢段45m航道底宽和1000t级货船组合条件开展船行波模型试验。试验于长约24m、宽4.8m，高0.5m的水槽中进行。供水系统由电磁泵阀控制，进口流量由电磁流量计控制，并用薄壁三角堰进行校准。试验水槽底面地形按平底设计，其中水槽中间匀速段长8m，匀速段上下游各有8m长的船舶加速段与减速段，水槽左右两侧边坡按1:3(研究河段边坡多在1:3附近)控制。

根据试验依托工程及试验场地规模大小，水槽模型的几何比尺采用1:25。按照重力相似准则进行设计，确定得到几何比尺、速度比尺、时间比尺、力比尺、质量比尺和重力加速度比尺见表2。船舶模型比尺与水槽模型比尺保持一致，均为1:25，代表船型选用1000t级货船，试验采用拖曳船模方式产生船行波，航速与原型保持相似。船行波模型试验分别在静水条件和动水条件下进行。静水条件考虑了3种航道水深、6种船舶航速、3种船舶航线离岸距离，动水条件下的试验工况考虑了最高通航水位下的水深与平均水流流速的组合、2种走船方式，试验共计55组试验工况。船舶航速参考京杭运河标准船型中干散货船的设计航速取为3.5m/s。

表2船行波模型试验比尺

试验采用拖曳船模方式产生船行波，两个测波断面位于模型匀速段进口测波断面Ⅰ与出口测波断面Ⅱ，沿测波断面横断面方向分别布置3个电容式波高仪(精度为2mm，采样频率为1000Hz)，共有1#～6#共6个测波点。其中1#与4#波高仪位于边坡坡脚正上方，用来测量船行波近岸处波高；3#与6#波高仪位于水槽纵轴线左侧24cm处，用来测量近船处波高；2#与5#波高仪分别位于1#与3#、4#与6#波高仪中间位置。记录不同船舶航速、水深与船舶航线组合条件下，水槽沿程两个观测断面上6个测波点的水面波动值。为了减小试验测量误差，每组试验均重复测量三次，最终测量结果取三次测量结果的平均值。

基于本次船行波模型试验中测得的波高值对船行波计算公式中应用较广的式(6)Delft水工研究所公式中的待定系数α进行率定，率定得到α的平均值为1.298，代入式(6)中，得到对应于江淮运河Delft水工研究所公式的具体表达形式如下：

由于该公式中的s即计算点距船舷的距离其指数为负，当计算近船处波高时s的值很小时，导致计算出来的近船处波高值出现与实际偏差较大的极大值。

如图8所示，将Delft水工研究所率定公式(8)及本方案推导的船行波波高计算式(1.10)与船行波模型试验的测量值进行了对比。对于近岸处船行波波高h岸的计算，除个别值外，推导公式(1.10)计算值与测量值的绝对误差范围为0.005～0.787m，率定公式(8)计算值与测量值的绝对误差范围为0.003～0.74m，说明推导公式(1.10)与率定公式(8)对于近岸处船行波波高的计算准确度较为接近，变化趋势也基本一致。对于近船处船行波波高h船的计算，推导公式(1.10)计算值与测量值的绝对误差范围为0.002～1.09m，率定公式(8)计算值与测量值的绝对误差范围为0.056～3.668m，率定公式(8)的计算值与测量值相比整体偏大且偏差较大，说明了Delft水工研究所公式在计算船行波近船处波高时存在着局限性。

在航道工程设计中，船行波作用下护岸结构的稳定性是重点关注的问题，船行波极限波高作用范围内需重点防护。由公式(1.10)可见，在船舶航速与吃水深度不变的情况下，船行波波高与航道水深成反比，因此，对于同一设计断面而言在最低通航水位下船行波波高能够达到的最大值，经船行波模型试验测量得到江淮运河近岸处极限船行波波高为1.05m，采用本文推导公式(1.9)计算得到的河近岸处极限船行波波高为1.10m，偏于安全考虑，取江淮运河近岸处极限船行波波高为1.10m，可作为江淮运河护岸设计的依据。

试验例

基于实施例1进行的试验例，S1、江淮运河引江济巢段为Ⅲ级航道，其中菜子湖线路沿线有长江、菜子湖、巢湖，设有枞阳枢纽、庐江枢纽和白山枢纽。根据《内河通航标准》(GB50139-2004)，天然河道和湖泊设计最高通航水位的洪水重现期Ⅰ～Ⅲ级航道为20年一遇，设计最低通航水位的多年历时保证率Ⅱ级航道≥98％、Ⅲ级航道98％。选择长江大通站、枞阳闸下站，菜子湖车富岭，巢湖中庙站进行洪水频率、枯水保证率计算。

最高通航水位：根据已批准的长江流域防洪规划和菜子湖流域防洪规划、巢湖流域防洪规划，枞阳枢纽附近长江干流1998年型洪水水位为15.3m、菜子湖20年一遇水位为14.88m、巢湖20年一遇水位为10.6m，对应的枞阳枢纽长江侧长江干流最高通航水位为15.3m、菜子湖侧最高通航水位为14.88m；庐江枢纽船闸菜子湖侧最高通航水位为15.38m、巢湖侧最高通航水位为11.1m；白石天河枢纽最高通航水位采用巢湖侧20年一遇洪水位10.6m、白石天河侧10.7m。

最低通航水位：根据长系列水位资料分析和有关规划成果，枞阳枢纽船闸长江侧长江干流98％保证率水位为3.27m，规划的菜子湖最低湖水位8.1m、规划的巢湖最低湖水位5.8m，对应的枞阳枢纽船闸长江侧长江干流最低通航水位为3.27m、菜子湖最低通航水位为8.1m，庐江枢纽船闸菜子湖侧最低通航水位为6.86m、巢湖侧最低通航水位为5.8m。白石天河枢纽巢湖侧最低通航水位为5.8m、白石天河侧5.8m。

S2、如图5和图6所示，设计断面1-1位于江淮运河引江济巢段菜子湖线路枞阳枢纽与庐江枢纽之间，枞阳枢纽菜子湖侧最高通航水位为14.88m，庐江枢纽船闸菜子湖侧最高通航水位为15.38m。枞阳枢纽菜子湖侧最低通航水位为8.1m，庐江枢纽船闸菜子湖侧最低通航水位为6.86m。通过一维数学模型模拟计算，确定设计断面1-1的最高通航水位为15.28m，最低通航水位为7.63m。

S3、根据江淮运河初步设计文件，研究河段设计船舶航速V

最高通航水位Z

h

将上述数值代入式(1)，得：

最低通航水位Z

h

将上述数值代入式(1)，得：

S4、根据苏联规范公式式(2)计算研究河段的波浪爬高值R

式中，R

对于江淮运河设计断面1-1，在最高通航水位以下采用了混凝土板，K

S5、计算研究河段设计断面1-1船行波作用上限高程为Z

S6、计算研究河段设计断面1-1船行波作用上限高程为Z

因此，研究河段设计断面1-1船行波作用区域浪击区作为范围为7.03m～16.01m，在岸坡防护工程中需对船行波淘刷进行重点防护。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。