航道整治建筑物堤头冲刷坑(河口中心)

航道整治建筑物堤头冲刷坑

动床物理模型试验

研 究 大 纲

上海河口海岸科学研究中心

2010年8月

1 研究必要性

长江航运潜能巨大，自古以来被誉为“黄金水道”。长江口深水航道水深于2010年3月达到12.5米，长江口深水航道三期工程取得成功。为了更大程度地发挥长江口黄金水道的功能，交通运输部拟将长江口北槽12.5m深水航道工程上延至南京。其中南支白茆沙（见图1）河段是航道上延必经之路，近年来，白茆沙沙头大幅度冲刷后退，沙尾下移，河势变化大，若不及时对白茆沙进行固滩整治，必将威胁深水航道的建设和运行。

根据工程总体布置方案，白茆沙固滩整治拟采用导堤、齿坝工程。从工程实践经验来看，在工程关键部位的导堤、齿坝等头部在整治建筑物实施后会产生一定深度的冲刷坑，若处理不好将会威胁整个工程的安全稳定，因此，必须对整治建筑物堤头冲刷坑的深度以及形态进行深入研究，以此来确定堤头的结构型式以及保护范围并最终合理确定冲刷坑深度和形态。

崇头徐六泾杨林图1 白茆沙位置图

2 目的

通过开展局部动床物理模型试验，研究白茆沙航道整治建筑物实施后，工程的导堤堤头、齿坝头部冲刷坑的深度及形态，以安全和经济兼顾为原则，根据冲刷情况选择合适的堤头结构型式和确定软体排保护范围，为白茆沙航道整治建筑物的设计及优化提供科学依据。

3 技术路线

局部冲刷是一个典型的三维问题，考虑到研究问题的实际情况、精度要求以及试验场地规模的限制，本研究拟采用正态系列模型延伸法进行研究。

在缺少地形验证资料（局部冲刷问题一般缺少地形验证资料），往往借助于系列模型延伸法进行研究。系列模型延伸法可以直接采用原型沙进行试验，但对试验场地和供水能力要

七丫口新建水闸沙茆白白茆 求非常高。目前，一般采用模型沙系列模型延伸法来研究局部冲刷问题。该方法是将若干不完全相似模型（泥沙起动速度比尺与模型大小比尺不相同）的试验成果延伸到比尺相似（泥沙起动速度比尺与模型大小比尺相同）模型，以消除偏差，实现模型试验成果同原型相似。

该方法的理论基础如下：设完全符合水流和泥沙运动相似条件的正态模型几何比尺为

H。当模型完全符合相似比尺条件时有：HHH（H为冲淤深度比尺，H为

0S0S模型几何比尺）；当模型偏离正态模型相似条件时HSHH0,HS之所以偏离H，是由于H偏离H0造成的，这种关系可用函数关系表示：

HH （1） HHS0另HSHSPHSm，式（1）可变为：

HSPH0HHSm （2）

H对式（2）两边取对数，可得：

lgHSPlgHHSm(lgH0lgH) （3）

在双对数纸上以HHSm为纵轴，H为横轴，作图成直线关系，当HH0，HSP为原型冲淤厚度。也可用两个比尺模型的H和HSm求出斜率值，再由（2）式计算出原型冲淤厚度。

根据研究目的，本次研究将按以下路线进行研究：

1、通过数学模型计算成果分析，合理确定模型制作范围以及模型布置方式（系列模型延伸法一般在宽水槽中进行）。

2、通过数学模型确定试验水力条件，对于坝头冲刷问题，要确定最不利的水力组合条件。

3、根据试验需要的水力条件、水槽规模等因素确定若干合适的比尺模型进行试验，对不同的坝头结构型式对应冲刷深度及形态进行试验研究。

4、对试验成果进行分析处理，将系列模型试验成果延伸至原型。

5、根据冲刷坑试验数据，设计单位进行稳定性计算。根据计算结果，以安全性和经济性兼顾为原则，确定合适的堤头结构型式和软体排保护范围

具体的研究技术路线见下图2

已有河势、数模、动床物模成果分析 2010年地形 数模计算 为局部物模提供边界条件 局部冲刷物模水流验证 方案试验 稳定性校核(设计院) 推荐方案，为设计施工提供决策依据

图2 技术路线示意图

4 费用

试验费用概算以《水运工程物理模型试验参考定额》为依据，以上海河口海岸科学研究中心宽水槽（宽38m，长94m）为例，若选用模型沙进行试验，试验费用约为179.21万。

表1 试验费用

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 项 目 人工费 模型沙 材料费 仪器设备 场地占用费 差旅调研费 会议费 技术工作费 管理费 费用（万元） 35 18 25 21 20 5.95 7.14 19.04 18 前五项费用的5% 前五项费用的6% 前五项费用的16% 总费用的10% 参考《水运工程物理模型试验参考定额》 备 注 主要科技人员380元/天，辅助人员120元/天 约6000元/吨 10

税费 总 计 10.08 179.21 总费用的5.6%