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1、第七章第七章 运河工程运河工程 Canal Engineering7.1 概述概述7.1.1 运河在航道建设中的地位运河在航道建设中的地位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八达的航道网。运河的地位：一方面是运河能沟通河流、湖泊和海洋，以满足航运发展的需要；另一方面，按照水资源综合利用的原则，运河还可以满足灌溉、防洪、排涝、发电和城镇供水等国民经济部门的需要。世界人工运河历史埃及法老赛劳斯内特三世 古苏伊士运河公元前221年中国秦始皇 灵渠公元前486年中国春秋末期 京杭运河19世纪到20世纪美国 五大湖之间人工运河苏联莫斯科河、伏尔加河等之间也
2、有人工运河相通德国境内中德运河莱茵美茵多瑙河之间的运河使西欧各大河流连接成网公元公元1292京杭大运河京杭大运河经过城市的苏南运河运河全长81.3公里，河面最宽处为304米，最窄处只有152米，水深13.5米至26.5米，可以通航宽度不超过32米的船只，运河区总面积约1432平方公里。船只通过此运河往来太平洋和大西洋间，比绕道南美洲合恩角缩短路程约1.4万公里；从欧洲至亚洲东部或澳大利亚缩短3200公里。巴拿马运河船闸巴拿马运河是世界最大的水闸式运河是世界最大的水闸式运河。运河连接的大西洋和太平洋水位相差较大，运河大部分河段的水面比海面高出26米。为调整水位差，建造了6座船闸。船只通过运河，一
3、般需要8至9小时。美国、中国和日本是巴拿马运河最大的三个使用国。巴拿马运河管理局在一份公报中宣布，在2005年9月30日结束的2005财政年度，巴拿马运河的过往船只和货运量均创历史最高纪录。在2006财政年度，巴拿马运河的预算收入将增至12.752亿美元，比2005财年增加20%。巴拿马运河巴拿马运河巴拿马运河巴拿马运河巴拿马运河7.1.2 运河的分类和作用运河的分类和作用分类：分类：1、按其所处的地理位置分：海运河：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，称为海运河内河运河：供内河船舶航行的运河，称为内陆运河，如我国的京抗运河和前苏联的莫斯科运河等。2、按工程布置
4、情况分：开敞运河设闸运河：跨越分水岭的设闸运河，又称为越岭运河。开挖运河的主要目的：l沟通互不相通的河流，使航道连接成网；2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，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；6用于军事目的。苏北运河京杭运河刘老山涧船闸京杭运河中的船队7.2 运河的选线及设计运河的选线及设计7.2.1 基本原则在运河选线时，应考虑以下原则：首先，应考虑航运要求。其次，运河选线应贯彻综合利用水资源的原则，最大限度地满足
5、国民经济各个部门的需要，以充分发挥运河的综合效益。第三，运河选线应适应远景发展的需要。另外，运河线路应符合全国航道网的规划布局，并力求工程技术简单，施工方便，运转和维修费用省。为满足上述要求，在选择运河线路时，应考虑以下一些技术要求：1线路要尽可能顺直，要尽量减少弯道，这样既使运河总长度最短，又便于船舶航行。2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(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。3线路应选在水文地质条件较好的地段通过。4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。5线路应选择在水量充沛的地区通过。6运河应尽可能利
6、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。7运河的轴线方向应尽量避免和强风一致，以免发生水面的过分壅高和降落，降低风浪，便于船舶航行。7.2.2 7.2.2 运河的纵断面设计运河的纵断面设计 运河的纵断面设计，简单地说，就是确定运河河底的纵坡降。运河河底纵坡降的大小应保证能通过最大的输水流量，同时还应使运河中的最大流速不超过船舶航行的容许流速和不冲流速，以避免增加船舶逆流航行的阻力和引起河床的冲刷，同时还要保证运河的不淤性。运河河底的最小可能的纵坡降I，即即计算相应于上述纵坡降的平均流速式中：c谢才系数R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
7、措施：一是加长运河线路的长度；二是在运河适当的位置设闸。运河应尽量避免跨越高山以减少土石方工程量。当跨越山岭时，可在山脊鞍凹处开渠或开凿隧洞，也可在分水岭或山岭的两个坡面上设置船闸（如下图）。运河跨越分水岭的布置 山东现代都江堰优化黄淮海平原水资源配置示意图山东现代都江堰优化黄淮海平原水资源配置示意图 对于设闸运河，其纵断面设计除确定纵坡降外，还包括选定运河线路上船闸的数目和位置。一般来说，船闸的数目宜少，线段的长度宜大，以便于管理和增大运河的运输能力。7.2.3 7.2.3 运河的平面设计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的限制，运河线路在平面上的形状不可避免地要采用直
8、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20003000m，最小的只有200300m。在工程设计中，其最小限值一般取为：对于顶推船队对于拖带船队单船式中：Lc顶推船队的长度（m）；Lc拖带船队中最大设计船舶的长度（m）。两个反向曲线之间，无论半径是否相同，中间都应增设一段直线段，直线段的长度可取为：式中：Lc最大设计船舶（队）的长度；R1和R2分别为两弯曲段的弯曲半径。在弯曲段，弯道加宽值可近似地按下式估算：一般是将弯道的加宽值加在弯道的内侧。弯道加宽后，还必须有一个渐变段，使由直线段的正常宽度逐渐加宽，直到弯曲段所需的宽度。7.2.3 7.2.3 运河的横
9、断面设计运河的横断面设计 设计运河的横断面在于确定运河的基本尺度，即航道水深、航道宽度。要求是在保证船舶航行安全的前提下，运河的断面尺度最小，开挖土石方的工程量省。1.运河的断面系数运河的断面系数式中：设计最低通航水位时运河过水断面面积船中横断面的浸水断面面积 断面系数的大小关系到挖方量的大小，船舶功率的大小和航速的快慢，它直接影响到工程的投资和营运费用。断面系数的确定对运河设计具有重要意义，也要考虑多方面的因素，是件复杂的工作，以下为各国运河规划中对断面系数的建议与要求：西欧 n不小于7美国陆军工程团 n不小于6中国 如航速不超过10km/h，建议n=7102.运河的断面形状运河的断面形状
10、在相同的断面面积中，较深较窄的断面形状的航行阻力较小；水力半径大的断面形状较为有利。运河的断面形状一般有梯形、复试梯形、多边形、矩形、半矩形等（如图71）.当断面系数较小时，矩形断面最为有利；用得最广的是梯形和多边形。梯形断面简单，易于施工，但开挖土方量较大，需要护坡的范围也大；复式断面适合于担负排洪任务的运河，它可以降低流速，减少护坡工程量。图71 运河的断面形状a）矩形断面；b）梯形断面；c）复式梯形断面；d）半矩形断面 系指在最低通航水位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（图72）。可按下式估算：3.运河的断面尺度运河的断面尺度 运河的断面尺度一般均按双线航行确定。a)
11、运河的航道宽度运河的航道宽度图72 运河宽度计算图式中：Bf船舶航行的航迹线宽度；Lc船舶的长度；Bc计算船舶的宽度；在正常航行条件下，驾驶船舶可能产生的航行漂角，一般可取为23；a船舶与河岸之间的距离，一般可取为0.2Bc+1.2（m）；c交会时，船舶与船舶之间的安全距离，一般可取为：系指在最低通航水位时运河所应具有的最小水深，通常规定为设计最低通航水位至航道断面底部的水深，它等于：式中：Bc1、Bc2交会的两船舶（队）宽度。根据国内外已建运河的资料，对于双线航行的航道，运河的宽度一般为船舶航行的航迹线宽度的2.62.8倍。b)运河的航道水深运河的航道水深式中：T最大计算船舶在标准载重状况下
12、的吃水（m）；T富裕水深（m）。富裕水深等于设计船舶的航行下沉值加上产生航行下沉后船舶下面所必需预留的水深（包括破浪富裕水深、淤积富裕水深等）。航道水深是影响船舶航行阻力、船舶操纵性能的主要因素。在一定的通航水深下，存在一个经济航速的范围。在运河的断面设计中，一般尽可能不增加宽度而增加深度。根据研究表明，一般认为运河的通航水深与计算船舶的吃水之比应等于1.61.7。也就是说T应等于（0.60.7）Tc。c)运河的航道底宽运河的航道底宽 系指运河横断面的底部宽度。对于梯形断面，可根据运河边坡的大小计算确定。它等于：式中：B设计最低通航水位时，航道水面宽度；H航道水深；m运河岸坡的边坡系数。运河边
13、坡的大小主要由运河的深度，岸坡的土壤性质，所采用的护坡形式以及施工方案等来确定。为减少船舶航行阻力和防止船舶碰岸，在满足边坡稳定的前提下，边坡尽可能做得陡些。根据工程实践的经验，运河的边坡也可以不护坡，但边坡应做得平缓些。运河岸坡的稳定性，一般根据岸坡土壤的物理力学性质，用圆弧法进行核算。运河的堤顶一般高出水位1.01.5m（挖方段）或2.03.0m（填方段）（如图73）。图73 运河断面尺寸图a)挖方段；b)填方段7.3 运河的护坡运河的护坡运河内水流、水位的变化，雨水的侵蚀以及船行波的船舶等对运河的岸坡都将产生破环作用，运河的护坡就是对岸坡进行保护以减小破坏的一项工程措施。7.3.1 船行
14、波船行波 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，这种波浪称为船行波。船行波是造成运河等限制性航道岸坡破坏的主要动力因素。了解：了解：船行波的破坏机理；复杂的影响因素。7.3.2 护坡的范围护坡的范围为了保护运河的岸坡，需要在一定范围内护坡，护坡的范围通常是在船行波影响的区域。它一般根据运河中水位变化的幅度和船行波的上卷高度与下滚高度而确定(图7-4)。护坡的上界应是在设计最高通航水位以上加一富裕高度又a1，富裕高度应大于船行波的上卷高度。图74 运河岸坡的防护范围7.3.2 护坡的形式
15、在选择护坡形式时，应充分考虑技术经济条件，力求护坡的结构既简单经济，又便于施工，而且耐久性好。必须对岸坡的高度，土壤性质，船行波的大小，水流流速，水位变幅，建筑材料及施工条件等因素进行综合考虑，而船行波的大小则是确定护坡形式的主要因素。常用的护坡形式有：1.抛石和砌石护坡抛石和砌石护坡这是最常用的一种形式，在护坡上用石块抛筑和砌筑而成（如图75）。这种护坡可以适用于各种土质的岸坡，它能适应岸坡的变形，施工比较简单。还可以水下施工。抛石也可以采用机械化的施工方法，但这种护坡形式的石料用量较大，不能抵御较大的波浪。根据现代工艺的发展，也可采用混凝土箱或金属网笼（Gabion）内充填石块用以护坡。图
16、75 块石护坡（单位：m）1块石棱体；2抛石护坡；3砌石；4植柳等轻型护坡；5砾石层；6砂石垫层2.2.混凝土和钢筋混凝土板护坡混凝土和钢筋混凝土板护坡n这是在船舶行驶频繁，波浪较大的运河中常采用的一种护坡形式。采用混凝土或钢筋混凝土板铺砌在岸坡上。可以现场浇筑，也可以预制。为适应岸坡的变形，混凝土板一般用构造分割成块（如图76）。混凝土板下面需设置反滤层，护坡护脚处需设置支撑体。n这种形式的优点：承受较大波浪荷载；坡下土壤颗粒不致被水带走；施工机械化，缩短施工期限等。n缺点：只能在干地；检修不便；消波性能差。图76 钢筋混凝土板护坡a)断面图；b)平面图；c)细部A3.3.沥青和沥青混凝土护
17、坡沥青和沥青混凝土护坡n这种形式的护坡系用沙料、水泥、沥青等按照一定配合比拌合就地浇筑而成。n优点：有较高的塑性，能适应岸坡的变形，不必设缝；不透水，不需要设反滤层；施工全部机械化，施工方便，检修简便，造价教混凝土板为低。n缺点：抗冻性能差，不密实；抗浮性能差，易为岸坡上生长的植物所破坏。4.4.纤维模袋混凝土护坡纤维模袋混凝土护坡 起源于本世纪60年代的新型护坡技术（如下页图）。优点：柔性护坡形式，能适应不同地形条件；不需反滤层等辅助工程；施工工艺简单，速度快；可直接进行水下施工；耐久性好。缺点：坡度不宜太陡；水下施工时，对流速有一定限制。5.5.垂直护坡垂直护坡这种形式的护坡一般可以采用无锚或有锚的板桩墙及重力式挡土墙等。但造价高，一般只用于通过城镇的运河段内。水力插板除以上护坡外，还有载柳护坡或编柳护坡、柴排、梢柳护坡等。绿化护坡