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来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/28 06:42:35
长江镇江段河道采砂的影响及其控制利用的试验研究
毛 野1,黄才安2,陈建华3,周济人2
( 1.河海大学 水利水电工程学院,江苏 南京210098;2. 扬州大学 水利建筑工程学院,江苏 扬州225002;
3.河海大学 土木工程学院,江苏 南京210098)
摘要:运用微尺度模型和基于普通相机的近景摄影测量三维图像解析技术针对河道采砂对长江镇江段河床演变的影响进行了试验研究,分析了镇江段河床演变的趋势,指出在征润洲北滩和五峰山附近科学合理地采砂有利于镇江段河床稳定.考虑到镇江段较长时期的河势稳定除改善征润洲焦山一带态势还应遏制和畅洲南北汊逆转的趋势,必须采用包括河道采砂在内的综合治理措施.结果还表明微尺度模型可以用于河工动床模型研究,特别适用于多方案的定性分析与比较,近景摄影测量三维图像解析技术在数字化试验研究中可有良好的应用前景.
关键词:微尺度模型;河床演变;三维图像解析;采砂
镇江位于长江下游,自古以来是沟通东西南北的良港,1500年前即为南北漕运中心.数百年来镇江段河势变化剧烈,1931年大洪水后呈淤积趋势,1954年洪水后明显加剧.镇江老港因严重淤积影响运行,后虽挖了进港引航道,淤积态势仍在继续,不得不在下游兴建了大港港区(图1).河道非法采砂在镇江段曾一度蔓延,1996年初沙头河口以东人民滩因非法采砂发生大规模窝崩,损失巨大.镇江地区及长江下游地区的持续发展迫切需要深入研究该段河床的演变规律,研究如何正确引导河势的变化[1,2],研究如何将河道采砂与河道整治相结合,采取积极措施稳定河势[5].采用微尺度河工模型是一次有益的尝试.
1 试验装置与安排
1.1 试验水池与模型砂
试验在铁水箱和铁架支撑的微尺度模型池内进行;模型池净尺寸为1970mm×970mm×250 mm,由10mm厚的灰色塑料板焊接后加强化箍制成.模型置于模型池内约5cm厚的底板上, 底坡为1%;水由模型池排入铁制水箱,再由短管分别与两个循环水泵相接(图2)构成水循环系统.每台泵配有调节阀门,采用三角堰量测流量.
图1 长江镇江段示意图
Fig.1 The river situation near Zhenjiang
图2 微尺度模型示意图
Fig.2 The scheme of micromodel channel
两台泵同时工作的最大试验流量为1.134×10-3m3/s.模型上游设有整流器使得进入模型池内的水流尽可能平顺,下游在尾门前设储砂槽以拦截水流运动携带的泥沙,即使有少量细颗粒泥沙进入水箱,在模型池出口处将被滤砂器再次拦截.边岸用泡沫塑料制作,为克服浮力,除配有重物并用多个F型大夹具与模型池边紧密连接以保证模型稳定;缝间充填弹性优良的泡沫体以确保进入模型池的水体只能从模型河道中通过.
长江镇江段河床多为粉细沙沉积物,颗粒间有一定的粘结力,故考虑在模拟试验中采用颗粒稍大的合成材料模型砂,其密度为1.4 g/cm3,主体为聚甲醛树脂颗粒,平均筛径为d50=3.0mm(图3曲线A).为定性模拟沙洲岸滩表层对水流作用的阻抗,表面适量掺入d50 = 0.2mm电木粉以增加颗粒间粘结力,在试验中取样分析知表层颗粒的平均粒径约为d50=1.1mm(图3曲线B和C).考虑即使在汛期长江水流的含沙量也相对较小,采用微尺度模型研究镇江段河床演变试验历时较短,故模拟试验中未在上游加沙.
1.2 模型试验参数与组次
图3 模型试验用合成材料颗粒分布图
Fig.3 The distribution of synthetic particles used in model tests
定义平面比尺λl为原型平面尺度与相应的模型平面尺度之比,垂向比尺λh为原型垂向尺度与相应的模型垂向尺度之比[3].模型制作时考虑了实验流态条件应尽可能与原型接近以及观 测河床演变的需要,决定采用变态率较大的变态模型[6,7].镇江段地形的平面参数主要依 据国家海洋信息中心1994年1月印制的镇江港平面图,水下地形特别是深泓线则主要根据镇江市水利局测绘大队1996年实测地形图.模型的平面比尺λl=18333,模型垂向比尺λh=500制作,模型几何变态率ξ=λl/λh36.67.
历史经验已经证明,特大洪水对长江的河床演变起着决定性作用.采用大通站历史实测最大洪水流量QPmax=92 600 m3/s,按照常用的河工模型理论[2,3]知流量比尺为λQ=λlλ3/2h=204 972 525, 故模型流量Qm= 4.158×10-4m3/s.长江洪水汛期较长,考虑典型汛期为一个月;模拟试验时由于采用模型变态和轻质合成材料砂,其结果是达到推移质变形所需的实验时间明显缩短,确定为20'～30'.
虽然长江严禁汛期河道采砂,为研究苛刻条件下的河床演变在试验中采用特大洪水与采砂叠加.模型试验进行了多次不考虑采砂但洪水期长短不同的河床演变试验,考虑征润洲北滩采砂影响的河床演变试验以及研究考虑都天庙—丹徒江沿线滩采砂与在和畅洲北汊口填筑底坝的综合影响的试验.
1.3 近景摄影测量三维图像解析
河工动床微尺度模型试验除用泡沫塑料颗粒和高锰酸钾溶液示踪显示流场照相记录外,试验结束后排水,采用近景摄影测量三维图像解析技术对摄影图像进行计算机分析可确定河床形态的变化(参见图4,A和B分别为左相机和右相机).
根据近景摄影测量原理,为了得到河床变形的三维模型坐标,必须进行立体像对定向以建立图像坐标与模型三维坐标之间建立解析关系.分析表明控制点至少为6个.计算机分析是采用了直接线性变换的方法,以摄影构像方程为基础,通过观测若干控制点确定图像外方位元素.
为计算河床地形某点的三维坐标需知该地形点在左右图像上的图像坐标,测得左图像坐标后
图4 模型试验三维拍照示意图
Fig.4 The scheme of taking 3-D pictures for the model
按其影像灰度根据最小二乘法影响匹配技术在右图像上搜索对应匹配像点,计算该点的右图像坐标,最终可得该地形点的三维模型坐标.沿流从镇江老港进港航道到五峰山计布置了21个控制测点以确保从不同部位不同角度拍照时都能够得到足够的控制点图像.各点表面安设了直径为20mm的圆靶形十字丝控制标记,试验前仔细测量了各点高程及水平距离形成三维坐标控制网.为方便拍摄整个模型试验池,专门搭设了高约3m的摄影台.从左右两个方向分别用135Nikon 照相机A与B对试验模型进行交向摄影,相机焦距为50mm,黑白胶卷的感光敏感度为400.胶卷冲洗后用扫描仪(分辨率1200～2000dpi, 灰度级256)转换成数字图像后进行处理.
2 试验成果与分析
2.1 镇江段河床演变大趋势
试验表明特大洪水对镇江段河床的稳定有重要影响,镇江老港依然淤积,绕焦山有顺时针回流;瓜洲以下凹岸呈弯道水流冲刷态势而征润洲滩北淤积;洪水至和畅洲可见表层水流多走北汊,洪水前期底流在和畅洲顶冲下形成的回流造成丹徒和象山之间泥沙淤积,谏壁电厂码头附近亦有明显泥沙淤积(图5(a),图中等高线值为略去负号的水面线以下值,间距为2.5m).随着洪水作用加强,和畅洲北汊河道逐渐加深,孟家港一带严重冲刷而南汊却因泥沙淤积流态复杂,谏壁电厂附近泥沙淤积加剧(图5(b)).
2.2 征润洲北采砂的影响
模拟运行特大洪水时在征润洲北滩(图1左上角虚线)同步进行了采砂作业试验.结果是镇江老港变化不大,征润洲至焦山一线北部边滩明显减小,且有局部坍塌,主航道向南摆动.都天庙一带为河道南摆的控制节点成为防守关键,淘刷泥沙向丹徒和谏壁电厂输移阻塞航道(图6).和畅洲西侧洲头冲刷加剧,至象山的回流减弱;和畅洲北汊成为主流通道逐渐刷深;大港港区及五峰山均有明显冲刷.
2.3 和畅洲主航道控制
图5 特大洪水作用下镇江段河床变形等高线图
Fig.5 The contour map of riverbed deformation due to the superflood
征润洲北滩采砂虽可减轻瓜洲下游一线淘刷的压力但仍可能导致深泓线移至和畅洲北汊,该变化 趋势与不采砂情况相同.为遏制这个不利变化趋势,考虑除继续征润洲北滩采砂,另沿丹徒以北沙洲(图1中部虚线部位)采砂外在和畅洲北汊口门(图1与图3中标有"x x x"部位)设置了15 mm×15mm×100mm 石条模拟底坝填筑,希望底坝可阻止底流在北汊的冲刷;模型中特大 洪水过流时间为30'. 由图7所示,试验结果可见上述综合措施使得六圩,都天庙一带的深泓线明显向右岸移动,征润洲焦山以北的沙滩显著减小,面流在和畅洲亦改向南汊,丹徒以北一线沙洲因采砂和水流冲刷而河道加深,有泥沙淤积在谏壁电厂.
图6 特大洪水与滩采砂后征润洲附近等高线图
Fig.6 Contour map nearby the Zhengrun-shoal under the superflood and sand mining
图7 综合治理后焦山—和畅洲附近等高线图
Fig.7 Contour map nearby Jiaoshan and the Zhengrun-shoal after comprehensive treatment
2.4 河床稳定措施综合分析
上述微尺度模型试验表明,多年来实际发生的镇江段瓜洲,都天庙一带岸坡被淘刷向北摆动的演变趋势仍将持续发展.由于泥沙淘刷后自然沉积在征润洲北滩以及五峰山一带,进行科学合理的采砂有利于镇江段河床稳定,建议合法管理有序进行.如果在北滩采砂宜注意采砂作业次序,引导采砂地点逆流而进由东向西进行对河床稳定有利.
在和畅洲,由于水流作用河床淘刷泥沙淤积作用深泓线将逐渐移至北汊道,南北汊道将逐渐发生逆转.现南汊道是主航道,若听任长江镇江段河床演变自然发展,变化趋势可能使谏壁电厂的码头淤积而孟家港附近因严重冲刷而造成严重损失.采取在丹徒以北沙滩采砂的措施可以治理丹徒与谏壁电厂码头淤积,但要不使北汊变为主航道还必须在北汊口门填筑底坝.结合科学合理采砂与修筑底坝等方法的综合措施可以有效地稳定和改进镇江段的河势.
3 结语
微尺度模型可以用于河工动床模型研究,具有投资小,效率高等优点,特别适用于定性分析进行多方案分析与比较;运用近景摄影测量三维图像解析技术有助于河工模型试验研究向数字化迈进.试验研究表明瓜洲以下至都天庙一线将继续淘刷是镇江段河床演变大趋势,从长远来看和畅洲南北汊有逆转趋势,一旦北汊成为主航道将产生严重损失.考虑到镇江段较长时期的河势稳定必须采用积极的综合治理措施,合理地采砂及在和畅洲口门填筑底坝有利于镇江段河床稳定.
参考文献:
[1]钱宁,张仁,周志德. 河床演变学[M].北京:科学出版社,1987.499-530.
[2]谢鉴衡主编.河床演变及整治[M].北京:水利电力出版社,1992.213.
[3]惠遇甲,王桂仙. 河工模型试验[M].北京:中国水利电力出版社,1999.96-144.
[4]袁林,季成康. 长江下游砂料开采对河道演变的影响[J]. 人民长江,1997,28(7):33-34.
[5]毛野.初论采沙对河床的影响及控制[J].河海大学学报,2000,vol.28,92-96.
[6]Davinroy R. River replication[J]. J of Civil Engineering, 1999.69(7):61-63.
[7]Gains, R. A., and Maynord, S. T. Microscale loosebed hydraulic models,[J] J of Hydraulic Engineering, 2001,127(5): 335-339.
收稿日期:2003-04-01
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59979005)
作者简介:毛野(1946-),男,江苏武进人,教授,主要从事紊流,泥沙运动及河床演变研究.
毛 野1,黄才安2,陈建华3,周济人2
( 1.河海大学 水利水电工程学院,江苏 南京210098;2. 扬州大学 水利建筑工程学院,江苏 扬州225002;
3.河海大学 土木工程学院,江苏 南京210098)
摘要:运用微尺度模型和基于普通相机的近景摄影测量三维图像解析技术针对河道采砂对长江镇江段河床演变的影响进行了试验研究,分析了镇江段河床演变的趋势,指出在征润洲北滩和五峰山附近科学合理地采砂有利于镇江段河床稳定.考虑到镇江段较长时期的河势稳定除改善征润洲焦山一带态势还应遏制和畅洲南北汊逆转的趋势,必须采用包括河道采砂在内的综合治理措施.结果还表明微尺度模型可以用于河工动床模型研究,特别适用于多方案的定性分析与比较,近景摄影测量三维图像解析技术在数字化试验研究中可有良好的应用前景.
关键词:微尺度模型;河床演变;三维图像解析;采砂
镇江位于长江下游,自古以来是沟通东西南北的良港,1500年前即为南北漕运中心.数百年来镇江段河势变化剧烈,1931年大洪水后呈淤积趋势,1954年洪水后明显加剧.镇江老港因严重淤积影响运行,后虽挖了进港引航道,淤积态势仍在继续,不得不在下游兴建了大港港区(图1).河道非法采砂在镇江段曾一度蔓延,1996年初沙头河口以东人民滩因非法采砂发生大规模窝崩,损失巨大.镇江地区及长江下游地区的持续发展迫切需要深入研究该段河床的演变规律,研究如何正确引导河势的变化[1,2],研究如何将河道采砂与河道整治相结合,采取积极措施稳定河势[5].采用微尺度河工模型是一次有益的尝试.
1 试验装置与安排
1.1 试验水池与模型砂
试验在铁水箱和铁架支撑的微尺度模型池内进行;模型池净尺寸为1970mm×970mm×250 mm,由10mm厚的灰色塑料板焊接后加强化箍制成.模型置于模型池内约5cm厚的底板上, 底坡为1%;水由模型池排入铁制水箱,再由短管分别与两个循环水泵相接(图2)构成水循环系统.每台泵配有调节阀门,采用三角堰量测流量.
图1 长江镇江段示意图
Fig.1 The river situation near Zhenjiang
图2 微尺度模型示意图
Fig.2 The scheme of micromodel channel
两台泵同时工作的最大试验流量为1.134×10-3m3/s.模型上游设有整流器使得进入模型池内的水流尽可能平顺,下游在尾门前设储砂槽以拦截水流运动携带的泥沙,即使有少量细颗粒泥沙进入水箱,在模型池出口处将被滤砂器再次拦截.边岸用泡沫塑料制作,为克服浮力,除配有重物并用多个F型大夹具与模型池边紧密连接以保证模型稳定;缝间充填弹性优良的泡沫体以确保进入模型池的水体只能从模型河道中通过.
长江镇江段河床多为粉细沙沉积物,颗粒间有一定的粘结力,故考虑在模拟试验中采用颗粒稍大的合成材料模型砂,其密度为1.4 g/cm3,主体为聚甲醛树脂颗粒,平均筛径为d50=3.0mm(图3曲线A).为定性模拟沙洲岸滩表层对水流作用的阻抗,表面适量掺入d50 = 0.2mm电木粉以增加颗粒间粘结力,在试验中取样分析知表层颗粒的平均粒径约为d50=1.1mm(图3曲线B和C).考虑即使在汛期长江水流的含沙量也相对较小,采用微尺度模型研究镇江段河床演变试验历时较短,故模拟试验中未在上游加沙.
1.2 模型试验参数与组次
图3 模型试验用合成材料颗粒分布图
Fig.3 The distribution of synthetic particles used in model tests
定义平面比尺λl为原型平面尺度与相应的模型平面尺度之比,垂向比尺λh为原型垂向尺度与相应的模型垂向尺度之比[3].模型制作时考虑了实验流态条件应尽可能与原型接近以及观 测河床演变的需要,决定采用变态率较大的变态模型[6,7].镇江段地形的平面参数主要依 据国家海洋信息中心1994年1月印制的镇江港平面图,水下地形特别是深泓线则主要根据镇江市水利局测绘大队1996年实测地形图.模型的平面比尺λl=18333,模型垂向比尺λh=500制作,模型几何变态率ξ=λl/λh36.67.
历史经验已经证明,特大洪水对长江的河床演变起着决定性作用.采用大通站历史实测最大洪水流量QPmax=92 600 m3/s,按照常用的河工模型理论[2,3]知流量比尺为λQ=λlλ3/2h=204 972 525, 故模型流量Qm= 4.158×10-4m3/s.长江洪水汛期较长,考虑典型汛期为一个月;模拟试验时由于采用模型变态和轻质合成材料砂,其结果是达到推移质变形所需的实验时间明显缩短,确定为20'～30'.
虽然长江严禁汛期河道采砂,为研究苛刻条件下的河床演变在试验中采用特大洪水与采砂叠加.模型试验进行了多次不考虑采砂但洪水期长短不同的河床演变试验,考虑征润洲北滩采砂影响的河床演变试验以及研究考虑都天庙—丹徒江沿线滩采砂与在和畅洲北汊口填筑底坝的综合影响的试验.
1.3 近景摄影测量三维图像解析
河工动床微尺度模型试验除用泡沫塑料颗粒和高锰酸钾溶液示踪显示流场照相记录外,试验结束后排水,采用近景摄影测量三维图像解析技术对摄影图像进行计算机分析可确定河床形态的变化(参见图4,A和B分别为左相机和右相机).
根据近景摄影测量原理,为了得到河床变形的三维模型坐标,必须进行立体像对定向以建立图像坐标与模型三维坐标之间建立解析关系.分析表明控制点至少为6个.计算机分析是采用了直接线性变换的方法,以摄影构像方程为基础,通过观测若干控制点确定图像外方位元素.
为计算河床地形某点的三维坐标需知该地形点在左右图像上的图像坐标,测得左图像坐标后
图4 模型试验三维拍照示意图
Fig.4 The scheme of taking 3-D pictures for the model
按其影像灰度根据最小二乘法影响匹配技术在右图像上搜索对应匹配像点,计算该点的右图像坐标,最终可得该地形点的三维模型坐标.沿流从镇江老港进港航道到五峰山计布置了21个控制测点以确保从不同部位不同角度拍照时都能够得到足够的控制点图像.各点表面安设了直径为20mm的圆靶形十字丝控制标记,试验前仔细测量了各点高程及水平距离形成三维坐标控制网.为方便拍摄整个模型试验池,专门搭设了高约3m的摄影台.从左右两个方向分别用135Nikon 照相机A与B对试验模型进行交向摄影,相机焦距为50mm,黑白胶卷的感光敏感度为400.胶卷冲洗后用扫描仪(分辨率1200～2000dpi, 灰度级256)转换成数字图像后进行处理.
2 试验成果与分析
2.1 镇江段河床演变大趋势
试验表明特大洪水对镇江段河床的稳定有重要影响,镇江老港依然淤积,绕焦山有顺时针回流;瓜洲以下凹岸呈弯道水流冲刷态势而征润洲滩北淤积;洪水至和畅洲可见表层水流多走北汊,洪水前期底流在和畅洲顶冲下形成的回流造成丹徒和象山之间泥沙淤积,谏壁电厂码头附近亦有明显泥沙淤积(图5(a),图中等高线值为略去负号的水面线以下值,间距为2.5m).随着洪水作用加强,和畅洲北汊河道逐渐加深,孟家港一带严重冲刷而南汊却因泥沙淤积流态复杂,谏壁电厂附近泥沙淤积加剧(图5(b)).
2.2 征润洲北采砂的影响
模拟运行特大洪水时在征润洲北滩(图1左上角虚线)同步进行了采砂作业试验.结果是镇江老港变化不大,征润洲至焦山一线北部边滩明显减小,且有局部坍塌,主航道向南摆动.都天庙一带为河道南摆的控制节点成为防守关键,淘刷泥沙向丹徒和谏壁电厂输移阻塞航道(图6).和畅洲西侧洲头冲刷加剧,至象山的回流减弱;和畅洲北汊成为主流通道逐渐刷深;大港港区及五峰山均有明显冲刷.
2.3 和畅洲主航道控制
图5 特大洪水作用下镇江段河床变形等高线图
Fig.5 The contour map of riverbed deformation due to the superflood
征润洲北滩采砂虽可减轻瓜洲下游一线淘刷的压力但仍可能导致深泓线移至和畅洲北汊,该变化 趋势与不采砂情况相同.为遏制这个不利变化趋势,考虑除继续征润洲北滩采砂,另沿丹徒以北沙洲(图1中部虚线部位)采砂外在和畅洲北汊口门(图1与图3中标有"x x x"部位)设置了15 mm×15mm×100mm 石条模拟底坝填筑,希望底坝可阻止底流在北汊的冲刷;模型中特大 洪水过流时间为30'. 由图7所示,试验结果可见上述综合措施使得六圩,都天庙一带的深泓线明显向右岸移动,征润洲焦山以北的沙滩显著减小,面流在和畅洲亦改向南汊,丹徒以北一线沙洲因采砂和水流冲刷而河道加深,有泥沙淤积在谏壁电厂.
图6 特大洪水与滩采砂后征润洲附近等高线图
Fig.6 Contour map nearby the Zhengrun-shoal under the superflood and sand mining
图7 综合治理后焦山—和畅洲附近等高线图
Fig.7 Contour map nearby Jiaoshan and the Zhengrun-shoal after comprehensive treatment
2.4 河床稳定措施综合分析
上述微尺度模型试验表明,多年来实际发生的镇江段瓜洲,都天庙一带岸坡被淘刷向北摆动的演变趋势仍将持续发展.由于泥沙淘刷后自然沉积在征润洲北滩以及五峰山一带,进行科学合理的采砂有利于镇江段河床稳定,建议合法管理有序进行.如果在北滩采砂宜注意采砂作业次序,引导采砂地点逆流而进由东向西进行对河床稳定有利.
在和畅洲,由于水流作用河床淘刷泥沙淤积作用深泓线将逐渐移至北汊道,南北汊道将逐渐发生逆转.现南汊道是主航道,若听任长江镇江段河床演变自然发展,变化趋势可能使谏壁电厂的码头淤积而孟家港附近因严重冲刷而造成严重损失.采取在丹徒以北沙滩采砂的措施可以治理丹徒与谏壁电厂码头淤积,但要不使北汊变为主航道还必须在北汊口门填筑底坝.结合科学合理采砂与修筑底坝等方法的综合措施可以有效地稳定和改进镇江段的河势.
3 结语
微尺度模型可以用于河工动床模型研究,具有投资小,效率高等优点,特别适用于定性分析进行多方案分析与比较;运用近景摄影测量三维图像解析技术有助于河工模型试验研究向数字化迈进.试验研究表明瓜洲以下至都天庙一线将继续淘刷是镇江段河床演变大趋势,从长远来看和畅洲南北汊有逆转趋势,一旦北汊成为主航道将产生严重损失.考虑到镇江段较长时期的河势稳定必须采用积极的综合治理措施,合理地采砂及在和畅洲口门填筑底坝有利于镇江段河床稳定.
参考文献:
[1]钱宁,张仁,周志德. 河床演变学[M].北京:科学出版社,1987.499-530.
[2]谢鉴衡主编.河床演变及整治[M].北京:水利电力出版社,1992.213.
[3]惠遇甲,王桂仙. 河工模型试验[M].北京:中国水利电力出版社,1999.96-144.
[4]袁林,季成康. 长江下游砂料开采对河道演变的影响[J]. 人民长江,1997,28(7):33-34.
[5]毛野.初论采沙对河床的影响及控制[J].河海大学学报,2000,vol.28,92-96.
[6]Davinroy R. River replication[J]. J of Civil Engineering, 1999.69(7):61-63.
[7]Gains, R. A., and Maynord, S. T. Microscale loosebed hydraulic models,[J] J of Hydraulic Engineering, 2001,127(5): 335-339.
收稿日期:2003-04-01
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59979005)
作者简介:毛野(1946-),男,江苏武进人,教授,主要从事紊流,泥沙运动及河床演变研究.