鸚鵡洲大橋?qū)降勒喂こ痰挠绊懠敖鉀Q措施

陳 述 ，陳 立 ，胡 勇 ，劉 金

（1.武漢大學(xué)，武漢 430072；2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430056）

鸚鵡洲大橋?qū)降勒喂こ痰挠绊懠敖鉀Q措施

陳 述1，2，陳 立1，胡 勇2，劉 金1

（1.武漢大學(xué)，武漢 430072；2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430056）

為研究解決鸚鵡洲大橋?qū)降勒喂こ痰挠绊憜?wèn)題，通過(guò)整體模型與局部模型試驗(yàn)相結(jié)合的手段，對(duì)建橋前后橋區(qū)河段局部河床沖淤變化情況、局部防護(hù)范圍及防護(hù)措施效果進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果證明，橋墩局部沖刷會(huì)對(duì)航道整治工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此必須研究并采取防護(hù)措施。通過(guò)防護(hù)方案的實(shí)施，大橋建設(shè)不會(huì)對(duì)航道整治工程效果造成明顯不利影響。

局部沖刷；防護(hù)；模型試驗(yàn)；航道整治

Biography：CHEN Shu（1983-），male，engineer．

鸚鵡洲大橋位于武橋水道河段，該水道上起漢陽(yáng)楊泗廟，下至武漢長(zhǎng)江大橋，全長(zhǎng)約5 km。該橋位于武漢長(zhǎng)江大橋上游約2 km（圖1）。武橋水道為長(zhǎng)江中游重點(diǎn)礙航水道，是長(zhǎng)江航道發(fā)展規(guī)劃中重點(diǎn)治理水道。交通運(yùn)輸部委托相關(guān)單位對(duì)改善武橋水道枯水期通航條件進(jìn)行了研究，經(jīng)研究提出在潛洲上實(shí)施長(zhǎng)順壩結(jié)合魚(yú)骨壩的整治方案。2006年交通運(yùn)輸部對(duì)該工程進(jìn)行了工可批復(fù)，目前整治工程尚未實(shí)施［1-3］。為解決鸚鵡洲大橋?qū)降勒喂こ痰挠绊憜?wèn)題，進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究。結(jié)果表明在一系列工程措施的實(shí)施前提下，鸚鵡洲大橋與武漢長(zhǎng)江大橋之間及上、下游通航環(huán)境能夠滿(mǎn)足各方面要求。

圖1 武橋水道河勢(shì)圖Fig.1 River regime of Wuqiao waterway

1 航道整治工程概況

武橋水道枯水期礙航與漢陽(yáng)邊灘的發(fā)育程度直接相關(guān)。漢陽(yáng)邊灘與潛洲左、右相鄰，互為消長(zhǎng)，特別在汛后水流出白沙洲左汊后，穿過(guò)潛洲上半部，在其下部和漢陽(yáng)邊灘頭部開(kāi)始向右岸武昌深槽過(guò)渡。當(dāng)潛洲完整高大時(shí)，漢陽(yáng)邊灘窄長(zhǎng)；反之，漢陽(yáng)邊灘寬大。潛洲與漢陽(yáng)邊灘形態(tài)相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)，是洲灘互為消長(zhǎng)的結(jié)果。水流自潛洲下部起由左岸向右岸過(guò)渡，其尾部位置對(duì)漢陽(yáng)邊灘的發(fā)展有一定的制約作用，潛洲尾部上提，由左岸向右岸過(guò)渡的斜向水流隨之上提，就使得漢陽(yáng)邊灘更向江中突出。在漢陽(yáng)邊灘淤積較嚴(yán)重時(shí)，橋區(qū)上段航槽偏離武漢長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)通航孔，由此造成航槽過(guò)于彎曲，危及通航和橋墩安全。

為解決上述礙航問(wèn)題，經(jīng)研究提出在潛洲上實(shí)施長(zhǎng)順壩結(jié)合魚(yú)骨壩的整治方案。即沿潛洲脊線(xiàn)布置一道長(zhǎng)順壩，并在其左側(cè)布置5道魚(yú)骨壩（圖2）。該方案目的是通過(guò)維持較完整的潛洲，遏制漢陽(yáng)邊灘的淤長(zhǎng)、淤寬，使航道穩(wěn)定于武漢長(zhǎng)江大橋通航孔區(qū)域，保持左主汊通航［3］。

2 鸚鵡洲大橋工程概況

鸚鵡洲大橋是主跨為（200 m+2×850 m+200 m）的三塔四跨懸索橋。兩側(cè)邊塔墩均靠岸布置，中塔墩（2號(hào)橋墩）布置在潛洲尾段，位于航道整治工程的長(zhǎng)順壩上（圖2）。

圖2 擬建鸚鵡洲大橋與航道整治工程關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship between Yingwuzhou bridge and waterway regulation projects

中塔（2號(hào)墩）為鋼混疊合塔，疊合面在橋面、下橫梁以下?；A(chǔ)采用低樁分離式承臺(tái)，承臺(tái)頂標(biāo)高+7.5 m，下設(shè)封底混凝土，基礎(chǔ)按照嵌巖樁設(shè)計(jì)。一個(gè)塔柱下采用20根Φ2.5鉆孔灌注樁，對(duì)應(yīng)承臺(tái)平面尺寸為32.2 m×25.2 m。

為研究解決鸚鵡洲大橋?qū)ξ錁蛩篮降勒喂こ痰挠绊憜?wèn)題，進(jìn)行了整體變態(tài)和局部正態(tài)物理模型試驗(yàn)研究。

3 整體動(dòng)床模型試驗(yàn)

采用整體動(dòng)床模型試驗(yàn)的方法，研究鸚鵡洲大橋附近河段的河床、洲灘的穩(wěn)定性和沖淤變化規(guī)律，以及橋墩附近沖刷對(duì)航道整治工程效果的影響等。

3.1 模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

整體模型范圍上起蛤蟆磯，下迄武漢長(zhǎng)江二橋，全長(zhǎng)約21 km（圖3）。

圖3 武橋水道整體模型示意圖Fig.3 Model of Wuqiao waterway

模型選用重率為1.05 t/m3的塑料沙作為模型沙，該模型沙可以滿(mǎn)足起動(dòng)相似?？紤]到橋址河段的泥沙運(yùn)動(dòng)以懸移質(zhì)為主，影響河床沖淤變化的主要是懸移質(zhì)中的床沙質(zhì)部分，故將沙質(zhì)推移質(zhì)放在床沙質(zhì)中一并考慮。根據(jù)模型試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程要求，擬定模型比尺（表1）。

表1 模型比尺參數(shù)表Tab.1 Parameters of model scale

為檢驗(yàn)動(dòng)床模型的相似性，采用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了水面線(xiàn)、斷面流速分布及河床沖淤變化的驗(yàn)證。結(jié)果表明，模型設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)程規(guī)定。

3.2 試驗(yàn)條件

（1）典型年?？紤]三峽工程影響，典型年應(yīng)盡量選取三峽蓄水以后的洪、中、枯水期代表性年份。本次選取的典型水文年分別為1998年、2003年和2006年。

（2）系列年?？紤]三峽工程影響，武漢河段的來(lái)水來(lái)沙條件與建庫(kù)前相比已經(jīng)發(fā)生了較大變化，系列年采用 2003、2004、2006、1993～1999 的來(lái)水來(lái)沙過(guò)程。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）典型年。建橋前后的工程局部沖刷深度見(jiàn)表2。

表2 各典型年不同工況下局部沖刷深度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Depth of local scouring in typical years m

由表2可知：大、中、小水年建橋前后等局部沖深變化規(guī)律基本一致；大水年沖刷深度較大，且建橋后沖刷深度多大于建橋前；建橋后由于橋墩的擾流作用，造成順壩尾部左側(cè)以及4#、5#魚(yú)骨壩附近局部沖刷深度的增加。

（2）系列年。武橋水道枯水期礙航與漢陽(yáng)邊灘的發(fā)育程度直接相關(guān)。通過(guò)試驗(yàn)得出，雖然建橋后潛洲尾部沖刷蝕退，但由于長(zhǎng)順壩尾的保護(hù)作用，有效阻止了潛洲尾部沖刷的進(jìn)一步發(fā)展，因此建橋前后漢陽(yáng)邊灘寬度變化幅度不大，均不致礙航。

3.4 實(shí)施沖刷防護(hù)的必要性

研究結(jié)果表明：如果鸚鵡洲大橋后于航道整治工程實(shí)施，大橋不會(huì)影響漢陽(yáng)邊灘處的水流動(dòng)力條件，對(duì)航道整治工程的整治效果影響較小。但由于橋墩的繞流作用，橋墩周?chē)l(fā)生了局部沖刷，大水年和中水年4#、5#刺壩附近的局部沖刷較大，可能會(huì)影響到航道整治工程的穩(wěn)定性；如果大橋先于航道整治工程實(shí)施，會(huì)使得潛洲尾左緣以及尾段發(fā)生明顯沖刷，屆時(shí)會(huì)增加擬建航道整治工程的工程量。

圖4 橋墩局部沖刷坑形態(tài)示意圖Fig.4 Sketch of local scour hole

4 局部沖刷模型試驗(yàn)

通過(guò)整體模型試驗(yàn)研究，無(wú)論大橋建設(shè)是否先于航道整治工程實(shí)施，都必須采取防護(hù)措施，控制橋墩周?chē)木植繘_刷。經(jīng)研究決定采用局部正態(tài)模型試驗(yàn)，對(duì)2號(hào)墩局部沖刷范圍進(jìn)行研究。

4.1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)條件

局部正態(tài)模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)局部沖刷坑深度是常用且有效的研究方法，但受模型試驗(yàn)設(shè)備的限制，模型存在著比尺選擇和選沙的困難。本次研究采用系列模型延伸方法［4-6］，擬定的幾何比尺為 80、120、160 和 200。試驗(yàn)中選取 73 700 m3/s（20 a一遇）、77 700 m3/s（100 a一遇）和 83 700 m3/s（300 a一遇）的流量作為水流條件。

4.2 局部試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）沖刷坑形態(tài)。

分析不同流量條件下系列模型試驗(yàn)結(jié)果，2號(hào)墩沖刷坑形態(tài)基本相同（圖3），并具有以下特點(diǎn)：沖刷坑平面形狀橫向呈馬蹄形，縱向呈前深后淺的勺狀形態(tài)；中前部及兩側(cè)泥沙在水流作用下運(yùn)動(dòng)至墩后流速減小區(qū)內(nèi)落淤；墩后樁群掩護(hù)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淤積沙梗，沿程逐漸變緩，直至與河床齊平；沖刷最深點(diǎn)位于橋墩頭部。

（2）沖刷坑深度及范圍。

根據(jù)試驗(yàn)成果，采用沖刷深度（沖刷深度記為負(fù)值）反映橋墩局部沖刷的影響范圍。由表3可知，局部沖刷坑的范圍和深度均隨流量的增加而增大。

表3 2號(hào)墩不同深度沖刷坑范圍統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Size of scour hole in different depth

5 局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)

基于整體動(dòng)床和系列模型試驗(yàn)研究成果，采用局部正態(tài)模型試驗(yàn)，進(jìn)一步對(duì)2號(hào)墩局部沖刷防護(hù)措施進(jìn)行研究。

5.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)系列模型試驗(yàn)成果，確定橋墩防護(hù)范圍為193 m×147 m。

2號(hào)墩基礎(chǔ)沖刷防護(hù)采用護(hù)底抗沖措施，平面布置根據(jù)各部分所處位置和功能作用，將整個(gè)防護(hù)區(qū)域分為核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)3個(gè)部分。其中，核心區(qū)為局部沖刷范圍的中心區(qū)域，也是防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域。范圍為承臺(tái)周邊區(qū)域10 m，防護(hù)結(jié)構(gòu)為軟體排與150 cm厚拋石；永久防護(hù)區(qū)為核心區(qū)外圍，防護(hù)結(jié)構(gòu)為軟體排；護(hù)坦區(qū)設(shè)置在永久防護(hù)區(qū)外圍，為能適應(yīng)河床變形，保護(hù)永久防護(hù)區(qū)的外圍防護(hù)區(qū)，防護(hù)結(jié)構(gòu)為軟體排與120 cm厚拋石（圖5）。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

橋墩在實(shí)施局部防護(hù)后，在防護(hù)范圍以外發(fā)生了普遍沖刷，防護(hù)區(qū)域內(nèi)基本沒(méi)有發(fā)生變化，而且防護(hù)范圍與未防護(hù)范圍相接處未出現(xiàn)明顯的局部沖刷。試驗(yàn)結(jié)果表明防護(hù)方案有效且穩(wěn)定性可靠。

圖5 局部沖刷防護(hù)方案布置示意圖Fig.5 Project of protection engineering

6 結(jié)論

（1）整體動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果表明，鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋的建設(shè)會(huì)對(duì)武橋水道航道整治工程產(chǎn)生影響，因此必須對(duì)局部區(qū)域采取防護(hù)措施，控制橋墩周?chē)木植繘_刷，以確保大橋及航道整治工程的順利實(shí)施。

（2）系列模型結(jié)果表明，各種試驗(yàn)條件下，沖刷坑形態(tài)相似性較好，沖刷坑平面形狀橫向呈馬蹄形，縱向呈前深后淺的勺狀形態(tài)，沖刷最深點(diǎn)發(fā)生在墩前。綜合考慮，最終確定橋墩防護(hù)范圍為193 m×147 m。防護(hù)工程包括核心區(qū)、永久防護(hù)區(qū)和護(hù)坦區(qū)3個(gè)部分。

（3）局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)結(jié)果表明，橋墩在實(shí)施局部防護(hù)后，防護(hù)區(qū)域內(nèi)基本沒(méi)有發(fā)生變化，即防護(hù)方案是有效的，工程穩(wěn)定性是可靠的。

（4）通過(guò)局部沖刷防護(hù)工程的實(shí)施，鸚鵡洲大橋建設(shè)后對(duì)航道整治工程效果基本無(wú)不利影響。加之本橋采用主跨2×850 m的大跨度橋型方案，左側(cè)主孔能夠跨越左主汊通航水域，右側(cè)主孔跨越了潛洲右汊，在防護(hù)工程相繼實(shí)施的前提下，通過(guò)對(duì)橋區(qū)河段整體配標(biāo)、聯(lián)合進(jìn)行航道維護(hù)及安全監(jiān)督管理，認(rèn)為本橋與武漢長(zhǎng)江大橋之間及上、下游通航環(huán)境能夠滿(mǎn)足各方面要求。

［1］夏薇，毛北平，王馳.武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋工程河道演變分析［R］.武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，2009.

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Influence of Yingwuzhou bridge on waterway regulation projects and solving measures

CHEN Shu1，2，CHEN Li1，HU Yong2，LIU Jin1
（1.Wuhan University，Wuhan430072，China；2.China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance&Design Institute Co.Ltd.，Wuhan430056，China）

In order to investigate the relationship between the Yingwuzhou bridge and waterway regulation projects，the variation of erosion and deposition of the riverbed，the range of local scour hole and the result of protection schemes were analyzed by the combination of the fixed bed and movable-bed model tests in this paper.The result shows that the local scouring around pier will affect the stability of waterway regulation projects.So it is necessary to take some protection projects.Through the implementation of the protection projects，the construction of the bridge will have no adverse effect on waterway regulation works.

local scouring；protection；model test；waterway regulation

U 617；O 411.3

A

1005-8443（2011）06-0413-05

2010-09-30；

2010-12-13

陳述（1983-），男，江西省人，工程師，主要從事橋渡水文設(shè)計(jì)研究。