宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋工程通航影響研究

許 輝

宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋工程通航影響研究

許 輝

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

橋梁屬永久建筑物，為使大橋建設(shè)對(duì)橋區(qū)河段通航的不利影響降到最小，通過實(shí)船試驗(yàn)、通航水力學(xué)及船模試驗(yàn)，研究了宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋擬選的兩處橋位及各種橋型方案對(duì)橋區(qū)河段通航條件的影響。結(jié)果表明：兩處橋位建橋方案，僅橋墩附近及橋墩下游一定范圍內(nèi)流態(tài)有所改變，河段內(nèi)其他部位流態(tài)無明顯變化，建橋?qū)ι嫌污账畠H在較短距離內(nèi)產(chǎn)生影響（上游150 m處壅高0.10 m、下游水位建橋前后無變化）。綜合分析得出，以2號(hào)橋位優(yōu)化方案為宜。該試驗(yàn)研究，不僅為本工程的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也可為國(guó)內(nèi)其它大型跨江橋梁的建設(shè)提供參考借鑒。

宜萬鐵路；宜昌長(zhǎng)江大橋；通航

宜萬鐵路是連接湖北省宜昌市與重慶市萬州區(qū)兩地的鐵路系統(tǒng)，是我國(guó)八縱八橫鐵路中一橫的組成部分，而宜昌長(zhǎng)江大橋則是宜萬鐵路宜昌越江工程的主要和終選方案，為全線重點(diǎn)控制工程，該大橋全長(zhǎng)2 526.73 m，于2004年2月開建，是目前長(zhǎng)江上唯一的連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合孔跨，跨徑達(dá)275 m，在同類型鐵路橋中位居全國(guó)第一。

宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋所在河段為長(zhǎng)江航運(yùn)黃金地段，航運(yùn)繁忙、航行條件復(fù)雜，是長(zhǎng)江干線水運(yùn)主通道的中、西部結(jié)合處，又是葛洲壩水利樞紐和三峽工程過壩中轉(zhuǎn)運(yùn)輸?shù)闹匾⒌亍４髽蚪ǔ珊蟮耐ê絾栴}關(guān)系到整個(gè)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展，十分重要。為了確保大橋建成后的橋梁、橋墩和船舶航行安全，同時(shí)考慮大橋橋位選擇和工程應(yīng)用的需要，本文通過橋區(qū)河段通航實(shí)船試驗(yàn)、通航水力學(xué)試驗(yàn)及船模試驗(yàn)，深入研究了工程建設(shè)對(duì)橋區(qū)河段通航條件的影響。

1 河道及工程概況

宜昌河段上起葛洲壩水利樞紐、下至虎牙灘，全長(zhǎng)約25 km，屬于山區(qū)性河流向平原河流轉(zhuǎn)變的過渡段，呈微彎順直分汊狀（見圖1）。橋區(qū)河段位于宜昌河段中部順直的胭脂壩河段，該河段中部偏靠右岸有胭脂壩，將河道分為左右兩汊，呈“左主右支”的態(tài)勢(shì)。

宜昌長(zhǎng)江鐵路大橋距上游夷陵長(zhǎng)江大橋約4.8 km（見圖2），距三峽工程約40 km，距下游宜昌長(zhǎng)江公路大橋約10 km。主橋采用（130＋2×275＋130）m連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合結(jié)構(gòu)（見圖3）。該大橋于2007年8月全橋貫通，2010年4月通過了動(dòng)靜荷載試驗(yàn)。目前，宜萬鐵路正式通車，大橋運(yùn)行正常。

2 大橋?qū)νê降挠绊?/h2>

2.1 實(shí)船試驗(yàn)

通過實(shí)船試驗(yàn)［1－3］研究不同橋位、橋孔設(shè)計(jì)凈空寬度、通航凈寬等對(duì)通航的影響。試驗(yàn)時(shí)間選在橋位河段的中枯水期（4月份）和洪水期（6月份）進(jìn)行。試驗(yàn)地點(diǎn)中枯水期位于宜昌市胭脂壩附近3號(hào)橋位河段；洪水期則選在宜昌市胭脂壩附近2號(hào)和3號(hào)橋位河段。試驗(yàn)選用內(nèi)河頂推船隊(duì)（一頂六駁，6×1 000 t＋2 640 HP），有關(guān)試驗(yàn)船隊(duì)的隊(duì)形、尺寸如圖4所示。

在試驗(yàn)的過程中，根據(jù)橋區(qū)航道及水文特征，取橋軸線上游8km，下游5km的范圍作為試驗(yàn)航段；以上水通航孔、下水通航孔為主要的試驗(yàn)航路，選擇合適的小船作為模擬橋墩，運(yùn)用差分GPS RTK、攝像機(jī)、羅經(jīng)、雷達(dá)等綜合測(cè)試手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)同步觀測(cè)流速、流向，并收集風(fēng)向、風(fēng)力等有關(guān)資料。

圖1 宜昌河段河道態(tài)勢(shì)圖Fig.1 River morphology of Yichang reach

圖2 各橋位方案位置示意圖Fig.2 Sketch of different bridge sites

圖3 宜昌長(zhǎng)江大橋橋型立面布置圖Fig.3 Elevation view of the Yichang Yangtze River Bridge

實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明：①2號(hào)橋位橋孔設(shè)計(jì)凈空寬度270 m，通航凈寬為258 m，在考慮橋墩紊流影響的情況下，當(dāng)實(shí)際風(fēng)力達(dá)7級(jí)時(shí)，上、下水通航寬度均略顯不足，需適當(dāng)增加；②3號(hào)橋位橋孔設(shè)計(jì)凈空寬度265 m，通航凈寬為253 m，在考慮橋墩紊流影響的情況下，當(dāng)實(shí)際風(fēng)力達(dá)到6、7級(jí)時(shí)，同樣上、下水通航寬度均顯不足，需適當(dāng)增加。

圖4 試驗(yàn)船舶（隊(duì)）的隊(duì)形、尺寸示意圖Fig.4 Formation and size of the test ships during dry season（left）and flood season（right）

就航道水文條件而言，2號(hào)和3號(hào)橋位均適合建橋，綜合實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果，2號(hào)橋位優(yōu)于3號(hào)橋位。

2.2 橋區(qū)河段通航水力學(xué)模型試驗(yàn)

通過通航水力學(xué)模型試驗(yàn)［1－4］，綜合分析胭脂壩河段建橋后橋區(qū)水流條件。

2.2.1 模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)范圍為上起葛洲壩、下訖磨盤溪，全長(zhǎng)17 km，模型采用1／150正態(tài)設(shè)計(jì)。

幾何比尺λL＝λH＝150，其中：λL為平面比尺，λH為垂直比尺；

流速比尺 λV＝λH1／2＝λL

1／2＝12.25；

時(shí)間比尺 λt＝λL／λV＝λL1／2＝12.25；

流量比尺 λQ＝λL2.5＝275 568。

本模型采用長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局2001年12月至2002年1月實(shí)測(cè)1∶10 000水道地形圖按斷面板法塑制，平面距離誤差控制在1 cm內(nèi)，高程誤差控制在0.2 cm內(nèi)；鐵路橋用塑料板制作，誤差控制在0.03 cm。試驗(yàn)采用矩型量水堰控制流量，流量誤差不大于1%。

2.2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)水文條件主要選取河段洪、中、枯3個(gè)流量級(jí)（45 000，20 000，4 400 m3／s），同時(shí)，為考慮試驗(yàn)中萬噸級(jí)船隊(duì)的航行情況，增加了一個(gè)流量級(jí)30 000 m3／s。

2.2.3 試驗(yàn)成果分析

根據(jù)選定的水文試驗(yàn)條件及橋式設(shè)計(jì)方案（見圖3）進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果分析表明：

（1）河段內(nèi)航道范圍無不良流態(tài)；在 Q＝45 000 m3／s時(shí)，較大范圍表面流速過大，為2.6～3.0 m／s，對(duì)大型船隊(duì)航行不利；在 Q＝30 000 m3／s時(shí)，僅局部表面流速略大于2.6 m／s，可適應(yīng)萬噸級(jí)船隊(duì)航行需要；流量低于20 000 m3／s時(shí)，全河段表面流速低于2.5 m／s。

（2）2號(hào)和3號(hào)兩種橋位處建橋，僅橋墩附近及橋墩下游一定范圍流態(tài)有所改變，河段內(nèi)其他部位流態(tài)無明顯變化；建橋?qū)ι嫌污账畠H在較短距離內(nèi)產(chǎn)生影響。

（3）2號(hào)橋位建橋后對(duì)附近河段水流條件影響不大，且該橋位上下游水流順暢，無不良流態(tài)；但在上水航行時(shí)，由于右主跨在Q＝30 000 m3／s時(shí)跨中流速在2.7 m／s左右，對(duì)應(yīng)比降為0.13‰，萬噸級(jí)船隊(duì)在此上水航行困難；若橋墩右移100 m，則航行條件大有改善，右主跨在Q＝30 000 m3／s時(shí)，跨中流速在2.5 m／s以下，可適應(yīng)萬噸級(jí)船隊(duì)上水航行。

（4）3號(hào)橋位建橋后對(duì)附近水流條件影響也不大，橋跨為216 m方案的5＃墩正處于河道主泓，附近流速較大，且左主跨受河槽深泓影響大，水流略有右斜；橋跨為270 m條件下，橋墩對(duì)局部流場(chǎng)的影響在各流量級(jí)均較橋跨為216 m略小，水流較平穩(wěn)。該橋位2種方案均可適應(yīng)相應(yīng)流量級(jí)通航條件。

2.3 船模航行試驗(yàn)研究

通過船隊(duì)模型試驗(yàn)［1－4］，分析胭脂壩河段建橋后橋區(qū)船舶的航行條件。

2.3.1 試驗(yàn)方案

考慮在 4個(gè)流量級(jí)（45 000，30 000，20 000，4 400 m3／s）水流條件下進(jìn)行如下試驗(yàn)：①胭脂壩河段3號(hào)橋位現(xiàn)狀河道（無橋）和2個(gè)設(shè)計(jì)橋式布置方案（主跨270 m和主跨216 m）的船模航行試驗(yàn)和水力學(xué)試驗(yàn)；②胭脂壩河段2號(hào)橋位現(xiàn)狀河道（無橋）、設(shè)計(jì)橋式主跨270 m布置方案（原方案）和將2號(hào)橋位原方案橋墩右移100 m的布置方案（優(yōu)化方案）的船模航行試驗(yàn)和水力學(xué)試驗(yàn)；③胭脂壩河段3號(hào)橋位上游左岸約350 m的油碼頭、油駁船隊(duì)?？康拇：叫性囼?yàn)。

2.3.2 試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)成果分析表明：現(xiàn)狀河道的通航流量主要控制在船隊(duì)上水的對(duì)岸，建橋后對(duì)其附近河段通航水流條件影響不大，仍可滿足4個(gè)流量級(jí)相應(yīng)船隊(duì)的通航要求。

2號(hào)和3號(hào)橋位通航條件相比，2號(hào)橋位原方案和優(yōu)化方案的水流平順，通航水流條件比3號(hào)橋位好。但枯水流量時(shí)，2號(hào)橋位優(yōu)化方案上水航線右主跨3.5 m航深的航寬水域要減少約70～80 m。此外2號(hào)橋位方案，油駁船隊(duì)航行停靠油碼頭對(duì)下水船隊(duì)的干擾影響比3號(hào)橋位方案小。

綜合上述通航試驗(yàn)成果，胭脂壩現(xiàn)狀河段以2號(hào)橋位優(yōu)化方案（右移100 m）為宜，可以滿足試驗(yàn)船隊(duì)洪、中、枯各級(jí)流量下的通航條件。對(duì)于枯水期右主跨上水航道的航寬有所減少的問題，考慮到三峽建庫運(yùn)用后，右主跨河段沖刷下切，航寬航深將可能加大，如到時(shí)實(shí)有加寬加深航道的需要，亦可進(jìn)行適當(dāng)開挖整治。

3 主要結(jié)論

本文采用實(shí)船試驗(yàn)、通航水力學(xué)模型試驗(yàn)及船模航行試驗(yàn)，對(duì)宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋工程建設(shè)對(duì)橋區(qū)河段通航條件的影響進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明，2號(hào)和3號(hào)橋位航道水文條件均適合建橋，但2號(hào)橋位優(yōu)于3號(hào)橋位。

（2）2號(hào)和3號(hào)兩處橋位建橋后，僅橋墩附近及橋墩下游一定范圍流態(tài)有所改變，河段內(nèi)其他部位流態(tài)無明顯變化，建橋?qū)ι嫌污账畠H在較短距離內(nèi)產(chǎn)生影響。

（3）2號(hào)橋位建橋后在上水航行時(shí)由于右主跨在 Q＝30 000 m3／s時(shí)跨中流速在2.7 m／s左右，對(duì)應(yīng)比降為0.13‰，萬噸級(jí)船隊(duì)在此上水航行困難，但若橋墩右移100 m，則航行條件大有改善；3號(hào)橋位兩種橋跨方案均可適應(yīng)相應(yīng)流量級(jí)通航條件。

（4）航模航行試驗(yàn)研究表明，2號(hào)橋位原方案和優(yōu)化方案的水流平順，通航水流條件比3號(hào)橋位好。

（5）綜合實(shí)船試驗(yàn)、通航水力學(xué)模型試驗(yàn)及船模航行試驗(yàn)成果，胭脂壩現(xiàn)狀河段以2號(hào)橋位優(yōu)化方案（右移100 m）為宜。

（6）本試驗(yàn)成果為工程設(shè)計(jì)提供了必要的技術(shù)支撐，同時(shí)也可為其它大型跨江橋梁的建設(shè)提供參考借鑒。

［1］ GB 50139－2004內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.（GB 50139－2004 Inland Navigation Standard［S］.Beijing：China Planning Press，2004.（in Chinese））

［2］ 長(zhǎng)江航道局.航道工程手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2004.（Changjiang Waterway Bureau.Waterway Engineering Handbook［M］.Beijing：China Communications Press，2004.（in Chinese））

［3］ 武漢理工大學(xué).宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江鐵路大橋船舶通航實(shí)船試驗(yàn)報(bào)告［R］.武漢：武漢理工大學(xué)，2002.（Wuhan University of Technology.Report on the Ship Experiment of Yichang Yangtze River Bridge on Yichang-Wanzhou Railway［R］.Wuhan：Wuhan University of Technology，2002.（in Chinese））

［4］ 長(zhǎng)江科學(xué)院.宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江鐵路大橋橋區(qū)河段通航水力學(xué)及船模試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2003.（Yangtze River Scientific Research Institute.Report on the Test of Navigation Hydraulics and Ship Model of Yichang Yangtze River Bridge on Yichang-Wanzhou Railway［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2003.（in Chinese） ）

Influences on Navigation Conditions of Yichang Yangtze River Bridge on Yichang-Wanzhou Railway

XU Hui
（China Railway Fourth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China）

To minimize the adverse impact of bridge construction on the navigation in bridge area，two bridge sites to be selected for Yichang Yangtze River Bridge are compared in the first place，and the impacts of different bridge types on the channel in the bridge area are studied by real ship test and navigation hydraulics and ship model test.The study manifested that for both the sites，flow regime change caused by bridge construction only happens near the bridge pier and in the downstream area of the bridge pier；while the water level rises only in a short distance of the upper reaches（the free-surface increment at 150 m upstream of the bridge is0.1 m，yet with no obvious change downstream before and after the bridge construction）.Finally，comprehensive analysis showed that the optimized No.2 bridge site scheme is more appropriate.The study provides scientific basis for the design of this project，and serves as a reference for the construction of other large cross-river bridges as well.

Yichang-Wanzhou railway；Yichang Yangtze River bridge；navigation

U443.22

A

1001－5485（2011）06－0035－04

2011-04-22

許 輝（1958-），女，江蘇江陰人，高級(jí)工程師，主要從事橋梁、隧道工程前期涉水工作研究，（電話）13971222733（電子信箱）tsyglxh＠foxmail.com。

（編輯：周曉雁）