長江菜園壩橋群河段通航條件試驗(yàn)

趙志舟，陳明棟，林 巧，陳 明，蔡汝哲

(重慶交通大學(xué)，重慶400074)

有的通航河流在距離已建橋梁較近處再建橋梁，與單座橋梁礙航相比，兩座及以上橋梁組成的橋群對(duì)通航安全影響更大［1］。因此橋梁建設(shè)時(shí)控制橋梁間距與橋跨布置是保護(hù)航道資源、降低船撞等安全隱患的重要工作之一，有必要對(duì)橋群河段的通航條件、橋群的選址與橋跨布置進(jìn)行深入研究［2］。重慶主城區(qū)菜園壩河段建有多座跨江大橋，橋址河段彎曲分汊，通航環(huán)境復(fù)雜，筆者通過模型試驗(yàn)，分析菜園壩橋群建設(shè)對(duì)該河段通航環(huán)境的影響，并提出相應(yīng)的通航安全保障措施。

1 河段概況

1.1 河勢(shì)特征

該河段為典型的彎曲分汊型河道(圖1)，中枯水期河道主流經(jīng)螃街子過九口缸逐漸右彎，此時(shí)江面較為狹窄，謝家磧彎頂處河寬僅200 m左右。謝家磧彎頂下游河道展寬，河心珊瑚壩江心洲長約1 900 m、寬約800 m，壩面高程164～179 m;中枯水期將河道分成南北兩槽:南槽較深，為主航槽;北岸副槽床面較高，在流量為8 000 m3/s左右過流，全年均不通航。菜園壩橋軸線處洪、枯水期江面寬度分別約975 m和380 m。下游南紀(jì)門—朝天門兩江匯合口為一反向微彎河段，左右兩岸均修建了濱江路，河岸規(guī)順，河寬300～600 m，彎道曲率半徑約2 500 m。該河段磧壩、石梁眾多，自重慶長江大橋起，右岸分布有珍珠磧、老鸛磧大邊灘，雞翅膀、筆架石、塔子梁、野貓石和夫歸石等眾多石盤石梁;左岸在珊瑚壩尾有龍磧子石盤，以下有豬兒磧、月亮磧邊灘。

圖1 重慶菜園壩河段河勢(shì)Fig.1 Sketch of the Caiyuanba reach in Yangtze River

1.2 橋梁布置

菜園壩長江大橋與上游鵝公巖大橋相距3.8 km，與下游重慶長江大橋間距僅1.2 km左右。復(fù)線橋與原長江大橋并列而建，兩橋中心距25 m，凈距5 m。在建東水門長江大橋位于交匯口上游1.2 km。菜園壩長江大橋?yàn)橹谐惺絼倶?gòu)鋼箱系桿拱組合結(jié)構(gòu)，主要跨徑為(88+102+420+102+88)m，主通航孔跨徑為420 m，凈寬約為393 m。重慶長江大橋采用雙孔單向通航型式，橋型為帶掛梁預(yù)應(yīng)力混凝土T型剛構(gòu)橋，跨徑為(86.5+4×138+156+174+104.5)m，橋墩編號(hào)從北岸至南岸依次為1～9#，6#主墩直立河心。復(fù)線橋大橋正橋總體橋跨與舊橋一致，除6#墩外，其余橋墩與舊橋一一對(duì)應(yīng)。

1.3 水文、泥沙

研究河段位于長江嘉陵江交匯口上游，朝天門下游約6 km處為長江寸灘水文站，其多年平均水量3 513億m3，其中上游干流和嘉陵江水量占79.8%和20.2%;懸移質(zhì)多年平均輸沙量為4.61億噸，平均含沙量為1.31 kg/m3，干流和嘉陵江輸沙量分別占 67.7%和 32.3%。

嘉陵江和長江的枯水期基本相同，兩江徑流量集中在汛期，汛期水位陡漲陡落。天然情況下嘉陵江與長江匯流比對(duì)交匯河口水位有明顯影響［3］。受三峽工程影響，研究河段水沙條件發(fā)生明顯變化，其運(yùn)行方式也影響交匯河口水位［4］，由于三峽水庫處于175 m試驗(yàn)蓄水階段，其影響有待繼續(xù)觀測(cè)分析。

2 河床演變

汛期沖沱淤灘，中低水時(shí)則刷灘淤槽。一般年份由此種原因引起的淤厚約0.3～1 m，最厚可達(dá)3 m，多年沖淤基本平衡［5］。

珊瑚壩河段1979年、2007年的河床橫斷面變化表明，謝家磧尾河床無明顯變化，菜園壩大橋16#主墩下方有淤積體，珊瑚壩頭—石板坡大橋上游右側(cè)磧翅高程有明顯降低。

三峽水庫按175 m方案運(yùn)行后，汛后水庫提前至10月份蓄水，破壞了天然河道的走沙期，使該河段汛期淤落的泥沙汛后得不到完全沖刷，從而出現(xiàn)累計(jì)性泥沙淤積，淤積較為嚴(yán)重的部位為橋址上游的黃沙磧、謝家磧和下游珊瑚壩尾部［6］。

3 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)流量

3.1 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)為1∶150正態(tài)模型。模型范圍長江鵝公巖大橋—大佛寺大橋全長約15 km，嘉陵江大溪溝—朝天門石門全長約2.4 km。

根據(jù)現(xiàn)行船隊(duì)調(diào)查，單船雖1 500～3 000 t船數(shù)量較多，但大型化發(fā)展趨勢(shì)明顯，3 000～5 000 t船型發(fā)展?jié)摿薮?，船撞?dǎo)致的破壞性也較大;船隊(duì)的大型化發(fā)展還將經(jīng)歷較漫長的過程，但是因尺度較大，且較單體貨船和集裝箱的船速慢，船舶的操縱性能較差，撞擊幾率較大。由此，選擇了2 640 HP+2×1 000 t甲板駁頂推船隊(duì)作為代表船型。

船模按代表船型按比尺1∶150縮制，上水航速為5 m/s、下水航速為4 m/s、舵角為左35°～右35°無級(jí)比例操舵。

3.2 試驗(yàn)工況與流量

三峽正常運(yùn)行階段，蓄水期研究河段水位壅高，改善了橋群通航條件，因此選擇通航條件相對(duì)較差的消落期研究橋區(qū)河段的通航條件，6級(jí)試驗(yàn)流量組合見表1。

表1 試驗(yàn)流量組合Table 1 Test discharge and control parameters

4 建橋前后的通航條件分析

4.1 建橋前的通航條件

1)中枯水期流量時(shí)橋群河段航道窄、彎、淺，主航道流速大，流態(tài)紊亂，船舶上下行時(shí)舵角、漂角較大，上行最小航速較小，航行難度較大。

上行阻力較大的區(qū)域是黃桷渡—儲(chǔ)奇門段下游段、牛頭溪—白鶴梁掃彎段，Q=10 000 m3/s時(shí)上行航線阻力相對(duì)較大，牛頭溪—白鶴梁段最大流速2.93 m/s，相應(yīng)比降1.22‰;黃桷渡—儲(chǔ)奇門段最大流速 3.07 m/s，相應(yīng)比降 0.54‰。

中枯水期流態(tài)紊亂，左岸珊瑚壩腦部有出水，壩翅外有斜流，其下有夾堰和回流;右岸蘇家壩至白鶴梁水流掃彎，王爺廟有出水。Q=10 000 m3/s時(shí)上、下行最大舵角分別為18.35°和 14.30°，上行最小航速為 1.21 m/s。

2)中洪水期通航條件優(yōu)于枯水期。但遭遇出現(xiàn)頻率不大的嘉陵江頂托作用相對(duì)較弱的流量組合Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=10)時(shí)，航行難度增大，黃桷渡附近最大流速達(dá)3.53 m/s，相應(yīng)比降0.54‰。

隨著中洪水流量的增加，珊瑚壩逐漸淹沒，水流分散，北汊分流量增加，主流移向河心，南岸牛頭溪—王爺廟段主槽流速趨緩，隨水位上升夾堰泡漩逐漸減弱。王爺廟—龍磧子段航行阻力較大，長江主汛期常見流量Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=3.3)時(shí)謝家磧尾—牛頭溪段最大流速2.48 m/s，相應(yīng)比降0.21‰;王爺廟—龍磧子段最大流速達(dá)2.99 m/s，相應(yīng)比降0.44‰，此時(shí)上、下行最大舵角分別為14.16°和 13.46°，上行最小航速為 2.08 m/s。

4.2 橋群建成后的通航條件

4.2.1 石板坡長江大橋的影響

1)6#主墩附近產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)現(xiàn)象，兩側(cè)水流繞流下泄流速增大，Q=10 000 m3/s時(shí)增加約0.2 ～0.3 m/s。

2)通航凈寬尺度不足。論證表明，長江大橋及復(fù)線橋建庫前和建庫后應(yīng)滿足最小單向航寬上行143.3 m、下行 153.5 m，雙向航寬 290.2 m 要求［7］。但6#主墩直立于枯水河心，三峽水庫消落期通航條件接近天然情況，海關(guān)水位9 m以下時(shí)，5#和6#橋墩間通航寬度僅有92 m，6#和7#間下行橋孔通航凈寬約141 m，凈寬尺度不滿足要求。

與天然無橋情況相比，石板坡大橋修建后上下行航道變得狹窄、彎曲，枯水流量下船舶用舵更加頻繁，操舵幅度增大。如Q=10 000 m3/s時(shí)，建橋前后上行最大舵角分別為18.35°和21.05°，下行分別為14.30°和 20.02°，航道邊緣的安全距離小，下行船舶航速大于6 m/s，增加了船舶撞擊橋墩的機(jī)率。

4.2.2 長江大橋復(fù)線橋的影響

長江大橋復(fù)線橋由于與原長江大橋并列而建，主通航孔一跨過中枯水通航水域，對(duì)水流條件與船舶航行影響不大。復(fù)線橋若選擇與老橋同跨度、同墩位的方案，將形成“巷道效應(yīng)”橋，會(huì)減小船舶的水平通視角，增加駕駛員的心理壓力，且局部水流條件復(fù)雜，航行安全度降低。

4.2.3 菜園壩大橋的影響

菜園壩橋址右岸枯水河槽為各級(jí)流量下主流位置，中枯水期水流與橋軸線法線夾角大，水流紊亂，且為上水船舶過江位置，因此江心不宜建墩。

1)水流條件

Q=10 000 m3/s，Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=10)兩級(jí)流量組合下的流速分布見圖2，流場(chǎng)分布規(guī)律仍與天然情況相似。Q=10 000 m3/s時(shí)菜園壩橋16#主墩挑流，導(dǎo)致蘇家壩—白鶴梁段珊瑚壩翅斜流稍有所增強(qiáng)。3橋建成后Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=3.0)時(shí)，菜園壩大橋通航孔橋16#墩右下方寬約100 m、沿水流方向長度約200 m水域范圍流速約增大0.1 ～0.15 m/s，流向略右偏 2°～4°;復(fù)線橋上游200 m—石板坡大橋軸線下游300 m河段5#～6#通航孔上下游水域流速約減小0.05 m/s，6#～7#通航孔距6#墩30 m以外的近岸側(cè)水域流速增大約0.05 ～0.10 m/s，流向右偏約 1°～2°。

3橋建成后中洪水上水航線水流條件見表2，遭遇出現(xiàn)頻率不大Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=10)流量組合時(shí)航行阻力仍最大，黃桷渡—儲(chǔ)奇門段最大流速達(dá) 3.61 m/s，相應(yīng)比降 0.55‰。

表2 3橋建成后中洪水上水航線水流條件Table 2 Flow condition on the upstream navigation route after the three bridges completion

圖2 橋群建成后流速分布Fig.2 Flow field after the bridges completion

2)航線布置與航行難點(diǎn)

中枯水、中洪水流量下的參考航線布置見圖2。

①船舶通過石板坡長江大橋左右通航孔時(shí)需注意橋墩附近紊流流態(tài)對(duì)船舶航行的影響，在此不宜操大舵，需采用頻繁操小舵的方式克服流態(tài)對(duì)船舶航行的影響，保持航向的穩(wěn)定性。

②由于間距較近，下行船舶在通過菜園壩大橋后應(yīng)及時(shí)調(diào)整航向和船位，以便順利通過石板坡長江大橋橋區(qū)河段。

③枯水流量時(shí)橋群河段航道淺、窄、彎曲，流態(tài)紊亂，更須謹(jǐn)慎駕駛。菜園壩大橋主通航橋跨距為270，320，370，和420 m時(shí)4種工況的船舶下行的最大舵角分別為 20.84°，20.19°，18.54°和 17.89°，跨距的減小將增加船舶調(diào)整航向和船位的難度。

4.3 通航安全保障措施

1)合理配布橋涵標(biāo)及橋柱燈，并根據(jù)水位變化及時(shí)調(diào)整，正確引導(dǎo)橋區(qū)航道。

2)建議在該橋群河段安裝CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)，既可以為海事部門監(jiān)管橋區(qū)水域服務(wù)，也有利于航道部門對(duì)航標(biāo)設(shè)施的監(jiān)控［8］。

3)船舶失去動(dòng)力后的漂移、船撞模擬試驗(yàn)表明，船舶撞擊菜園壩16#墩或引橋、石板坡大橋6#墩、東水門大橋南岸主墩的幾率較大。此外，航道內(nèi)、沿岸港口碼頭船舶密布，失控后的船舶容易發(fā)生嚴(yán)重的海事事故，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。建議在本橋群河段設(shè)置大型應(yīng)急施救船舶，制定合理應(yīng)急預(yù)案措施，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事故。

5 結(jié)語

石板坡長江大橋?qū)蛉汉佣蔚耐ê綏l件的影響相對(duì)最大，航道變得狹窄、彎曲，通航凈寬尺度不足，橋群河段的通航條件較差;菜園壩大橋主通航孔雖然一跨過通航水域，但與石板坡間距較近，下行船舶在通過菜園壩大橋后應(yīng)及時(shí)調(diào)整航向和船位，并采取適宜的通航安全保障措施。

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