九圩港閘閘下興建橋梁工程模型試驗研究

楊程生，龍志勇

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

九圩港閘閘下興建橋梁工程模型試驗研究

楊程生，龍志勇

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

九圩港閘下新建橋梁工程，不能單獨(dú)從泥沙問題來考慮其影響，還應(yīng)考慮工程后對九圩港閘引、排水功能以及對閘上已有橋梁工程的影響。通過物理模型試驗研究將較好地解決相關(guān)難題，為工程決策、設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，橋梁工程方案實(shí)施后潮位最大壅高 0.028m，對流速影響較大的范圍在橋軸線上下 100m 之內(nèi)，對九圩港閘引、排水流量的影響在3%以內(nèi)。

九圩港閘；橋梁工程；模型試驗；引水；排水；流量

九圩港閘是南通市引江灌溉兼顧排澇的骨干工程，位于長江北岸、南通市西郊、九圩港河河口，距長江邊 1.3 km。南通市長江北路西延工程是城市快速路網(wǎng)“一軸一環(huán)八射”中的一射，是沿江快速通道的重要組成部分，是城市對外出入口以及沿江產(chǎn)業(yè)與港口對外運(yùn)輸重要通道，它的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)城市西進(jìn)的快速化，完善南通市區(qū)西部的交通路網(wǎng)，對城市的發(fā)展具有重要的意義。而跨越九圩港的橋梁通道工程為本工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)?？缭骄袍赘弁ǖ拦こ掏扑]方案為中線方案，中線工程方案位于九圩港閘下游，距離九圩港閘250m 左右，距離閘上老城港路橋 680m。目前，國內(nèi)學(xué)者對于閘下的研究主要集中在閘下的泥沙沖淤問題，如竇國仁對射陽河閘下淤積[1]、王宏江對泥質(zhì)河口閘下沖淤特性及沖淤量的分析預(yù)報進(jìn)行了 研究[2]， 史斌[3-4]和韓 海騫[5]分別對 曹娥 江 樞紐閘下沖刷進(jìn)行了試驗研究，此外徐群等[6]研究了射陽閘閘下電廠碼頭和取水工程淤積問題。國內(nèi)對于閘下建設(shè)橋梁工程的研究比較少見。九圩港閘下新建橋梁工程，考慮到九圩港閘的功能，不能單純的從泥沙問題來考慮，需考慮橋梁建成后對九圩港閘引、排水的影響，同時還應(yīng)確定對閘上老城港路橋的有無影響。因此，通過物理模型試驗研究將從定性和定量上來解決上述問題，為相關(guān)部門決策、設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 九圩港基本情況

南通九圩港閘位于長江北岸、南通市西郊、九圩港河河口，距長江邊 1.3 km，是南通地區(qū)的第一大閘，見圖1。九圩港閘設(shè)計渠首泡田期灌溉平均流量 92m3/s，是一座以引江灌溉為主，兼顧排澇用途的大型水工建筑物。南通九圩港閘承擔(dān)著如東縣全部及南通市郊、海安、如皋、通州等市 （縣） 部分地區(qū)的 2 300 km2（345 萬畝） 農(nóng)田引江灌溉；排澇受益面積范圍 697 km2。

建筑物的主要結(jié)構(gòu)：閘身為鋼筋混凝土，共分 40 孔，每孔凈寬 5.00m，總凈寬 200.00m，連同閘墩總寬 236.55m。底板高程-2.00m （廢黃河零點(diǎn)），胸墻底高程為 3.30m，頂高程 7.20m。閘上下游均設(shè)有消力塘，上游消力塘底高程為-2.40m，順?biāo)鞣较蜷L度為 15.50m；下游消力塘底 高程 為 -2.60 m， 順 水 流 方 向 長 度 為 15.50 m；消力塘末端有消力坎，坎頂高程-2.00m，坎寬2.00 m。上下游塊石護(hù)坦順?biāo)鞣较蜷L度均為45.00m，下接防沖槽，槽頂高程-4.40m，干砌塊石厚度 1.1m，槽寬 6.50m，再往下約 20.00m 逐漸與河底相接，至河底-2.00m 高程。

設(shè)計最大引水流量為 1 540m3/s，實(shí)際最大引水流量 1 560m3/s；設(shè)計最大排水流量 1 900m3/s，實(shí)際最大排水流量 1 350m3/s 。

圖1 九圩港閘附近 2012 年 11 月河勢圖Fig.1 The river regime near the Jiuw eigang bar riers in Nov.2012

九圩港下游港道為入江口門，其演變受長江潮流的影響一般呈淤積狀態(tài)。但由于九圩港閘引排使用時間較多，對九圩港上、下游港道維護(hù)起一定的積極作用。下游港道斷面總體變幅較小，呈微淤狀態(tài)，年淤積量 0.4 萬 m3。

2 中線橋位工程方案

中線工程方案距離長江約 1.0 km，距離九圩港閘 250m 左右，距閘上老城港路橋約 680m，由入江口門側(cè)穿越九圩港；中線橋位涉水橋墩墩型結(jié)構(gòu)型式一致，承臺厚度 2.5 m，樁徑1.5 m，單墩承臺長度 10m，寬度 6.25m （圖 2）。

3 物理模型概述

根據(jù)橋位區(qū)河床變化、研究內(nèi)容以及試驗場地條 件， 確定 九圩 港通道 工程 模型 為 正態(tài) 模型[7]，即模型的水平比尺和垂直比尺相等：λL=λH=40。模型長 60m，寬 10m，上、下游邊界分別在九圩港閘中心線上游 900m、下游 1 300m 處，閘上游端尾門設(shè)置1臺大功率的往復(fù)流泵；下游端設(shè)置旋轉(zhuǎn)式翻板尾門，通過自動執(zhí)行潮位過程和流量過程的計算機(jī)控制生潮系統(tǒng)和進(jìn)出流系統(tǒng)，在模型內(nèi)形成往復(fù)漲落水流，模型的外緣為回水通道，與水庫連通構(gòu)成進(jìn)出水循環(huán)回路。目前，國內(nèi)大部分學(xué)者針對河口閘下淤積問題，建立二維[8]、三維[9]數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究 ，模型范圍不包括閘上 河段。而本次物理模型研究范圍包括閘上一定長度的河道，模型布置見圖3。擬建工程的影響主要發(fā)生在九圩港閘引、排水期間，模型驗證時主要考慮引、排水時段內(nèi)的潮位及流量相似，有關(guān)物理模型設(shè)計、模型布置、驗證試驗及控制邊界參數(shù)見文獻(xiàn) [10] 。

4 試驗水文條件及測點(diǎn)布置

橋梁工程建設(shè)后的影響主要發(fā)生在九圩港閘引、排水期間。歷史上九圩港閘最大排水量發(fā)生在 1969 年 7 月 7 日，排水量為 1 350m3/s，對應(yīng)天生港最高潮位為 2.43m，最低潮位為 0.61m，最大引水量發(fā)生在 1973 年 7 月 3 日，引水量為1 560m3/s，對應(yīng)天生港最高潮位為 3.70m，最低潮位為 0.72m。考慮到工程建設(shè)后最不利情況，以及模型的可操作性，模型試驗只選取最大引、排水時間段進(jìn)行工程方案試驗研究。上、下游尾門邊界控制水文條件見圖 4～圖 7。試驗時布置了6個臨時水位站及4個測流斷面，水位站及流速測點(diǎn)布置見圖8。

圖2 中線橋位橋型及橋墩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 M idline location bridge typeand pier structure

圖3 九圩港通道物理模型布置示意圖Fig.3 Physicalmodelarrangementof the port channels

5 試驗研究成果

5.1 潮位變化

圖4 最大排水時天生港潮位過程Fig.4 Tidalprocessof Tiansheng Port at themaximum d rainage

圖5 九圩港閘最大排水時流量過程Fig.5 Flow processof Jiuweigang barriersat themaximum drainage

圖6 最大引水時天生港潮位過程Fig.6 Tidalprocessof Tiansheng Por tat them aximum diversion

圖7 九圩港閘最大引水時流量過程Fig.7 Flow processof Jiuweigang barriersat the maximum d iversion

圖8 試驗測點(diǎn)及水位站布置圖Fig.8 Arrangementof testmeasure pointsand gauging stations

由試驗成果可知，排水時橋上游潮位壅高，下游潮位降低，引水反之。排水量最大時潮位壅高約 0.028m，最高潮位壅高約 0.005m，平均壅高不超過 0.012m；大橋下游排水量最大時潮位降低約 0.031m，最高潮位時降低 0.004m 左右，平均降低不超過 0.013m。距大橋上游較遠(yuǎn)處的 1 號測站基本沒有影響，對下游6號測站潮位略有影響，平均排水量時潮位降低不超過 0.005m。九圩港閘引水時大橋上、下游潮位變化小于排水，這是由于引水時潮位較高，工程后對潮位的影響相對較小，排水時潮位較低，工程后對潮位影響相對較大，見表 1、表 2。

表1 排水時工程前后潮位變化Table1 The tidal changeatwater drainagebefore and after the engineering m

5.2 流速變化

由試驗資料可知，當(dāng)九圩港閘排水時，工程前后橋上游的2號斷面平均流速和最大流速變幅在 10%左右，1號斷面一般小于 5%；3號斷面平均流速最大變幅 12%左右，最大流速減小9.4%，對 4 號斷面流速影響在 5%左右。當(dāng)九圩港閘引水時橋上游的1號斷面平均流速和最大流速影響小于 5%，2號斷面小于 10%；3號斷面平均流速和最大流速影響在 10%左右，4號斷面最大影響在5%左右。引水時中線方案上、下游流速影響小于排水情況，各測流斷面流速變化較大的測點(diǎn)變化情況見表 3和表 4，最大流速變化情況見圖 9 和圖 10。

表2 引水時工程前后潮位變化Table2 The tidalchangeatwater diversion beforeand after the engineeringm

表3 工程前后排水時平均流速和最大流速變化Table 3 Changesof themean andm axim um flow velocity atwater d rainage m·s-1

由上述分析可知，涉水橋梁工程上、下游100m 范圍內(nèi)對流速影響程度在 10%左右，200m以外對流速影響小于5%。

5.3 流量變化

中線方案實(shí)施后九圩港排水時平均和最大流量減小3%以內(nèi)，引水時流量減小2%以內(nèi)。雖然工程后引水流量減小幅度大于排水，但由于引水時潮位較高，工程后對引水時的影響小于排水。見表 5、表 6。

表4 工程前后引水時平均流速和最大流速變化Table4 Changesof themean andmaximum flow velocity atwater diversion m·s-1

圖9 排水時工程前后各測點(diǎn)最大流速變化Fig.9 Changesofmaximum flow velocity in eachm easure pointatwater drainage

圖10 引水時工程前后各測點(diǎn)最大流速變化Fig.10 Changesofmaximum flow velocity in each measure pointatwater diversion

表5 中線方案排水時流量變化Table 5 Flow changesatw ater drainage form id line location scheme m3·s-1

表6 中線方案引水時流量變化Table6 Flow changesatwater diversion form idline location schem e m3·s-1

6 結(jié)語

1） 中 線 橋 梁 方 案 實(shí) 施 后 潮 位 最 大 壅 高0.028 m， 對 流速 影響較 大的 范圍 在橋軸線 上下100m 之內(nèi)，對九圩港閘引、排水流量的影響在3%以內(nèi)。工程后對排水的影響稍大于引水，同時對閘上城港路橋基本無影響。

2） 通過對九圩港閘下新建橋梁工程的研究，為今后類似工程提供了較好的借鑒作用。

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Study on the physicalmodel of bridge construction downstream Jiuweigang barriers

YANGCheng-sheng，LONGZhi-yong
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210029，China）

The study on the bridge construction downstream Jiuweigang barriers includes the sediment-related issues，and the effectson the barriers diversion and drainage，aswellas the exiting upstream bridge construction after the project imp lementation should be considered.The related problemswill be solved by the present physicalmodel，and the scientific basiswill be provided for the project policy decision and design.The results show that， after the implement of the bridge beams scheme，themaximum backwater isabout0.028m； themajor influence region iswithin the rangeof100m up and down thebridgeaxis； the later engineering influence on the diversion and drainage discharge iswithin 3%.

Jiuweigang barriers； bridge construction； physicalmodel； diversion； drainage； discharge

TV148

A

1003-3688（2014）02-0045-06

10.7640/zggw js201402009

2013-06-21

楊程生 （1982 — ），男，安徽懷寧人，工程師，主要從事工程泥沙問題研究。E-mail： csyang04@163.com