滬通長江大橋橋墩布設(shè)水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

杜德軍，夏云峰，聞云呈，王曉俊

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024）

滬通長江大橋橋墩布設(shè)水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

杜德軍1，2，3，夏云峰1，2，3，聞云呈1，2，3，王曉俊1，2，3

（1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024）

滬通長江大橋橫跨長江河口段的南通水道和天生港水道，該河段收徑流和潮流共同作用，水流條件復(fù)雜。采用物理模型研究了工程河段水流特性，并重點(diǎn)分析了橋位斷面流速、流向及單寬流量等。研究表明：橋位斷面最大流速出現(xiàn)在南主墩所在的主槽附近，上游流量越大、下游潮汐越強(qiáng)，橋位斷面處流速愈大；平常水文條件如98大洪水下條件下的水流不會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生大的不利影響。但如果出現(xiàn)100 a、300 a一遇極端水文條件，南主墩附近最大落潮、漲潮流速在3.7 m/s和1.3 m/s以上，在這種較強(qiáng)的雙向水流作用，南主墩處會(huì)出現(xiàn)較大局部沖刷，同時(shí)施工時(shí)巨型鋼圍堰受到的水流作用遠(yuǎn)較橋墩要大，這對(duì)橋墩布設(shè)及其防護(hù)、施工圍堰的設(shè)計(jì)和圍堰安全提出了很高的要求。

流速分布；單寬流量；橋軸線；長江河口段；模型試驗(yàn)；滬通長江大橋

滬通長江大橋位于澄通河段十三圩港附近、錫澄高速預(yù)留橋位處，上距江陰長江大橋約45 km，下距蘇通長江大橋約40 km，是滬通鐵路及連接南通—蘇州—嘉興的通蘇嘉城際鐵路的控制性工程。采用公鐵合建，總長11.3 km，主跨1 092 m，主塔高353 m，主墩尺寸為42 m×68.4 m，主墩施工鋼圍堰尺寸為60 m×90 m，相當(dāng)于1個(gè)足球場大小，建成后將是世界上最大跨度和首座主跨超千米的公鐵兩用斜拉橋［1］。本河段地處長江河口段，受徑流及潮汐共同作用，水流復(fù)雜，本文通過多種水文條件來研究大橋附近的水動(dòng)力特性，從流速、流向和單寬流量等水動(dòng)力特性進(jìn)行深入研究，為橋墩布設(shè)及其防護(hù)、施工圍堰的設(shè)計(jì)和圍堰安全等提供參考。

1 河道及水文泥沙條件

1.1 河道概況

工程地處如皋沙群段下段，橫跨南通水道、橫港沙和天生港水道，其上游為福姜沙河段，下游為通州沙河段。

上游福姜沙汊道上起江陰，下至護(hù)漕港，為穩(wěn)定性較好的雙分汊河道，左汊順直為主汊，長約11 km，分流比約80%，右汊福南水道為鵝頭型彎道，長約16 km，分流比約為20%。至護(hù)漕港附近由雙澗沙分為福北和福中水道。

如皋沙群段上起護(hù)漕港，下至十二圩，為多分汊河道。河道內(nèi)沙洲羅列，目前分布有雙澗沙、民主沙、長青沙、泓北沙及橫港沙。其中雙澗沙及民主沙將河道分為兩汊：如皋中汊及瀏海沙水道上段，兩股水流匯合后進(jìn)入瀏海沙水道下段。如皋中汊為左汊，長約10 km，分流比為30%左右，右汊瀏海沙水道為主汊，分流比約為70%。如皋中汊水流至老海壩下側(cè)九龍港一帶匯入瀏海沙水道。其后長江主流緊貼南岸，經(jīng)九龍港至十二圩港，脫離南岸過渡到南通姚港至任港一帶，主流緊貼左岸順南通水道下泄。

而另外三個(gè)沙體——長青沙、泓北沙及橫港沙已連為一體，其南側(cè)為長江主槽瀏海沙水道下段和南通水道，落潮分流比可達(dá)99%，漲潮分流比約98%。北側(cè)為靠漲潮流維持的支汊——天生港水道，上口接如皋中汊，下口在通呂運(yùn)河附近，長度約26.2 km；落潮分流比一般不到1%，漲潮分流比可達(dá)2%。天生港水道下段為本工程所在區(qū)域，左岸為固定邊界，右側(cè)為橫港沙邊灘，該段水道河勢順直，漲、落潮流動(dòng)力相當(dāng)，河床形態(tài)穩(wěn)定均勻［2］。

通州沙河段上起十三圩，下至徐六涇，全長約39 km，進(jìn)出口河寬相對(duì)較窄，中間放寬，最寬約10 km，為暗沙型多分汊河道，進(jìn)口段長江被通州沙分為東、西水道，東水道是主流通道，分流比約90%，江中通州沙、狼山沙及新開沙等沙體發(fā)育。其中主槽南通水道上起十二圩，下至龍爪巖。

圖1 澄通河段河勢圖Fig.1 River regime of Chengtong reach

圖2 滬通大橋斷面及橋墩布置示意圖Fig.2 Sketch of Shanghai-Nantong bridge section and piers layout

1.2 水文條件

1.2.1 徑流

據(jù)工程上游460 km的大通站1950～2011年來流資料統(tǒng)計(jì)，歷年最大流量92 600 m3/s；歷年最小流量4 620 m3/s。每年5～10月為汛期，徑流量占全年徑流總量的70.73%。多年平均流量為28 200 m3/s；2003年三峽水庫蓄水前，年平均流量約28 620 m3/s；年徑流量9 025億m3；三峽蓄水后，年平均流量約26 010 m3/s；年徑流量8 200億m3，均較蓄水前有所減小。

1.2.2 潮汐

長江口為中等強(qiáng)度的潮汐河口，屬非正規(guī)半日潮。工程河段處于長江河口段，落潮流為塑造河床的主要?jiǎng)恿?，潮流運(yùn)動(dòng)總體呈現(xiàn)往復(fù)流特性。據(jù)天生港站1985～2008年潮位資料統(tǒng)計(jì)，最大、最小潮差為4.01 m 和0 m（85國家高程，下同），平均潮差1.92 m。

2 水動(dòng)力影響研究

2.1 工程概況

大橋位于長江澄通河段南通水道上段錫通公路過江通道處，北接南通、南連張家港，橫跨天生港水道、橫港沙和南通水道［3］（圖3）。采用鐵路四線、公路六車道的公鐵合建方案，總長11.3 km。主航道橋采用主跨為1 092 m的兩塔五跨斜拉橋方案［1］（見圖2）。

2.2 模型概況和試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在已有的長江河口段模型中進(jìn)行，上起江陰水道天生港，下至長江南支吳淞口。模型水平比尺為655，垂直比尺100，長近300 m，建于2005年，經(jīng)過多次驗(yàn)證。本次試驗(yàn)前，根據(jù)最新實(shí)測的地形及水文資料對(duì)模型進(jìn)行了更新和驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果滿足有關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求。

為研究滬通長江大橋?qū)嵤┖蟮乃畡?dòng)力特性，結(jié)合以前研究經(jīng)驗(yàn)［4］，在前期河床演變分析和水文分析等研究的基礎(chǔ)上［3］，選用8個(gè)試驗(yàn)水文條件進(jìn)行研究：

①～③：洪季大潮、枯季大潮和平均流量大潮：上游流量分別采用平均洪季流量57 500 m3/s、枯季流量16 500 m3/s和多年平均流量28 500 m3/s，下游控制站潮型選用相應(yīng)流量下潮差達(dá)到85%累計(jì)頻率潮差的實(shí)測大潮潮位過程，代表本河段平常水情條件；

④～⑤：97風(fēng)暴潮和98洪水大潮：上游流量分別采用1997年8月實(shí)測天文大潮時(shí)實(shí)測流量45 500 m3/s和1998年8月大洪水期實(shí)測流量82 300 m3/s，下游邊界采用同期實(shí)測的大潮潮位過程作為控制條件，代表本河段風(fēng)暴潮條件和大洪水條件；

⑥～⑧：20 a、100 a和300 a一遇水文條件：根據(jù)頻率分析，20 a一遇水文條件下上游流量為85 000 m3/s，而100 a和300 a一遇水文條件的上游流量采用長江下游防洪設(shè)計(jì)最大流量100 400 m3/s。下游邊界的控制潮型曲線則利用實(shí)測潮位進(jìn)行頻率計(jì)算分析，根據(jù)不同頻率潮差、平均潮位、漲落潮歷時(shí)三要素確定，代表本河段極端水文條件。

所選水文條件，涵蓋了本河段平常水情條件、實(shí)測風(fēng)暴條件、大洪水條件和基于頻率分析而來的極端水文情況，代表了本河段各種水情條件，可以進(jìn)行本工程的水動(dòng)力特性研究。

2.3 建橋前后工程附近水流概況

工程地處橫港沙，其南側(cè)為瀏海沙水道與通州沙東西水道交匯處，北側(cè)為以漲潮流為主天生港水道。工程區(qū)在徑流和潮流雙重影響下，水流運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。

由于受水流慣性的影響，邊灘漲落潮出現(xiàn)時(shí)間均早于主槽。漲潮初期，沿岸潮位抬高，橫港沙灘面及天生港水道水流先行起漲，而此時(shí)主槽水流受慣性影響仍處于落潮期。隨漲潮流漸強(qiáng)，主流區(qū)鄰近橫港沙側(cè)的部分逐漸轉(zhuǎn)漲，繼而整個(gè)水道全面轉(zhuǎn)漲。在九圩港附近，進(jìn)入橫港沙的漲潮流一部分繼續(xù)隨天生港水道的漲潮流繼續(xù)上溯，一部分則逐漸南偏，不斷匯入瀏海沙主槽，往上游南偏趨勢愈加明顯。漲潮流在東沙附近分流，東沙北側(cè)水流進(jìn)入天生港水道，南側(cè)水流南偏進(jìn)入瀏海沙水道，南偏的水流在橫港沙上形成明顯的越灘水流（圖3）。

圖3 工程區(qū)漲潮流態(tài)圖（枯季大潮）Fig.3 Flow pattern of project area（dry season spring tide）

圖4 建橋前后橋位斷面最大落潮流速分布變化Fig.4 Change of the biggest ebb velocity distribution before and after project at cross section of bridge site

表1 橋位斷面表面漲潮最大流速及其流向統(tǒng)計(jì)Tab.1 The maximum velocity and direction of flood tide at cross section of bridge site

橫港沙灘地上的落潮水流較漲潮水流要弱。落潮時(shí)，還是邊灘和天生港水道先行轉(zhuǎn)落。瀏海沙水道為落潮主通道，落潮與漲潮時(shí)略有差別，分流至橫港沙灘面的水流較少，這也使得落潮期橫港沙灘面上的落潮流較弱。橫港沙灘面北側(cè)天生港水道，是以漲潮流為主的通道，落潮流分流比小于漲潮流分流比，相較漲潮流，落潮流較弱。在西界港附近，瀏海沙水道的部分落潮流進(jìn)入通州沙西水道，主流則在天生港—南通港一帶接納天生港水道的落潮流后流入通州沙東水道。

2.4 建橋后橋位斷面流速及流向變化分析

平均流量大潮和20 a一遇水文條件下斷面落潮最大流速分布見圖4，建橋前后橋位斷面表面漲潮最大流速及其流向統(tǒng)計(jì)見表1，落潮最大流速及其流向統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 橋位斷面表面落潮最大流速及其流向統(tǒng)計(jì)Tab.2 The maximum velocity and direction of ebb tide at cross section of bridge site

圖5 建橋后橋位斷面各水文條件下流速分布Fig.5 Velocity distribution of different hydrological conditions after project at cross section of bridge site

由圖可見，建橋前后，斷面最大流速分布沒有明顯變化，即建橋后主流位置變化不明顯。但斷面中流速大小及水流方向有不同的變化。在橋位斷面處，北側(cè)天生港水道漲潮最大流速為1.86 m/s（97風(fēng)暴潮），各水文條件下，水流偏角在8°～16°間；南側(cè)主槽南通水道，漲潮最大流速位于主通航孔南側(cè)，主通航孔右側(cè)附近最大，達(dá)1.75 m/s，主通航孔中水流總體偏北，偏角一般在10°內(nèi)。

落潮最大流速發(fā)生在300 a一遇水文條件時(shí)，達(dá)3.97 m/s，偏角8°。100 a一遇水文條件、20 a一遇水文條件、98洪水大潮、97風(fēng)暴潮、洪季大潮、平均流量大潮和枯季大潮的最大落潮流速依次減小，枯季大潮落潮最大流速同樣出現(xiàn)在主通航孔右側(cè)附近，為1.90 m/s。漲潮流向以主通航孔左側(cè)為界，北側(cè)偏南，南側(cè)偏北，主通航孔右側(cè)水流偏北3°～7°；落潮流同樣以主通航孔左側(cè)為界，不過，北側(cè)水流北偏，南側(cè)水流南偏，主通航孔右側(cè)附近水流偏南5°～8°。

在主通航孔附近，建橋后，橋位斷面處各統(tǒng)計(jì)測點(diǎn)處落潮最大流速都有不同程度的增加，如斷面最大落潮流速由3.97 m/s增加到4.09 m/s（300 a一遇水文條件，主通航孔右側(cè)，圖5）。由于橋墩具有一定的導(dǎo)流作用，各落潮最大流速的流向與橋軸線法向的夾角減小1°～3°，北輔助通航孔、主通航孔左側(cè)、主通航孔中部、主通航孔右側(cè)和南輔助通航孔落潮偏角分別變?yōu)槠?°、偏北2、偏南2°、偏南6°和偏南8°內(nèi)。

在北側(cè)天生港水道通航孔附近，受橫港沙及其以北區(qū)域較為密集的橋墩阻流影響，建橋后漲潮最大流速有所減小，由1.86 m/s減小為1.81 m/s（97風(fēng)暴潮），偏角則由16°減小到13°。南側(cè)主槽中，由于跨度大，橋墩間距較遠(yuǎn)，建橋后漲潮最大流速有增加趨勢，最大流速由1.75 m/s增加到1.78 m/s，出現(xiàn)在枯季大潮的主通航孔右側(cè)附近。建橋后，漲潮水流的偏角減小1°～3°，主通航孔左側(cè)、主通航孔中部和主通航孔右側(cè)的漲潮偏角分別變?yōu)槠?°內(nèi)、7°內(nèi)和6°～9°間。

2.5 建橋后橋位斷面單寬流量變化

為分析建橋前后橋位斷面處單寬流量的變化，漲潮最大單寬流量統(tǒng)計(jì)見表3；落潮最大單寬流量統(tǒng)計(jì)見表4。圖6為部分水文條件建橋前后橋位斷面單寬流量比較。

由圖表可見，工程實(shí)施前，各水文條件下的漲、落潮最大單寬流量都出現(xiàn)在主通航孔間，大致在主通航孔中偏南的位置，該位置漲潮最大單寬流量在35 m3/s·m左右，落潮最大單寬流量以100 a一遇和300 a一遇水文條件較大，分別達(dá)84.9 m3/s·m和90.3 m3/s·m，其他水文條件下的落潮最大單寬流量在37～76 m3/s·m間。

工程實(shí)施后，由于橋墩對(duì)水流的擠壓作用，南側(cè)主通航孔以及天生港水道附近的漲潮最大單寬流量增加2%～8%，落潮單寬流量增加2%～5%；而橫港沙灘地附近由于橋墩的阻水作用較明顯，最大單寬流量流量減小。建橋后，漲潮最大單寬流量還是出現(xiàn)在主通航孔偏南水域，枯季大潮、平均流量大潮、97風(fēng)暴潮和300 a一遇水文條件下，漲潮最大單寬流量分別為36.2 m3/s·m、36.1 m3/s·m、36.3 m3/s·m和28.6 m3/s·m，增幅1.1～2.8 m3/s·m間；300 a一遇水文條件下落潮單寬流量還是最大，達(dá)92.0 m3/s·m，較建橋前略有增加?？梢姡蚝?，橋位斷面單寬流量大小有所改變，但主槽大于副槽、深槽大于灘地的單寬流量分布特征沒有變化。

圖6 建橋前后橋位斷面最大單寬流量比較Fig.6 Comparison of the largest unit discharge at cross section of bridge site

表3 滬通大橋橋位斷面建橋前后最大單寬流量比較（漲潮）Tab.3 Comparison of the largest unit discharge at cross section of Shanghai-Nantong bridge site（flood tide）m3/s·m

表4 滬通大橋橋位斷面建橋前后最大單寬流量比較（落潮）Tab.4 Comparison of the largest unit discharge at cross section of Shanghai-Nantong bridge site（ebb tide）m3/s·m

綜上分析可知，建橋前，各水文條件下的漲、落潮最大單寬流量都出現(xiàn)在主通航孔間，大致在主通航孔中偏南的位置。

建橋后，橋位斷面單寬流量大小有所改變，但分布沒有明顯變化。主通航孔以及天生港水道附近的漲潮最大單寬流量增幅1.1～2.8 m3/s·m間；落潮單寬流量還是300 a一遇水文條件下最大，建橋后達(dá)92.4 m3/s· m，較建橋前增加2.0 m3/s·m左右，增幅約2%。

2.6 建橋后水動(dòng)力影響范圍分析

大橋上游3 km處，流速有所減小，減小幅度最大在3 cm/s，上游3.5 km處流速變化在2 cm/s內(nèi)說明擬建大橋工程對(duì)上游水流的影響范圍大致為3.5 km；大橋下游3 km處斷面流速變化最大為3 cm/s，往下游，流速變化幅度逐漸減小，至5 km處，斷面流速變化在2 cm/s內(nèi)，說明擬建大橋工程對(duì)下游水流的影響范圍大致為5.0 km左右。

3 結(jié)論

滬通長江大橋的研究始于2006年，先后經(jīng)歷了蘇通長江大橋下游5 km方案、8 km方案和3 km方案的研究，最后考慮岸線綜合開發(fā)利用、河床演變等因素，確定在現(xiàn)有的跨南通水道—橫港沙—天生港水道的預(yù)留錫通通道方案。

研究表明，建橋后，主通航孔的漲、落潮水流與橋軸線法向的夾角由8°減小到5°內(nèi)，夾角有所減小，說明建橋后橋墩具有一定的導(dǎo)流作用；主通航孔中流速增加0.10～0.20 m/s，即使是98大洪水時(shí)，橋位斷面處最大流速約3 m/s，與蘇通長江大橋類似，不會(huì)對(duì)橋梁建設(shè)和運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

如果出現(xiàn)如100 a一遇的極端水文條件，南主墩附近為長江主鴻，水深達(dá)32 m，最大漲、落潮流速可達(dá)1.8 m/s和3.7 m/s，該區(qū)域并不是布置南主墩的理想位置。據(jù)此，有3方面值得重視，一是大橋預(yù)計(jì)工期達(dá)五年半，要經(jīng)歷6個(gè)洪水期［1］，而主墩和施工圍堰體量均較大，引起的局部沖刷不可避免，需采取相應(yīng)的防護(hù)措施；二是設(shè)計(jì)中，要充分考慮主墩附近可能出現(xiàn)的較大的落潮及漲潮水流雙向水流作用；三是施工過程中，巨型鋼圍堰受到的水流作用遠(yuǎn)較橋墩要大，要密切關(guān)注上游來水和下游的潮汐情況，以便采取必要的應(yīng)對(duì)措施。

［1］高宗余.滬通長江大橋主橋技術(shù)特點(diǎn)［J］.橋梁建設(shè)，2014，44（2）：1-5. GAO Z Y.Technical Characteristics of Main Bridge of Hutong Yangtze River Bridge［J］.Bridge Construction，2014，44（2）：1-5.

［2］杜德軍，張胡，夏云峰，等.滬通長江大橋工程河段河床演變及橋位比選［J］.人民長江，2014（7）：52-56. DU D J，ZHANG H，XIA Y F，et al.Riverbed evolution and bridge site selection of Hutong Yangtze River Bridge［J］.Yangtze River，2014（7）：52-56.

［3］裴金林，李靚亮，趙維陽，等.滬通鐵路長江大橋工程河段航道條件及橋墩布置方案［J］.水運(yùn)工程，2012（3）：108-114. PEI J L，LI L L，ZHAO W Y，et al.Shanghai-Nantong railway bridge channel condition and bridge pier arrangement［J］.Port&Waterway Engineering，2012（3）：108-114.

［4］張胡，李伯海，黎國森.黃岡公鐵兩用長江大橋橋位選擇及孔跨布置［J］.水道港口，2012，33（4）：310-314. ZHANG H，LI B H，LI G S.Selection of bridge site and span arrangement for Huanggang Bridge［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（4）：310-314.

Experimental study on hydrodynamic characteristics of layout of piers of Shanghai?Nantong Yangtze River Bridge

DU De?jun1,2,3,XIA Yun?feng1,2,3,WEN Yun?cheng1,2,3,WANG Xiao?jun1,2,3
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.State Key Laboratory of Hydrology?Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098,China;3.Key Lab of Port,Waterway and Sedimentation Engineering of the Ministry of Transportation and Communications,Nanjing 210024,China）

Shanghai-Nantong Yangtze River Bridge goes across Nantong waterway and Tianshenggang waterway in the reach of Yangtze River Estuary.Under co-action of runoffs and tidal currents,this reach is of complex flow conditions.Its flow characteristics were investigated by using physical model tests,and the flow velocity,flow direction and discharge per unit width were analyzed.The study shows that the maximum flow velocity of cross section at bridge site appears near the main channel where the south main pier is located.The larger the upstream discharge is,the stronger the downstream tidal current is,and the flow velocity at the cross section increases.Under normal hydrological conditions like"98 flood",the flows will not have large negative effects on the bridge.However, under the extreme hydrological conditions with return period of a-hundred-year or 3-hundred-year and flow velocity of ebb tide above 3.7 m/s and rising tide of above 1.3 m/s near the south main pier,large local scour will occur around the south main pier under the action of such intense bidirectional flows.The effect on heavy steel cofferdam of the flows is more than the pier during simultaneous construction.Accordingly,higher requirements to the layout and protection of piers and the design of cofferdam construction and the safety of cofferdam are needed.

velocity distribution;unit width flow;axis of bridge;Yangtze River Estuary;physical model test; Hutong Yangtze River Bridge

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）01-0012-06

2015-03-16；

：2015-07-29

江蘇省水利科技項(xiàng)目（2015004）

杜德軍(1970-)，男，湖南常德人，高級(jí)工程師，主要從事河口海岸泥沙研究工作。

Biography：DU De-jun（1970-），male，senior engineer.