嘉陵江大橋橋區(qū)河段通航水流條件試驗研究

徐啟航，田 進

（重慶交通大學，重慶 400074）

嘉陵江大橋橋區(qū)河段通航水流條件試驗研究

徐啟航，田 進

（重慶交通大學，重慶 400074）

以重慶市蔡家嘉陵江大橋橋區(qū)河段物理模型試驗為基礎(chǔ)，分析了橋區(qū)河段的河床演變，同時研究了橋梁間距、橋跨布置及主墩型式對橋區(qū)通航水流條件的影響。結(jié)果表明：從通航角度而言，橋梁通航孔跨度越大對通航安全影響越小，但橋跨過大則經(jīng)濟性差，結(jié)構(gòu)不安全，接線要求更高。在綜合考慮模型試驗、橋梁結(jié)構(gòu)要求和兩岸接線等因素的前提下，盡量加大橋梁跨度，保障橋區(qū)通航安全。

橋區(qū)河段；通航條件；模型試驗

1 河道概況

擬建蔡家嘉陵江大橋位于北碚區(qū)蔡家鎮(zhèn)和渝北區(qū)禮嘉鎮(zhèn)交界處（如圖1），下距嘉陵江河口32.7km。橋區(qū)河段平面呈“S”型。橋位上游2.5km為利灘，為枯水淺窄航道，右岸為一大磧壩——鍋肚磧，高程167.5m，枯水期露出水面，中水期淹沒，航道左側(cè)從上游至下游分布有大石盤、雞翅膀、門檻石、扁擔石、簸箕石、臥狗堆和斗篷石等大片礁石、巖盤，右岸鍋肚磧磧腦突入江中較多，造成該河段枯水航道窄、淺、彎、急，航行水流條件惡劣。橋位下游1.4km為徐家灘，為石質(zhì)枯水淺灘，該灘上游江面開闊，左岸為卵石磧壩，高程169m，中水以上為陡巖，右岸分布有大片礁石、石盤，水流條件較差，馬鞍石大橋通過該灘，行馬石位于河道中間，將航道分為兩槽，礁石間有暗礁分布，航道彎曲狹窄。

擬建橋位河段平面呈90°彎道，彎曲半徑1.5km，擬建大橋位于彎道頂點附近，橋位附近河道彎曲?？菟?，橋區(qū)河段兩岸岸線參差不齊，河道寬窄相間，河寬150～350m，洪水期，橋區(qū)河段河寬增至500～600m，岸線較為規(guī)則，河寬變化不大。目前，橋區(qū)河段兩岸均為自然河岸，河床組成主要為卵石或卵石夾沙，部分河段有基巖出露，河床組成較粗，河道的抗沖性強。

圖1 重慶蔡家大橋河段河勢

2 河床演變分析

三峽水庫正常蓄水后水庫按175m方案運行時，嘉陵江回水至北碚麻柳坪，工程河段處于水庫變動回水區(qū)，枯季為水庫特性，汛期為天然河道，該河段具有水庫和天然河道的雙重特性。三峽成庫后對河段沖淤改變較小，枯水期水流流速較天然情況有所降低，水流挾沙能力減弱，增加一定淤積；但汛期河段與天然情況基本一致，水流較大，枯水期淤積的泥沙大部分都被帶走，與天然情況的洪沖枯淤規(guī)律基本一致。

由于嘉陵江干流和支流近期修建了眾多水庫和航電樞紐攔沙，以及實施水土保持措施和沿江人工挖沙等原因，近期嘉陵江來沙明顯減少，20世紀90年代來沙量較60年代減少近80%。據(jù)三峽泥沙最新研究成果，由于近期嘉陵江來沙減少，三峽水庫變動回水區(qū)嘉陵江段的泥沙淤積大量減小，淤積速率也明顯減緩。隨著嘉陵江的全線渠化，來沙量將進一步減少?？梢灶A(yù)計，工程河段的泥沙淤積將更少。

井口樞紐工程（規(guī)劃，尚未開建）位于重慶市北碚區(qū)，是嘉陵江干流梯級開發(fā)的最后一級，井口樞紐建成后，擬建大橋位于井口庫區(qū)，距壩址10.7km，庫區(qū)正常蓄水位180.5m，死水位179.5m，橋區(qū)河段屬于常年回水區(qū)，水位常年179.5m以上，河面寬度大于400m，河段水流條件較成庫前有較大改善，水流平順，流速減緩，水流的挾沙能力也隨之減弱，河段將在一定時期內(nèi)呈累積性淤積趨勢，直至達到新的沖淤平衡。井口樞紐對工程河段的沖淤影響主要表現(xiàn)為呈一定的累積性淤積趨勢，但隨著嘉陵江上游梯級渠化的增加，上游來砂量將逐漸減少。總體說來，工程河段河床無明顯演變趨勢，河勢、河床將繼續(xù)保持長期穩(wěn)定。

3 模型設(shè)計與驗證

3.1 模型設(shè)計

橋區(qū)河段洪、枯主流有所擺動，為更好地模擬橋位附近的通航水流條件，上下游要有足夠長度的過渡段，以便橋區(qū)附近水流條件與原型水流條件相似，特別是橋位附近彎道水流條件的相似。

根據(jù)嘉陵江蔡家河段水沙運動特性、河床沖淤規(guī)律、試驗?zāi)繕思氨舅鶊龅?、設(shè)施等具體情況，確定大橋模型為平面比尺1∶100的正態(tài)模型。模型按重力相似準則進行設(shè)計，模型比尺。

3.2 模型驗證

模型瞬時水面線驗證主要是為了檢驗?zāi)Ｐ筒诼剩醋枇Γ┑南嗨瞥潭?，水面線驗證資料采用長江委上游局實測的Q=1820和23300m3/s枯、洪兩級流量的瞬時水面線。試驗結(jié)果表明，枯水Q=1820m3/s時，模型實測水位與原型實測水位差為-0.03～0.04m，洪水Q=23300m3/s時，模型實測水位與原型實測水位差-0.03～0.06m。由此可見，模型各驗證水尺水位與原型水位基本一致，達到了模型與原型水面線相似的要求。

根據(jù)實測的3級流量下橋區(qū)河段表流流速流向資料，模型對此進行了驗證，驗證試驗結(jié)果表明，模型流速分布規(guī)律和大小與原型基本一致，水流流向與原型較為吻合。模型瞬時水面線、表面流速分布、流態(tài)等與原型的相似性較好，滿足交通部JTJ/T 232—98《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求，能較好地復(fù)演橋區(qū)河段水流條件。

4 建橋?qū)νê剿鳁l件的影響

擬建蔡家大橋上游的蔡家軌道大橋和馬鞍石大橋通航孔主跨均為250m，考慮到擬建大橋地處彎道，橋軸線上游三倍船隊長度范圍內(nèi)的水流橫向流速大于0.8m/s，根據(jù)GBJ50139—2000《內(nèi)河通航標準》的規(guī)定，大橋主通航孔應(yīng)一孔跨過通航水域。考慮河型河勢、現(xiàn)狀維護寬度、船舶航跡范圍、航道發(fā)展需求等方面的因素，橋區(qū)河段通航水域?qū)挾?60m。據(jù)此，提出了主跨300m雙塔斜拉橋橋型方案，水中橋墩4個，分別為兩岸主墩和右岸兩個輔墩，橋型方案平面布置圖和立面圖分別如圖1和圖2。

圖1 橋墩平面布置

圖2 橋型立面設(shè)計

4.1 水位變化

建橋前后橋區(qū)河段水位變?nèi)绫?，擬建大橋按設(shè)計方案建設(shè)對橋區(qū)河段水位比化降影響較小。

表1 建橋?qū)λ坏挠绊?/p>

4.2 流速變化

從表2可以看出，流速變化的主要規(guī)律是主槽內(nèi)流速有所增加，而受橋墩掩蔽影響的區(qū)域流速減緩；建橋后，左岸上水航線上的流速變化不大，流速增加值一般小于0.1m/s，而洪水期受橋墩掩蔽影響則有所減小，流速變幅增大。

表2 建橋?qū)α魉俚挠绊?單位：m/s

4.3 失控船舶漂流試驗

國內(nèi)外大量的船舶撞擊橋梁實例表明，出現(xiàn)船舶撞擊橋梁的船舶一般是在下水航行或者失控漂流情況下發(fā)生的，由于下行船舶和漂流船舶借助水力，航速快，撞擊橋墩后對橋梁安全影響極大，因此本次模型試驗僅進行失控船舶下行漂流試驗。試驗分別進行了Q=15000m3/s和Q=23600m3/s兩個流量級的船舶停機自漂試驗。擬建大橋各橋墩撞擊情況如表3。

兩級試驗流量下失控船舶撞擊橋墩的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）左主墩及右岸14#邊墩位于洪水岸邊，基本無船撞風險。右岸邊墩的船撞概率較低。當船舶施放點位于蔡家軌道橋通航孔靠近右主墩對應(yīng)的上下游水域時，大橋右主墩被撞擊的概率大。

表3 失控船舶自漂撞擊擬建大橋各橋墩情況統(tǒng)計

（2）失控船舶漂流過程中呈現(xiàn)隨機性，受風、流相互影響較大，出現(xiàn)船舶撞擊橋墩的工況，一般情況下在橋位上游水域船身與水流流向夾角較大，船舶漂流航跡帶明顯變寬，造成船舶撞擊橋墩，以船身撞擊橋墩的情形居多。

5 各方案試驗

5.1 橋墩布置方案比選試驗

5.1.1 設(shè)計方案

主跨300m的模型試驗表明，雖然通航孔基本包絡(luò)了橋區(qū)全年的航跡線范圍，但右主墩靠近主航槽，產(chǎn)生的繞流作用對主航道通航水流條件影響較大，影響程度隨流量增加而增加?？梢娫O(shè)計方案的橋墩布置方案對橋區(qū)通航安全影響較大，且自身船撞風險也較大。

5.1.2 修改方案

5.1.2.1 修改方案1

主跨增加20m至320m，即將右主墩右移20m，其余橋墩位置不變。

5.1.2.2 修改方案2

主跨增加40m至340m，將右主墩右移40m，其余橋墩位置不變。

5.1.2.3 修改方案3

主跨增加60m至360m，將右主墩右移46m，其余橋墩位置不變。

5.1.3 方案比選

3個修改方案橋墩對水流條件的影響范圍是基本一致，都不影響主航道的流態(tài)、流速及船舶正常航行，跨度越大，對主航道的影響越小。另外，根據(jù)船舶停機漂流試驗結(jié)果，左岸主墩被船舶撞擊的概率極小，右岸主墩船撞風險概率最大。由于修改方案1和修改方案2的右主墩位置處于上游蔡家軌道橋通航孔右岸主墩的掩蔽區(qū)范圍，所以4個試驗方案當中，設(shè)計方案和修改方案3的右岸主墩船撞風險要大于修改方案1和修改方案2。因此，從船舶撞擊風險方面，修改方案1和修改方案2優(yōu)于設(shè)計方案和修改方案3。

5.2 主墩型式比選試驗

本研究還對主墩型式進行了比選試驗，比較了方形橋墩、圓端矩形橋墩和尖頭形橋墩對水流流態(tài)的影響，各主墩型式如圖3。

圖3 主墩型式比較

各橋墩繞流區(qū)范圍及延續(xù)距離比較如表4。其結(jié)果表明，方形橋墩墩前導(dǎo)流較差，上游壅水最為明顯，繞流寬度最大，掩蔽區(qū)范圍向下游逐漸擴大；尖頭形橋墩導(dǎo)流效果較好，上游壅水最小，繞流寬度明顯小于方形墩，掩蔽區(qū)范圍明顯縮短；圓端型矩形墩導(dǎo)流性較好，墩前壅水介于方形墩與尖頭形之間，掩蔽區(qū)范圍明顯縮短。因此，建議在下階段橋型方案設(shè)計中進一步優(yōu)化橋墩尺寸和形狀，盡量縮小墩徑，考慮采用圓端形橋墩，既減小橋墩的阻水挑流作用、增強導(dǎo)流性，也可有效減小橋墩周圍的局部沖刷。

表4 橋墩繞流區(qū)范圍及延續(xù)距離比較 單位：m

6 結(jié)語

（1）橋梁通航孔跨度越大對通航安全影響越小，但橋跨過大則經(jīng)濟性差，結(jié)構(gòu)不安全，接線要求更高。在綜合考慮模型試驗及船模試驗結(jié)果、橋梁結(jié)構(gòu)要求和兩岸接線等因素的前提下，盡量加大橋梁跨度，保障橋區(qū)通航安全。

（2）修改方案1主跨320m，左主墩位于洪水岸邊，右主墩位于右岸石盤上，跨過低水河床，主通航孔一孔跨過通航水域，對通航期主航道內(nèi)通航水流條件影響較小，不會產(chǎn)生礙航流態(tài)，且自身船撞風險低，因此，推薦修改方案1跨度及墩位布置作為大橋的橋跨布置方案。

（3）鑒于修改方案1的兩岸主墩及右岸邊墩涉水，且存在一定的船撞風險，建議在下階段橋型方案設(shè)計中同步考慮橋墩防撞設(shè)計，采用既滿足大橋橋墩防撞強度要求又能夠減小撞擊船舶損傷的柔性設(shè)施，并考慮優(yōu)化橋墩尺寸和形狀，盡量縮小墩徑，考慮橋位處于彎道頂點附近，各水位期水流流向有差異，推薦采用圓端矩形橋墩，增強導(dǎo)流性，減小橋墩的阻水挑流作用，進一步減緩橋墩對航道水流條件的影響。

［1］重慶西科水運工程咨詢中心.重慶市蔡家嘉陵江大橋橋區(qū)河段物理模型試驗研究報告［R］.2015.

［2］楊斌，陳明棟，楊勝發(fā).臨河、跨河建筑物對航道條件影響分析［J］.重慶建筑大學學報，2001，23（5）：67-70.

［3］楊斌，陳明棟.山區(qū)通航河流中橋梁選址和設(shè)計應(yīng)注意的問題及通航影響評價［J］.中國港灣建設(shè)，2007（2）：39-41.

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（責任編輯：姜彤宇）

Testal study on navigable flow condition in river section of Caijia Jialing River Bridge

XU Qi-hang，TIAN Jin
（Chongqing Jiaotong University ，Chongqing 400074，China）

Based on the physical model test of the river section of Caijia Jialing River Bridge in Chongqing， this paper analyzes the river bed evolution in the river reach， and studies the bridge spacing， bridge span arrangement and the influences of main pier type to the navigable flow condition.The results show that the larger the navigable span of the bridge， the smaller the impact on the navigable safety， but the bridge is poor economy and the structure is unsafe and the wiring requirements are higher.Under the premise of the comprehensive consideration of the model test，bridge structure requirements and cross-strait wiring and other factors，as much as possible to increase the bridge span to protect the bridge navigation safety.

bridge area； navigation condition； model test

TV131.6

A

1672-9900（2017）03-0087-04

2017-03-02

徐啟航（1991-），男（漢族），廣西桂林人，碩士，主要從事航道整治方向研究，（Tel）17355253212。