商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋通航條件及水動(dòng)力影響試驗(yàn)研究

陳 述，張世釗，趙維陽(yáng)，夏云峰

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢430050；2.南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210024；3.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 武漢 430000)

商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋工程位于大拐彎道以下與蕪裕河道之間的展寬河段，水流條件復(fù)雜，工程下游3.5 km為已建的蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋，南岸為蕪湖港區(qū)，工程區(qū)通航水動(dòng)力條件以及橋墩布設(shè)對(duì)下游已建大橋通航影響，實(shí)現(xiàn)兩橋通航銜接這些敏感的問題都是需要深入研究。本文在分析工程區(qū)水動(dòng)力及河勢(shì)演變特點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行通航論證，對(duì)大橋橋址以及修建后的橋區(qū)通航水動(dòng)力條件進(jìn)行研究分析，進(jìn)而科學(xué)合理布設(shè)橋墩及通航孔，最大程度減小對(duì)船舶通航影響。

1 自然條件

商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋處于蕪裕河段，橋位距下游已建蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋約3.5 km。蕪裕河段上起三山河口，下迄東梁山，長(zhǎng)約49.8 km(圖1)。大拐以上為上段，稱大拐彎道段，長(zhǎng)約25.3 km。大拐以下為下段，河道逐漸展寬，形成分汊，稱為裕溪分汊河段。大拐彎道段進(jìn)口承接黑沙洲汊道匯流，深泓傍右岸，過保定圩以后逐漸向左岸過渡，三壩以下深泓傍左岸。長(zhǎng)江在蛟磯上游形成一急轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎角度95°左右，轉(zhuǎn)彎半徑2 km左右，轉(zhuǎn)彎角度大，半徑小，河道在此走向由東西向拐為南北向，左岸山西咀突出，為河道急拐彎的彎頂，大拐段平均河寬1 795 m(5.0 m水位)。裕溪分汊段的洲頭以上干流段，自大拐至曹姑洲頭長(zhǎng)約10.1 km，該段河道順直，自上而下逐漸展寬，河道由1 280 m逐漸展寬到3 000 m，平均每公里河道展寬220 m。河道深槽偏靠右岸，蕪湖段進(jìn)口右岸桂花橋以下有大片抗沖性較強(qiáng)的硬質(zhì)泥邊灘，0～-5 m邊灘最大寬度630 m，占該斷面0 m河寬的45%左右，-5 m邊灘外緣河床坡度較陡，深槽逼近，數(shù)十年來河床微沖，青弋江出口以下山前基座階地緊靠江邊，河岸組成多為下蜀土，厚度10～15 m，沿岸有弋磯山、廣福磯臨江而立，控制蕪湖段河床變化。曹姑洲頭至東梁山，河道分汊，曹姑洲、陳家洲順列江中，水流分散，汊道分流比變化較大。

圖1 橋址河段河勢(shì)圖Fig.1 River regime of bridge site

1.1 水位特征

商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋所在河道屬于感潮河段，本河段水位受長(zhǎng)江徑流與潮汐雙重影響，主要受長(zhǎng)江徑流控制， 一般每年5～10月為汛期，11月～次年的4月為枯季，水位每日兩漲兩落，為非正規(guī)半日潮型，一個(gè)漲落潮周期為12h 25 min。橋址附近蕪湖站歷年最高水位10.99 m(1954-08-01),最低水位0.23 m(1963-02-05),多年平均水位4.66 m。

1.2 流量、泥沙特征

大通站歷年最大流量92 600 m3/s(1954-08-01)，最小4 620 m3/s(1979-01-31)，平均流量28 330 m3/s。三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后全年入?？偭坎蛔?，年內(nèi)分配有所變化，主要表現(xiàn)在年最枯月份流量有所增加，洪季6～9月份下泄流量不變，汛后10月份流量有所減小。

2 物理模型

河工模型滿足重力相似、阻力相似、泥沙運(yùn)動(dòng)等相似準(zhǔn)則，泥沙運(yùn)動(dòng)及其引起河床變形相似條件如下[1-2]

泥沙起動(dòng)相似

αV0=αV

(1)

(2)

泥沙懸浮擴(kuò)散相似

αω=αV*

(3)

泥沙輸沙相似

αp=αp*，αs=αs*

(4)

(5)

圖2 模型布置圖Fig.2 Layout of physical model

式中：αV0為泥沙起動(dòng)流速比尺;αω為泥沙沉降流速比尺;αV*為沙粒摩阻流速比尺;αp為底沙輸沙量比尺;αp*為底沙輸沙能力比尺;αs、αs*分別為懸沙挾沙量和挾沙能力比尺;αγ0為泥沙干容重比尺;αt2為河床沖淤變化時(shí)間比尺。

模型水平比尺λl取500，垂直比尺λh取120，變率為4.17，模型上游邊界位于大拐彎道上段伍顯殿，采用量水堰進(jìn)行流量控制，下游邊界位于東、西梁山，采用手搖式推拉尾門進(jìn)行水位控制(圖2)。通過對(duì)模型水面線、斷面流速分布及汊道分流比驗(yàn)證，以及河床地形沖淤變化相似的驗(yàn)證，表明物理模型與現(xiàn)場(chǎng)水流運(yùn)動(dòng)及河床地形沖淤變化具有較好的相似性。

3 橋址河段水流運(yùn)動(dòng)特性

3.1 沿程水位

蕪湖段上游有大拐彎道，水流在蛟磯附近形成急轉(zhuǎn)彎，造成大拐段河道右岸水位明顯高于左岸水位(表1)，20 a一遇洪峰流量下彎頂兩岸存在20 cm的水位差。水流經(jīng)過大拐彎道后開始平順進(jìn)入蕪湖段，兩岸水位差逐漸趨緩，橋址處兩岸水位差較小。兩岸水位差隨上游來流增大呈增加趨勢(shì)。

表1 蕪湖段橋址附近水位差Tab.1 Water level difference between the two sides of the bridge site in Wuhu section of Yangtze River cm

3.2 流速、流向分布

水流經(jīng)過大拐彎頂至橋址附近，表面流速斷面分布由單一分布向“M”型斷面分布過渡，進(jìn)入蕪河段又逐漸向單一斷面分布過渡(圖3)。各級(jí)來流下，大拐彎道出口“M”型斷面表流速分布隨流量增加表現(xiàn)得越為明顯。

3-a各級(jí)流量斷面表層流速分布(1#斷面)3-b各級(jí)流量斷面表層流速分布(3#斷面)3-c各級(jí)流量橋軸線斷面表層流速分布圖3 大拐至橋址沿程斷面各級(jí)流量下表面流速分布Fig．3SurfacevelocitydistributionattheflowlevelalongthecrosssectionfromDaguaitobridgesite

圖4 最大通航流量時(shí)橋址河段表流跡線圖Fig.4 Diagram of river surface flow at bridge reach at the maximum navigable flow

3.3 表面流跡線

各級(jí)流量下，水流經(jīng)約3 km過渡進(jìn)入順直段，至橋址附近水流基本趨于平順，主流貼右岸深槽，但是上游大拐彎道下段出口“M”型斷面表流速分布的影響仍然存在，加上河寬呈放大趨勢(shì)，因此橋址附近左側(cè)表面流向呈左偏趨勢(shì)，而右側(cè)呈右偏趨勢(shì)。平灘流量、20 a一遇流量和100 a一遇流量下，橋址附近上下游4倍設(shè)計(jì)代表船長(zhǎng)范圍內(nèi)流跡線與橋梁軸線法線夾角基本在4°以內(nèi)，其中主通航孔內(nèi)最大夾角為4.1°, 輔助通航孔內(nèi)最大夾角為5.6°。

4 建橋?qū)こ毯佣嗡畡?dòng)力的影響

4.1 橋式布置方案

商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋采用(98+238+588+224+84)m的跨度布置。由于右主墩位于主流區(qū)，阻水作用相對(duì)明顯，建橋后會(huì)引起邊坡局部流速增加，同時(shí)考慮本橋距已建蕪湖大橋較近，為盡可能減小工程對(duì)河道防洪及橋區(qū)通航的影響，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，降低了主墩承臺(tái)高程，使承臺(tái)頂位于河床面以下。

表2 百年一遇洪水橋址附近沿岸壅水Tab.2 Nearshore backwater near the bridge site in one hundred year flood condition cm

4.2 沿程水位變化

各級(jí)流量下，建橋后橋址上下游沿程水位無(wú)明顯變化，影響僅限于橋址附近較小范圍內(nèi)，最大壅水位于橋址上游50～100 m附近，右岸沿岸壅水值大于左岸沿岸壅水值，右岸最大壅水為4 cm。100 a一遇洪水壅水見表2。

4.3 流速變化

由于橋墩阻水作用，橋址上游和主墩下游掩護(hù)區(qū)內(nèi)水動(dòng)力呈不同程度減小趨勢(shì)，右主墩處于主流區(qū)，其阻水作用大于左主墩，右主墩下游影響區(qū)范圍要大于左主墩。100 a一遇洪水時(shí)，右、左主墩影響范圍分別約為橋址下游3 500 m和3 000 m。受主橋墩的擠壓，橋址下游主橋墩之間水動(dòng)力不同程度增加，橋址右岸近岸流速也有所增加，最大增幅約為0.18 m/s。100 a一遇流量下橋址附近主流區(qū)流速變化等值線見圖5。

圖5 100 a一遇流量時(shí)建橋前后流速變化等值線圖Fig.5 Contour map of flow velocity before and after bridge construction in one hundred year flood condition

4.4 流向變化

由于右主墩阻水作用強(qiáng)于左主墩，建橋后兩主墩間主通航孔間流向呈左偏趨勢(shì)，4倍設(shè)計(jì)代表船長(zhǎng)范圍內(nèi)流跡線與橋梁軸線法線方向的夾角變化為0.5°～1°，右側(cè)副通航孔流向呈右偏趨勢(shì)，幅度為1°～2°，左側(cè)副通航孔流向呈左偏趨勢(shì)，幅度為2°左右。

5 建橋?qū)こ毯佣瓮ê降挠绊?/h2>

5.1 對(duì)水流條件的影響

(1)表面流速。

建橋后，通航孔區(qū)域上游流速減小，下游流速增加。橋址附近流速減小幅度相對(duì)較大，隨著距離增加工程影響逐漸減弱。最大通航流量時(shí)主通航孔區(qū)域表面流速變化見表3。

表3 最大通航流量下上下游斷面表面流速變化Tab.3 Surface velocity variation of upstream and downstream section at the maximum navigable flow cm/s

(“+”表示增加，“-”表示減小)

(2)表面流向。

試驗(yàn)研究表明，建橋?qū)蛑飞舷掠瘟髹E線影響較小，建橋前后主跨內(nèi)流跡線沒有發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，本橋與已建蕪湖大橋通航孔區(qū)域的水流能平順過渡。右、左主橋墩附近流跡線會(huì)有所變化，其中右主墩產(chǎn)生的影響相對(duì)要大。

建橋后，橋址上游主跨內(nèi)流跡線與橋法線交角仍保持在4°以內(nèi)。由于右主墩阻水作用強(qiáng)于左主墩，主通航孔流向呈左偏趨勢(shì)，幅度為0.5°～1°，右側(cè)副通航孔流向呈右偏趨勢(shì)，幅度為1°～2°，左側(cè)副通航孔流向呈左偏趨勢(shì)，幅度為2°左右。

表4 不同流量級(jí)主橋墩單側(cè)紊流寬度Tab.4 Single side turbulent width of main piers of different flow levels m

(3)橋墩紊流寬度。

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[3]中關(guān)于河道中建筑物通航凈寬的取值并未明確規(guī)定，只是要求根據(jù)船舶航行安全的需要適當(dāng)放寬，因此許多學(xué)者做關(guān)于橋梁紊流寬度方面的研究。沈小雄[4]、何小花[5]、 胡旭躍[6]等分別通過概化水槽試驗(yàn)，確定了橋墩側(cè)邊緣的紊流寬度，并給出了橋墩最大紊流寬度隨斷面平均流速變化的關(guān)系。本次試驗(yàn)通過小威龍三維流速儀分別對(duì)不同流量條件下主橋墩橫軸線斷面單側(cè)紊流強(qiáng)度分布進(jìn)行了量測(cè)，分析有、無(wú)橋墩時(shí)水流紊流強(qiáng)度的變幅，模型中以設(shè)橋墩后的紊流強(qiáng)度變化 0.1 cm/s為界，進(jìn)而確定的橋墩紊流影響范圍作為紊流寬度，不同流量級(jí)主橋墩紊流寬度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

5.2 對(duì)航道條件的影響

試驗(yàn)表明，平常年水文條件下，建橋?qū)騾^(qū)地形沖淤變化影響較?。淮蠛樗畻l件下，建橋?qū)哟驳匦巫兓绊懼饕憩F(xiàn)為橋址附近上下游局部范圍，對(duì)河勢(shì)影響不大；建橋后對(duì)河床地形變化影響主要表現(xiàn)為橋址附近，由于橋墩的阻水影響，引起橋址附近河床的一般沖刷約為0.5 m，影響范圍為橋址以下3 km內(nèi)。建橋后對(duì)工程后河段的航道維護(hù)與穩(wěn)定不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

5.3 對(duì)通航安全的影響

(1)通航高度要求。

橋址河段屬內(nèi)河I-⑴級(jí)航道，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[3]規(guī)定，本橋通航凈高應(yīng)不小于24 m。另外，本著面對(duì)現(xiàn)實(shí)、留有余地的原則，商合杭鐵路蕪湖長(zhǎng)江大橋以銅陵長(zhǎng)江大橋?yàn)榭刂乒?jié)點(diǎn)，銅陵大橋下游按32 m通航凈高控制，銅陵大橋上游仍按24 m控制。本橋位于銅陵—南京段，為滿足船舶大型化和航運(yùn)發(fā)展需要，按航道部門與地方政府達(dá)成的共識(shí)，本橋通航凈高應(yīng)不低于32 m。

(2)通航凈寬要求。

擬建橋軸線法向方向與水流方向交角不超過5°,綜合考慮航道等級(jí)及主、副橋墩紊流寬度的影響，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)計(jì)算方法，分別對(duì)單孔單向和單孔雙向通航凈寬進(jìn)行計(jì)算。由此計(jì)算得出橋位處單孔雙向和單孔單向最小通航凈寬分別為543 m和294 m。該數(shù)值是基于橋梁選址符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定前提下計(jì)算得出的，且為理論計(jì)算值，在實(shí)際確定時(shí)還應(yīng)考慮河道條件、深泓擺動(dòng)幅度、通航條件等因素的影響。

(3)通航孔布置適應(yīng)性分析。

本橋主橋孔跨布置為(98+238+588+224+84)m(圖6)，通航凈高按不低于32 m設(shè)計(jì)，滿足上述通航凈空尺度的要求。除此之外，孔跨和墩位布置與通航其他方面的適應(yīng)性分析如下。

橋區(qū)河段航行基面下6m等深線全年貫通，水深條件良好，橋位處年際間6 m等深線寬度在1 070～1 350 m范圍內(nèi)變化，該方案基本覆蓋了深槽水域范圍。該橋跨布置與下游已建蕪湖長(zhǎng)江大橋通航橋孔平順銜接。

圖6 單孔雙向通航橋式方案布置圖Fig.6 Layout plan of single hole two-way navigation bridge scheme

6 結(jié)論

(1)研究表明天然情況下，橋址斷面左右岸水位差較小，主流貼右岸；受上游大拐彎道的影響，橋址附近左側(cè)表面流向呈左偏趨勢(shì)，右側(cè)呈右偏趨勢(shì)。各流量下橋址處主流流向與橋址法向交角不超過4°。

(2)建橋后，沿岸壅水主要在橋址上游500 m范圍內(nèi)，最大壅水位于橋址上游約50～100 m；橋址上游流速有所減小，下游流速有所增加。由于右主墩阻水作用強(qiáng)于左主墩，主通航孔間流向呈左偏趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將主墩承臺(tái)降低于河床面以下，減小工程對(duì)河道防洪及通航的影響。

(3)建橋?qū)騾^(qū)通航水流條件影響不大，不會(huì)對(duì)該河段的航道維護(hù)與穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響；通航孔布置方案能滿足最小通航凈寬和凈高的要求，能履蓋規(guī)劃水深條件下的通航水域范圍，基本符合橋區(qū)河段習(xí)慣航法，滿足多線通航要求。

[1]李昌華,金德春.河工模型試驗(yàn)[M].北京:人民交通出版社,1981.

[2]謝鑒衡.河流模擬[M].北京:水利電力出版社,1990.

[3]GBJ50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]沈小雄,程永丹. 航道邊線與橋墩之間安全距離的研究[J]. 水運(yùn)工程,2004 (11):85-87.

SHEN X X, CHENG Y D. Study on the safety distance between the waterway border and the pier[J]. Port & Waterway Engineering, 2004 (11):85-87.

[5]何小花.橋墩紊流寬度的試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2006(3):49-53.

HE X H. Experimental study on the turbulence width of pier[J]. Hydro-ScienceandEngineering, 2006(3):49-53.

[6]胡旭躍.圓端形橋墩側(cè)向紊流寬度的試驗(yàn)研究[J],水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2009(3):8-12.

HU X Y. Experimental study on the lateral turbulent width of circular end piers[J]. Hydro-Scienceand Engineering, 2009(3):8-12.

[7]丁堅(jiān)，吳騰，邵雨辰，等.成子河船閘引航道與泄洪河道交匯區(qū)域通航水流條件與改善措施研究[J].水道港口，2016(2)：166-169.

DING J, WU T, SHAO Y C,et al. Study on the conditions of navigation flow condition and improvement measures in the intersection area of the ship lock channel and the flood discharge channel of Chengzi River [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2016(2):166-169.

[8]陳野鷹，李興亮，劉志敏.庫(kù)區(qū)連續(xù)急彎段的通航水流條件研究[J].水道港口，2016(5)：520-523.

CHEN Y Y, LI X L, LIU Z M. Study on navigation flow condition of continuous sharp bend in the reservoir area [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2016(5):520-523.