基于物理模型的池州長江公鐵大橋防洪安全研究

王思騰，魏 為

（長江水利委員會,湖北 武漢 430010）

在河道上修建橋梁后,橋墩不同程度上壓縮了河道的行洪斷面,水流的方向因此改變,橋墩之間的單寬流量相對增加,造成橋墩附近河床局部沖刷、水位雍高、流速分布不均勻等問題,使橋墩附近和河道內(nèi)的水流流態(tài)、河床演變變得十分復(fù)雜[1]。此外,橋下流速增大、流向變化,對河岸也會產(chǎn)生沖刷,這樣的結(jié)果勢必會對橋梁安全、河道防洪安全造成嚴重威脅。因此,研究橋梁工程對河道行洪影響具有重要的工程應(yīng)用價值。

物理模型試驗是研究復(fù)雜的水工問題和水流現(xiàn)象及河道范圍內(nèi)修建跨河橋梁工程評價分析最常用的工具,相較于數(shù)學(xué)模型,是解決復(fù)雜的水流問題更為可靠的方法[2]。

本文采用物理模型對池州公鐵大橋防洪影響問題進行研究,為設(shè)計方案優(yōu)化,提出減輕和消除行洪影響的措施以及行政審批提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

池州長江公鐵大橋位于江口港區(qū)下游,距離上游崇文洲洲尾約4.7 km,工程規(guī)模為公鐵合建,按照4 線鐵路+6 車道公路的標準建設(shè),其中兩線為合池高鐵,兩線為預(yù)留鐵路,公路為6 車道高速公路,為南北高速路網(wǎng)連接線。通過對通航條件、兩岸地形及相關(guān)規(guī)劃進行分析,推薦采用江口橋位,以橋梁形式跨越長江。擬建橋址地理位置圖見圖1。

圖1 項目地理位置示意圖

2 模型設(shè)計相似條件

根據(jù)本項試驗研究的目的、內(nèi)容和要求,河工模型按重力相似和阻力相似準則進行設(shè)計。

2.1 水流運動相似條件

由水流運動方程：

可得：重力相似αV=αH1/2；阻力相似水流慣性相似αV=αL/αt；水流連續(xù)性相似αQ=αVαH αL；紊流限制：Rem≥1000；模型變率限制：式中：αL為平面比尺；αH為垂直比尺；αV為流速比尺；αn為河床糙率比尺；αQ為流量比尺；Rem為模型雷諾數(shù)。

為保證模型和原體相似,模型水流處于阻力平方區(qū),模型雷諾數(shù)Rem＞1000,根據(jù)場地及研究內(nèi)容確定αL=550,垂直比尺擬采用αH=110。

2.2 定床模型糙率

天然河道糙率系數(shù)n=1/AD50y,A=f（u/uc）,對于長江y=1/6,通過對實測資料推算,天然河道糙率系數(shù)np=0.02～0.025,取np=0.023。

由：αn=αH2/3αL-0.5=0.9789,得nm=0.0235,定床模型中采用2 cm 的人工塊體進行梅花形加糙,在驗證試驗時再作局部調(diào)整,以達到模型阻力相似條件要求。

2.3 模型比尺

定床模型所采用比尺結(jié)果見表1。

2.4 模型范圍及量測系統(tǒng)

模型地形采用最新實測地形,模型上起貴池水道新開溝,下至大通水道羊山磯,包含貴池水道和大通水道,模擬長江約42 km 長河道。模型水平比尺采用1∶550,垂直比尺采用1∶110,變率為5。工程處于長江潮區(qū)界大通水道,水動力及河床沖淤完全受徑流作用,模型試驗采用恒定流控制,模型試驗上游進水采用量水堰控制流量,下游由推拉尾門控制水位。模型布置見圖2。由橋址水位推求尾門水位,建立尾門水位流量關(guān)系曲線,確定不同流量下尾門控制水位。模型試驗量測系統(tǒng)包括：VDMS 粒子流場測量系統(tǒng)；無線通信光電旋槳式流速儀；透射散射式含沙量測量儀；激光地形測繪儀；水位測針等。物理模型概貌見圖3。

圖3 定床物理模型概貌

2.5 試驗水文條件

定床水動力試驗條件：枯水流量、平灘流量、防洪設(shè)計流量、二十年一遇流量、百年一遇流量、三百年一遇流量,見表2。

表2 定床試驗水文條件

2.6 試驗測點布置

（1）水位測驗

模型自上而下游左右岸沿程共布置11 個測站,測量沿程水位變化。物理模型中橋墩附近局部壅水采用靜壓管,根據(jù)虹吸原理,用測針讀取局部壅水。

（2）流速測驗

流速測量共布置16 個測流斷面,包括橋址局部上下游斷面（橋上游2 km、上游1 km、上游500 m、橋位、下游500 m、下游1 km、下游2 km）以及上下游各汊道斷面,測量工程前后斷面流速及分流比變化。

（3）表面流場、流跡線測驗

模型表面流場試驗范圍包括橋址上下8 km,表面流跡線試驗包括橋址上游4 km 至下游6 km 范圍。

3 試驗成果分析

3.1 橋址及沿程水位變化

工程前,各流量下擬建橋址上下游左右兩岸沿程水位見圖4～圖8,表3 為各級流量下橋址處左右兩岸水位。

表3 橋址處各級流量兩岸水位 單位：m3/s

圖4 工程前枯水流量下橋址附近流態(tài)圖

圖5 工程前平灘流量下橋址附近流態(tài)圖

圖6 工程前20 年一遇流量下橋址附近流態(tài)

圖7 工程前100 年一遇流量下橋址附近流態(tài)

圖8 工程前300 年一遇流量下橋址附近流態(tài)圖

擬建橋址河段深槽居中近南岸,為單一河槽,上游為池州汊道匯流區(qū),長沙洲左、右汊及鳳凰洲右汊三汊匯流,其中鳳凰洲右汊分流比5%左右,長沙洲左右汊分流基本接近,目前長沙洲右汊為主通航水道。由于三汊匯流影響,橋軸線上游沿程斷面流速分布“M”雙峰形態(tài),隨著水流交匯整,至橋軸位置斷面流速分布呈單峰形態(tài),主動力軸線居中,橋軸線以下,主動力軸線略偏南岸。試驗表明,工程河段順直,南北岸水位差較小,二十年一遇洪水流量下兩岸水位差約2 cm,百年一遇洪水流量下兩岸水位差約3 cm。

試驗利用靜壓管測量橋址上、下游沿岸水位變化,沿岸壅水結(jié)果見表4。各典型水文條件下,擬建池州公鐵長江大橋工程前后南、北岸上下游沿程水位無明顯變化,工程前后僅橋址上下游局部水位有所變化,工程對水位影響僅限于橋址上下游較小范圍內(nèi)。試驗表明：主跨812 m 方案工程引起的沿岸壅水主要在橋址上游300 m 范圍內(nèi),最大壅水位于橋軸線上游50 m 位置附近。工程后二十年一遇流量下北岸沿岸最大壅水為2 cm,百年一遇洪水條件下北岸沿岸最大壅水為3 cm；二十年一遇流量下,工程后南岸沿岸最大壅水為1 cm,百年一遇洪水條件下南岸沿岸最大壅水為2 cm。

表4 主跨812 m 方案工程后橋址附近沿岸壅水情況 單位：m

3.2 橋址上下游斷面流速流向變化

擬建橋址河段深槽居中近南岸,為單一河槽。上游為池州汊道匯流區(qū),長沙洲左、右汊及鳳凰洲右汊三汊匯流,其中鳳凰洲右汊分流比5%左右,長沙洲左右汊分流基本接近約為47.5%,目前長沙洲右汊為主通航水道。

表5 為各級流量下,橋址上、下游斷面最大表層流速統(tǒng)計,百年一遇流量下,橋軸線斷面表層最大流速為3.6 m/s,最大垂線平均流速為3.4 m/s,三百年一遇流量下,橋軸線斷面表層最大流速為3.8 m/s,最大垂線平均流速為3.65 m/s。

表5 各級流量下，橋址上、下游斷面最大表層流速統(tǒng)計 單位：m/s

下江口以下,長沙洲左、中汊交匯水流逐漸進入單一順直河段,橋軸線上游向上而下沿程斷面水流向與橋軸線交角呈減小的趨勢。橋軸線上下游2 km 范圍內(nèi)各斷面水流流向與橋軸線法向交角總體表現(xiàn)為橋區(qū)北側(cè)流向略偏南,橋區(qū)南側(cè)流向略偏北,但交角均較小,交角基本不超過5°,主航道內(nèi)交角不超過3°。

工程后,典型水文條件下主跨812 m 方案流場見圖9。由于橋墩阻水作用較小,工程后,橋區(qū)流向變化較小,僅限在主墩周邊局部區(qū)域由于橋墩阻水繞流流向略有變化,橋區(qū)上下游主航槽內(nèi)流向無明顯變化。

圖9 工程后典型水文條件下流場圖

試驗表明,工程實施后由于橋墩阻水,南、北主橋墩下游掩護區(qū)內(nèi)流速出現(xiàn)不同程度減小,水流受橋墩擠壓,主跨及兩側(cè)邊跨內(nèi)流速有不同程度增加。南主墩位于南側(cè)近岸五更磯下段,床面高程約-2.0 m,北主墩位于深槽近北岸側(cè),床面高程約-12.5 m,根據(jù)單寬流量計算,北主墩阻水影響大于南主墩,北主墩對下游產(chǎn)生的影響范圍大于南主墩對下游影響。工程河道順直,百年一遇洪水流量條件下,工程后北主墩下游掩護區(qū)影響范圍約為3 km,南主墩下游掩護區(qū)影響范圍約為2 km。橋址下游200 m 斷面處北主墩掩護區(qū)速減小約0.15 m/s,橋址下游2.0 km 斷面處橋墩掩護區(qū)流速減小約0.04 m/s。橋址下游200 m 斷面處南主墩掩護區(qū)速減小約0.10 m/s,橋址下游1.5 km 斷面處橋墩掩護區(qū)流速減小約0.03 m/s。工程后橋軸線以下主河槽內(nèi)測點流速有所增加,橋址下游0.5 km 處主槽內(nèi)測點流速增幅約0.04 m/s,隨著工程影響逐漸減弱,橋址下游1.0 km 處主槽內(nèi)測點流速增幅約為0.02 m/s。工程后南、北近岸流速稍有增加,幅度為0.02 m/s～0.05 m/s。

4 結(jié)論

基于重力相似和阻力相似準則建立了池州長江公鐵大橋物理模型,研究了橋梁修建對河道水流形態(tài)的影響,得出如下結(jié)論：

（1）工程后沿岸壅水主要在橋址上游300 m 范圍內(nèi),最大壅水位于橋軸線上游約50 m 附近,北岸沿岸壅水值稍大于南岸沿岸壅水值。百年一遇洪水,工程后北岸沿岸最大壅水為3 cm,南岸沿岸最大壅水為2 cm。

（2）工程后南、北主橋墩下游掩護區(qū)內(nèi)流速出現(xiàn)不同程度減小,主跨及兩側(cè)邊跨內(nèi)流速有不同程度增加。工程后北主墩下游掩護區(qū)影響范圍約為3 km,南主墩下游掩護區(qū)影響范圍約為2 km。工程后橋軸線以下主跨及兩側(cè)邊跨內(nèi)測點流速有所增加,橋址下游0.5 km處主槽內(nèi)測點流速增幅約0.04 m/s,隨著工程影響逐漸減弱,橋址下游1.0 km 處主槽內(nèi)測點流速增幅約為0.02 m/s。

（3）工程后由于主、輔助墩擠壓作用,工程區(qū)上游100 m至下游400 m 范圍內(nèi)北側(cè)近岸邊坡流速增加0.02 m/s～0.05 m/s,上游50 m 至下游200 m 范圍內(nèi)南側(cè)近岸邊坡流速增加0.02 m/s～0.03 m/s。