洪潮水動力作用下閩江烏龍江大橋橋墩沖刷影響研究

羅淑欽

(福建省永川水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350001)

閩江是福建母親河，流域面積為60992km2，沙洲、邊灘發(fā)育，通常分為上游河道、中游河道、下游河道三段。閩江下游是指水口電站—閩江入海口，進(jìn)入淮安后分為南港和北港，其中閩江南港(烏龍江)為支流大樟溪匯合口下游至烏龍江大橋處，河道曲折游蕩而寬淺，河道最寬處達(dá)3.7km左右，但在烏龍江大橋處，河道寬度最小僅460m，橋墩附近河道沖刷嚴(yán)重，河床下切。烏龍江大橋位于閩江南港河床最窄的位置，左右岸為清涼、金牛兩山隔江對峙，地形陡峻，并長期受徑流和潮流的雙重影響，水沙交換頻繁[1]，河槽沖淤變化明顯[2]，導(dǎo)致橋墩周邊水流結(jié)構(gòu)和河床地形復(fù)雜多變。

為了滿足兩岸交通需求，1970年在閩江南港峽口處修建烏龍江大橋(本次研究橋梁)，2008年在烏龍江大橋上游220m處修建了福廈鐵路烏龍江大橋，2012年在烏龍江大橋下游50m處修建烏龍江大橋復(fù)線橋，2019年在烏龍江大橋上游約180m處修建了福平鐵路烏龍江大橋，目前正在修建的福廈高鐵烏龍江大橋位于烏龍江大橋上游約70m處。五座橋梁位置如圖1所示，烏龍江大橋橫斷面如圖2所示。

閩江南港烏龍江大橋上下游300m范圍內(nèi)先后共建有五座橋梁，群橋建設(shè)使得烏龍江大橋橋墩周邊水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為了保證橋梁的安全運(yùn)行，在洪潮水動力作用下對閩江烏龍江大橋橋墩沖刷影響研究[3- 6]是極為必要的。

1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

結(jié)合閩江南港河道水動力特性和特殊地形[7- 8]，數(shù)學(xué)模型[9- 13]范圍從閩江下游竹岐至金剛腿河段，長約54km，烏龍江大橋橋位斷面建橋時(shí)(1970年)與2015年實(shí)測橋位斷面地形相差較大，建橋時(shí)的河床地面高程大多在-20m以上，目前地形除了橋墩處由于防護(hù)而保持較高外，其余位置地面高程均低于-30m。本模型參考劉發(fā)水[14]關(guān)于烏龍江大橋橋梁水流和沖刷特性試驗(yàn)研究，對烏龍江大橋上下游各1km河段地形進(jìn)行概化處理，取河床地面平均高程-25m作為河床底，兩側(cè)以斜坡與河岸相連接，并以這種斷面型式向上、下游延伸。

數(shù)學(xué)模型采用結(jié)構(gòu)性三角形網(wǎng)格單元，根據(jù)工程區(qū)域橋梁建設(shè)情況及時(shí)間先后順序，分別建立單座橋(烏龍江大橋)、5座橋群橋2個(gè)模型。模型網(wǎng)格采用相同的劃分方法和控制尺度，2個(gè)模型單元數(shù)范圍92976～93430個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)47091～47228個(gè)，網(wǎng)格最小尺度約1m，最小網(wǎng)格角度30°。泥沙輸移模型采用恩格隆—漢森全沙公式計(jì)算。

2 洪潮水動力作用對烏龍江大橋影響

研究群橋建設(shè)對烏龍江大橋[15]的影響，數(shù)值模擬研究采用兩種工況。

圖1 烏龍江大橋及附近橋梁位置

圖2 烏龍江大橋橫斷面

工況1：考慮單向徑流作用影響，選取300年一遇徑流洪水作為計(jì)算條件，烏龍江大橋橋位控制斷面流量為31440m3/s，水深為30m，流速為2.50m/s[6]。

工況2：考慮徑流和潮流雙重作用下影響，選取2015年3月白巖潭站實(shí)測天文大潮流量過程和潮位過程線。

烏龍江大橋共有4個(gè)橋墩，分別為1#、2#、3#、4#橋墩，其中1#、4#橋墩位于岸灘上，故選取2#、3#橋墩作為典型進(jìn)行分析，本次選取1#橋墩與2#橋墩中間斷面、2#及3#橋墩左岸側(cè)斷面及3#橋墩與4#橋墩中間斷面，4個(gè)斷面研究水流流速變化及水位變化。1#橋墩與2#橋墩中間斷面為A斷面，2#橋墩左側(cè)10m為B斷面， 3#橋墩右側(cè)10m為C斷面，3#橋墩與4#橋墩中間斷面為D斷面。橋梁位置概化關(guān)系如圖3所示，斷面A、B與斷面C、D流速分布如圖4所示。

圖3 分析斷面與橋梁位置關(guān)系圖

由圖4可知，單座橋梁時(shí)，工況1、2流速分布趨勢相同，但工況1變化幅度要比工況2大。在橋墩上游斷面水流流速分布較為均勻，在烏龍江大橋橋位斷面，特別是2#、3#橋墩的左右側(cè)，由于水流的繞流作用，流速較上游平均流速有明顯增大，橋墩下游斷面點(diǎn)流速變化較上游斷面大，主要是由于流場受橋墩的阻水作用，橋墩上下游流速均有明顯減少，越靠近橋墩，流速減少越大。

圖4 烏龍江大橋2#與3#橋墩周邊流速分布

第二座福廈鐵路烏龍江大橋位于烏龍江大橋的上游約220m處，由于福廈鐵路烏龍江大橋橋墩的繞流作用，在烏龍江大橋上游100m處，流速較單橋時(shí)減少最多，主要是受福廈鐵路橋橋墩的影響，在橋墩下游形成馮·卡門渦街，渦街內(nèi)的流速減少。烏龍江大橋橋墩位于渦街內(nèi)，在此情況下，烏龍江大橋橋墩對水流的挑流作用也減弱。根據(jù)模型計(jì)算，徑流及潮流作用下烏龍江大橋的橋位斷面2#和3#橋墩兩側(cè)的流速均有減小，就能驗(yàn)證這一點(diǎn)。受到福廈鐵路烏龍江大橋建設(shè)的影響，在烏龍江大橋上游200m斷面平均流速較單橋時(shí)有所增加，其他斷面平均流速則有所降低，烏龍江大橋斷面流速減小最大，橋墩處水流流速降低，越靠近橋墩，流速降低越多，斷面上其它測點(diǎn)的流速小幅變化，整體上有所增加。烏龍江大橋橋墩周圍水流受福廈鐵路烏龍江大橋建設(shè)影響，其2#橋墩與3#橋墩之間流速較單座橋時(shí)流速減小，福廈鐵路烏龍江大橋橋位在靠近岸坡側(cè)流速增加，在橋孔中間處流速減小。

第三座橋?yàn)觚埥髽驈?fù)線橋于2012年建成通車，位于烏龍江大橋下游約50m處，模擬范圍內(nèi)也有4個(gè)橋墩，與烏龍江大橋橋墩成對口布置。烏龍江大橋復(fù)線橋建成后，對烏龍江大橋的影響主要有兩個(gè)方面，一是水流由上游向下游流動時(shí)，由下游橋墩阻水產(chǎn)生對流場的影響而影響到烏龍江大橋橋位的流場。流場計(jì)算表明，建有3座橋與建有2座橋在橋位斷面的流速分布基本相同，2#和3#橋墩兩側(cè)的流速略有減小，主流區(qū)的流速略有增加，離橋墩越遠(yuǎn)，流速增加值越大。二是當(dāng)漲潮流時(shí)，原來由烏龍江大橋橋墩直接受漲潮流作用，在烏龍江大橋復(fù)線橋建成后，漲潮流首先作用于復(fù)線橋橋墩，在橋后形成卡門渦，烏龍江大橋橋墩處于此渦內(nèi)，流速會減少，由于漲潮流流速較落潮流要小，故其對烏龍江大橋橋墩的影響程度較落潮流要小。

第四座橋福平鐵路烏龍江大橋于2019年1月合龍，位于烏龍江大橋的上游約180m處，模擬范圍內(nèi)有3個(gè)橋墩，相對于烏龍江大橋橋墩為1#、2#、4#，并與烏龍江大橋橋墩成對口布置。福平鐵路烏龍江大橋的建設(shè)對2#橋墩周邊流速影響最大，其周邊流速減小最多，3#橋周邊流速略有降低，其他點(diǎn)流速均有增加。

第五座橋福廈高鐵烏龍江大橋目前正在建設(shè)，位于烏龍江大橋的上游約70m處，模擬范圍內(nèi)有2個(gè)橋墩，相對于烏龍江大橋橋墩為1#、4#所在位置，并與烏龍江大橋橋墩成對口布置。由于模擬計(jì)算區(qū)是以烏龍江大橋的斷面為參考構(gòu)建的斷面模型，福廈高鐵烏龍江大橋的兩個(gè)橋墩在模擬區(qū)中均在岸灘上，其上下游已建橋梁橋墩已對水流進(jìn)行了調(diào)整，故福廈高鐵烏龍江大橋建設(shè)后對烏龍江大橋流態(tài)的影響不大，由于橋墩的束窄作用，斷面流速較4座橋時(shí)均略有增加。福廈高鐵烏龍江大橋的建設(shè)對烏龍江大橋周邊流速影響較小，其上下游流速略有增加。

通過數(shù)值模擬分析工況1(徑流)、2(潮流)條件下，烏龍江大橋橋墩周圍的水流特征，主要結(jié)論如下：

(1)為滿足烏龍江通航要求，閩江南港群橋建設(shè)的橋墩為降低對烏龍江大橋的橋墩影響，均建成與其成對口布置，群橋建設(shè)后，導(dǎo)致行進(jìn)水流對烏龍江大橋橋墩的直接作用有所下降，以烏龍江橋大橋墩2#為例，單向徑流作用(工況1)，單橋時(shí)流速為2.90m/s，5座橋時(shí)流速為2.06m/s；潮流反復(fù)作用下(工況2)下，單橋時(shí)流速為1.82m/s，5座橋時(shí)為1.27m/s。計(jì)算結(jié)果表明，群橋建設(shè)后，改變了水流結(jié)構(gòu)，使得烏龍江大橋橋墩周邊的流速有所降低；由于其它橋梁橋墩的束水作用，斷面其他測點(diǎn)流速略有增大，以烏龍江大橋橋孔中間為例，工況1條件下，單橋流速為2.69m/s，5座橋時(shí)流速為2.89m/s；工況2條件下，單橋?yàn)?.68m/s，4座橋時(shí)為1.79m/s。橋墩附近水流流速的變化差值與來流水量大小，橋墩形狀、橋梁間距等因素均有關(guān)系。

(2)福廈鐵路烏龍江大橋位于烏龍江大橋上游220m處，其建設(shè)相對其他橋梁建設(shè)對烏龍江大橋的影響最大，徑流作用(工況1)下，烏龍江大橋2#橋墩附近流速從單橋?yàn)?.90m/s變?yōu)?.41m/s， 5座橋時(shí)為2.06m/s，3#橋墩附近流速從單橋?yàn)?.90m/s變?yōu)?.48m/s，與 5座橋時(shí)為2.53m/s時(shí)相近；復(fù)線橋位于烏龍江大橋下游50m，在潮流作用(工況2)下，烏龍江大橋2#橋墩流速由1.55m/s減小至1.50m/s，3#橋墩流速1.75m/s減小至1.55m/s，主要是由于漲潮時(shí)復(fù)線橋橋墩會阻擋水流對烏龍江大橋橋墩的直接作用，使其橋墩周圍流速降低，由于橋墩的束窄，橋墩中間流速略有增加。福平鐵路烏龍江大橋和福廈高鐵烏龍江大橋位于福廈鐵路橋與烏龍江大橋之間，它們的建設(shè)對烏龍江大橋影響相對較小。

綜上所述，群橋建設(shè)改變了橋墩周邊水流結(jié)構(gòu)，徑流與潮流對橋梁周邊水流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律基本一致，徑流作用大于潮流作用。

3 烏龍江大橋橋墩河床沖刷

單座橋時(shí)橋墩周邊流速大于5座橋時(shí)周邊流速，單座橋時(shí)在單向徑流作用下最大流速2.90m/s，徑流和潮流雙重作用下最大流速1.82m/s。本次選取流速較大的單座橋進(jìn)行橋墩沖刷規(guī)律進(jìn)行研究。河床沖刷研究取河床地面平均高程-25m作為河床底，1#、4#橋墩位置地面高程為0m以上，主要研究對象為2#、3#橋墩河床沖刷。模擬計(jì)算至沖刷穩(wěn)定后，烏龍江大橋橋位處河床沖刷變化如圖5所示。

在單向徑流作用下，烏龍江大橋橋位斷面的沖刷平均深度為4.52m，局部沖刷坑最大深度為12.52m；徑流和潮流雙重作用下，烏龍江大橋橋位斷面的沖刷平均深度為1.77m，局部沖刷坑的最大深度為7.84m。

工況1、2條件下工程區(qū)局部沖刷深度隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 烏龍江大橋局部沖刷深度隨時(shí)間的變化

橋墩受到水流持續(xù)作用過程中，橋墩附近局部沖刷深度逐漸增加，速度先快后慢，直至趨于穩(wěn)定。在徑流作用下河床沖刷深度及沖刷區(qū)域范圍均比在徑流和潮流雙重作用下要大。河床流速對沖刷坑的形成影響顯著，流速愈大，對沖刷坑的深度及影響范圍愈大。

4 結(jié)論與建議

(1)在徑流和潮流雙重水動力作用下，群橋建設(shè)改變了河道水動力條件，密集的橋墩使得工程區(qū)水流條件復(fù)雜、流態(tài)紊亂，群橋建設(shè)后，行進(jìn)水流對烏龍江大橋橋墩的影響變小，其橋墩周邊流速變小，越靠近橋墩，流速減少越多。單向徑流作用比潮流作用降低減少值大，由于橋墩束窄了河道，在斷面其他位置，流速則略有增大。

(2)徑流與潮流對橋梁周邊水流結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律基本一致，橋墩周邊局部沖刷深度逐漸增加，速度先快后慢，直至趨于穩(wěn)定，徑流作用下橋墩沖刷深度要大于潮流作用下橋墩沖刷深度。

(3)模型分析的閩江南港河道洪潮水動力作用對橋梁工程的影響規(guī)律，可為閩江南港峽口段群橋橋墩及涉河建筑物的防護(hù)提供指導(dǎo)。建議對烏龍江大橋橋墩沖刷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，及時(shí)了解橋墩的沖刷情況，及時(shí)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，確保橋梁安全穩(wěn)定運(yùn)行。