某通航建筑物水力特性試驗(yàn)研究

楊志波，趙 青，姜雪賓，呂曉慧，張 黎

（1. 黑河市愛輝區(qū)水利技術(shù)服務(wù)中心，黑龍江黑河164300；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林長(zhǎng)春130061；3.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110006；4.遼寧省水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧沈陽110003）

某公路大橋原設(shè)計(jì)方案布置型式為：主橋710 m，樺皮山橋240 m，橋總長(zhǎng)為950 m。推薦方案在原方案基礎(chǔ)上主橋沿橋軸線向左岸平移15 m，再以8號(hào)墩為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)8°，后又沿橋中心線向左岸邊平移20 m。推薦方案布置型式為：主橋770 m，灘橋270 m，樺皮山橋420 m，橋總長(zhǎng)1460 m。

1 試驗(yàn)的基本情況

試驗(yàn)采用整體定床和局部動(dòng)床模型來研究橋梁布設(shè)及其對(duì)通航、行洪、河床演變的影響，嫩江干流河道屬寬淺型，模型定為變態(tài)，平面比尺300，垂直比尺80，變率為3.75，模型平面尺寸41.7 m×16.3 m，研究河段河道比降在0.31‰～0.36‰，模型高約0.5 m。

考慮以前的研究經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)查勘情況，推移質(zhì)泥沙對(duì)嫩江河道起決定性造床作用，該河工模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕巢捎梅勖夯摇?/p>

河工模型設(shè)計(jì)應(yīng)用相似率理論，使模型盡量和現(xiàn)狀河道相類似。通過河道水位、水流流態(tài)以及沖淤變化對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行率定，適當(dāng)調(diào)整相關(guān)模型比尺，保證主要水力學(xué)特性相似，使河工模型試驗(yàn)成果滿足規(guī)范和研究?jī)?nèi)容要求。

2 河工模型試驗(yàn)成果

2.1 水面線成果

河工模型選取表1 中幾級(jí)典型洪水流量進(jìn)行施放，測(cè)得水面線成果如圖1 所示。

表1 橋位河段設(shè)計(jì)頻率流量和試驗(yàn)尾水水位流量關(guān)系表

與現(xiàn)河道相比，施放P=0.33%洪水時(shí)，原設(shè)計(jì)方案和推薦方案橋前壅水高度為0.47 m、0.18 m；施放橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)P=1%洪水時(shí)，原設(shè)計(jì)方案和推薦方案橋前壅水高度為0.38 m、0.09 m；施放P=2%洪水時(shí)，原設(shè)計(jì)方案和推薦方案橋前壅水高度為0.28 m、0.08 m；施放兩岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)P=5%洪水時(shí)，原設(shè)計(jì)方案和推薦方案橋前壅水高度為0.26 m、0.06 m。綜上所述，相比于原設(shè)計(jì)方案，推薦方案壅水高度明顯更低，且大橋壅高的回水距離較短，滿足河道防洪要求。

2.2 流速成果

當(dāng)施放P=5%洪水時(shí)，現(xiàn)河道、原設(shè)計(jì)方案和推薦方案，建成后橋位河段流速流態(tài)分布與現(xiàn)河道流速相比，原設(shè)計(jì)方案和推薦方案河道流速均有增加；原設(shè)計(jì)方案左側(cè)主河槽流速增加0.07 ～0.90 m/s；右側(cè)河槽流速增加0.54～1.68 m/s。推薦方案左側(cè)主河槽流速增加0.03～0.30 m/s；右側(cè)河槽流速增加0.10～0.40 m/s。推薦方案橋位控制斷面，主橋流速較現(xiàn)河道左汊增大了0.30 m/s，右側(cè)橋頭最大繞流流速為0.85 m/s，灘橋流速較現(xiàn)河道大0.41 m/s，橋頭最大繞流流速為1.12 m/s，樺皮山橋流速較現(xiàn)河道右汊增大了0.43 m/s，橋頭最大繞流流速為0.77 m/s。綜上所述，應(yīng)在兩岸河岸處增加適當(dāng)工程防護(hù)措施，以減小河道流速增加對(duì)橋位上下游河段岸坡造成的沖刷破壞，同時(shí)利于通航，使河勢(shì)穩(wěn)定。

圖1 各方案各級(jí)典型洪水水面線

2.3 通航參數(shù)分析

某公路大橋橋位河段遵照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的要求布置通航孔，利用左側(cè)主河槽左起第1、2個(gè)橋孔進(jìn)行通航，通航孔凈寬為70 m，原設(shè)計(jì)方案和推薦方案通航試驗(yàn)成果為：

1）原方案。上、下行航線的直線段長(zhǎng)度大于船長(zhǎng)的4 倍、2 倍，航道凈寬大于50 m，滿足要求。施放Q=3130 m3/s（最大通航流量）與Q=125 m3/s（最小通航流量）時(shí)，橋位影響區(qū)域內(nèi)部分河段航道最低通航水深小于1.2 m，不滿足最小通航水深的要求。上下游航線直線段橫向流速為0.05～0.83 m/s，橋位前后橫向流速為0.24～0.58 m/s，部分大于0.30 m/s；上下游航線直線段水流流向和航線夾角為0°～13°，橋位前后夾角在10°左右，大于5°，橫向流速值和夾角均不滿足規(guī)范的要求。在最高通航水位下，橋梁通航凈空滿足規(guī)范的要求，達(dá)到了9 m，大于8 m。因此，原設(shè)計(jì)方案通航參數(shù)基本不滿足規(guī)范要求。

2）推薦方案。上、下行航線的直線段長(zhǎng)度大于船長(zhǎng)的4 倍、2 倍，航道凈寬大于50 m，滿足要求。施放Q=3130 m3/s（最大通航流量）與Q=125 m3/s（最小通航流量）時(shí)，橋位影響區(qū)域內(nèi)部分河段航道最低通航水深小于1.2 m，不滿足最小通航水深的要求。上下游航線直線段橫向流速均小于0.3 m/s，水流流向和航線之間夾角均小于5°，橫向流速值和夾角均滿足規(guī)范的要求。在最高通航水位下，橋梁通航凈空滿足規(guī)范的要求，達(dá)到了9 m，大于8 m。由此可見，推薦方案通航參數(shù)大部分都滿足通航的要求，考慮到通航的最小水深要求，建議在航道局部位置清淤疏浚。

2.4 沖淤試驗(yàn)成果分析

河工模型模擬2009年嫩江河道實(shí)測(cè)地形，進(jìn)行推薦方案的沖淤試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，動(dòng)床模型經(jīng)過系列年洪峰之后，河槽和灘地地形都沒有發(fā)生較大變化，僅局部地形有所改變。橋位各河汊處發(fā)生沖刷，灘橋左、右側(cè)橋頭繞流處出現(xiàn)較明顯沖刷，主橋右側(cè)橋頭繞流處未見明顯沖刷。橋墩處沒有較大連續(xù)形的淤坎，床沙質(zhì)以沙波的形式向下游河道擴(kuò)散，對(duì)橋上游水位、河道泄洪沒產(chǎn)生不利影響。橋墩下游墩尾處產(chǎn)生長(zhǎng)條形的淤積小丘，范圍較小。橋墩局部沖刷沖坑的平面形狀似馬蹄形，沖坑最深點(diǎn)位于主橋通航孔的橋墩上游，沖刷深度為4.51 m。

3 結(jié)語

根據(jù)河工模型試驗(yàn)成果的研究分析，雖然橋梁推薦方案比原設(shè)計(jì)方案多17個(gè)橋孔，投資更大一些，但是在河道行洪、通航及綜合效益等方面，推薦方案均優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃方面考慮，將本試驗(yàn)推薦方案作為工程方案。