青山樞紐改造工程左汊橋位布置方案試驗研究

鄧燦，曹凌瑞，李明，王能

（1.湖南省湘水集團有限公司，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學水利工程學院，湖南 長沙 410114;3.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410200）

青山樞紐是一個以提水灌溉為主，兼顧航運、發電等綜合利用的水利工程。澧水在青山樞紐上游約1.5km處分為兩汊，右汊為澧水干流原始航道，左汊繞至臨澧縣新安鎮，轉向東南于芭茅渡與右汊匯合，兩汊之間為洞子坪洲。青山樞紐船閘下游航道是澧水石門至澧縣的重要交通航線，樞紐改建工程實施后左汊通航，原左汊下游漫水橋因阻礙通航需要拆除。為了解決洲上居民出行問題以及促進當地旅游經濟發展，在樞紐左汊需要重新架設橋梁。橋位選擇不理想則會使河道的水流條件發生改變，惡化通航環境，從而增加船舶航行難度。

根據樞紐下游河勢及水流條件，設計單位給出了兩個擬建橋位布置方案（圖1）。其中方案一橋位下距樞紐下游口門區右側導流墩約3500m，方案二下距下游右側導流墩約100m。本文針對橋位選址的兩種方案，采用整體定床物理模型和遙控自航船模相結合的試驗方法，對左汊航道通航條件進行研究分析，為橋位選擇提供依據。

圖1 青山樞紐物理模型口門區下游圖

1 模型設計與驗證

1.1 整體模型簡介

整體物理模型主要是根據研究內容、模擬河段范圍、試驗場地和設備條件等，依據物理模型基本相似理論進行設計。物理模型必須滿足幾何相似、水流運動相似、動力相似及阻力相似。根據本項目所要研究的內容，同時考慮船舶模型必須在物理模型上進行相應試驗的要求，物理模型采用正態定床模型。根據該項目要求模擬河段的范圍（圖1），結合試驗場地大小、船舶模型試驗要求、模型最小水深要求等，物理模型幾何相似采用1:110 正態比尺。

經與實測樞紐下游河段沿程水位、流量、斷面流速等參數對比，模型與原型水面線基本一致，且各項指標的偏差均符合《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》（JTS/T231-4-2018）的技術要求。

1.2 船模試驗簡介

經率定，船模直線航行平穩，吃水與實船相符，航速與操縱性符合規范要求。

綜上，所制作的物理模型、船舶模型可作為青山樞紐下游彎曲航道優化工程模型試驗研究的基礎。

2 左汊水流條件分析

樞紐左汊下游航道，在來流≤8910m/s 的條件下，下游口門區附近水流整體相對平順。當Q=8910m/s 時，下游引航道口門區縱向流速約為1.3m/s，絕大部分水域橫向流速不超過0.3m/s（見圖2），左岸附近有局部回流，但在航道線之外，對船舶通航不會造成太大影響，下引航道連接段最大縱向流速1.6m/s（見圖3），水流條件基本滿足規范要求。但在下游大約2600m 起，航道位于彎道地形處。該彎道全長約1700m，寬約465m，彎曲半徑約為1282m，該段水流流速較大，水流流態極為復雜，局部縱向流速達到2.54m/s，來往船只受橫向流速影響較大，航行難度大。

圖2 下游口門區流場圖

圖3 下游航道流場圖

3 橋位選址方案

3.1 方案一

橋位選擇在下游口門區距右側導流墩約3500m處，處于彎曲河段，橋位上下游3 倍船舶長度范圍內采取直線布置，與上下游航道彎道銜接。

共調查28個村落,主要分布在太湖流域。其中上海市12個、江蘇省11個、浙江省5個,鄉村性高村落16個,鄉村性低村落12個,村落地理分布如圖1所示。共調查4類生境的134個植物群落,各生境調查樣點數量分布如表3所示。

3.1.1 橋區航線布置

為驗證橋區船舶航行情況，對該橋位布置方案進行船模航行試驗。并根據試驗成果在原有航線基礎上對該段航道航線進行優化調整，以探究此橋位布置方案的可行性。因中低流量下水流流速小，通航較為安全，故試驗流量采用設計最大通航流量為8910m/s。各航線布置情況見圖4。

圖4 航線布置圖

航線1：距下游右側導流墩下游3300m-3800m 范圍內直線布置，航線寬為90m，與上下游航道彎道銜接，船舶采用左側上行右側下行方式航行。

航線2：仍然采用船舶左側上行右側下行方式航行，其中，在航線1 基礎上距下游右側導流墩下游2600m-4300m 范圍內下行航線航線向右偏22.5m，橋位上下游3 倍船舶長度范圍直線布置，與上下游航道彎道銜接。

航線3：仍然采用船舶左側上行右側下行方式航行，其中，在航線1 基礎上距下游右側導流墩下游2600m-4300m 范圍內下行航線向右偏42.55m，橋位上下游3 倍船舶長度范圍直線布置，與上下游航道彎道銜接。

航線4：仍然采用船舶左側上行右側下行方式航行，其中，在航線1 基礎上距下游右側導流墩下游2600m-4300m 范圍內下行航線向右偏62.5m，橋位上下游3 倍船舶長度范圍直線布置，與上下游航道彎道銜接。

3.1.2 船模試驗結果分析

結合船模航態圖分析可知：航線1 船舶能安全上行，但下行船舶無法避開上行船舶。航線2、3、4 船舶能安全上行，下行船舶能避開上行船舶，但在過彎時最大舵角超過30°，稍有不慎，船舶會偏離下行航線，存在較大安全隱患。航線5 船舶下行舵角控制在20°以內，船舶向凹岸漂移，漂距約50m；上行最大舵角19.36°，船舶在距下游右側導流墩3200m 處向凹岸漂移距較大，存在較大安全隱患。

各航線工況下船模航態圖見圖5。

圖5 船模航態圖

試驗結果表明：船舶按方案一橋位各航線航行均存在一定安全隱患，結合《航道工程設計規范》要求，航道軸線方向與水流方向夾角不宜大于5°，優先選擇水流穩定，航道軸線平順、避免連續轉向的地勢。故不建議在此橋位布置新建橋梁。

3.2 方案二

針對下游彎道處橋位的布置會對船舶通航造成一定的安全問題，提出新的布置方案。經對下游口門區附近流場的測量發現，該段航道水流平順，航線順直，可布置橋梁。

3.2.1 試驗布置

橋位位于距下游口門區右側導流墩100m 處。同樣，對該橋位布置進行船模航行試驗，流量為8910m3/s。

圖6 方案二橋位布置示意圖

3.2.2 試驗結果分析

試驗結果表明：船舶在上下行行駛時航態平順，船舶下行舵角在10°以內，船舶向凹岸漂移，漂距范圍在5m 之內；上行最大舵角7.76°，漂距范圍在4m 之內。船舶上下行航行舵角、漂角、漂距均在《內河通航標準》[要求范圍內，即船舶可以在最大通航水位下安全行駛。由此可知，此橋位布置方案可滿足橋區船舶通航要求。

圖7 船模航態圖（Q=8910m3/s）

4 結論

模型試驗成果表明，受彎曲河道水流影響，在最大通航水位工況下，橋位布置方案一中船舶航行存在較大的安全隱患，不宜采用。橋位布置方案二中船舶航行受水流條件影響較小，航行姿態滿足規范要求，推薦采用該橋位方案。研究成果解決了青山樞紐改造工程左汊新建橋梁橋位選擇問題，可供類似項目參考。