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的水流流態、河床演變變得十分復雜[1]。此外,橋下流速增大、流向變化,對河岸也會產生沖刷,這樣的結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用價值。

物理模型試驗是研究復雜的水工問題和水流現象及河道范圍內修建跨河橋梁工程評價分析最常用的工具,相較于數學模型,是解決復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,為設計方案優化,提出減輕和消除行洪影響的措施以及行政審批提供科學依據。

1 工程概況

池州長江公鐵大橋位于江口港區下游,距離上游崇文洲洲尾約4.7 km,工程規模為公鐵合建,按照4 線鐵路+6 車道公路的標準建設,其中兩線為合池高鐵,兩線為預留鐵路,公路為6 車道高速公路,為南北高速路網連接線。通過對通航條件、兩岸地形及相關規劃進行分析,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 模型設計相似條件

根據本項試驗研究的目的、內容和要求,河工模型按重力相似和阻力相似準則進行設計。

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。

為保證模型和原體相似,模型水流處于阻力平方區,模型雷諾數Rem＞1000,根據場地及研究內容確定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果見表1。

2.4 模型范圍及量測系統

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系曲線,確定不同流量下尾門控制水位。模型試驗量測系統包括：VDMS 粒子流場測量系統；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圖

圖5 工程前平灘流量下橋址附近流態圖

圖6 工程前20 年一遇流量下橋址附近流態

圖7 工程前100 年一遇流量下橋址附近流態

圖8 工程前300 年一遇流量下橋址附近流態圖

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,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,隨著水流交匯整,至橋軸位置斷面流速分布呈單峰形態,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。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,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,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 范圍內各斷面水流流向與橋軸線法向交角總體表現為橋區北側流向略偏南,橋區南側流向略偏北,但交角均較小,交角基本不超過5°,主航道內交角不超過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,橋區流向變化較小,僅限在主墩周邊局部區域由于橋墩阻水繞流流向略有變化,橋區上下游主航槽內流向無明顯變化。

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內流速出現不同程度減小,水流受橋墩擠壓,主跨及兩側邊跨內流速有不同程度增加。南主墩位于南側近岸五更磯下段,床面高程約-2.0 m,北主墩位于深槽近北岸側,床面高程約-12.5 m,根據單寬流量計算,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影響范圍約為3 km,南主墩下游掩護區影響范圍約為2 km。橋址下游200 m 斷面處北主墩掩護區速減小約0.15 m/s,橋址下游2.0 km 斷面處橋墩掩護區流速減小約0.04 m/s。橋址下游200 m 斷面處南主墩掩護區速減小約0.10 m/s,橋址下游1.5 km 斷面處橋墩掩護區流速減小約0.03 m/s。工程后橋軸線以下主河槽內測點流速有所增加,橋址下游0.5 km 處主槽內測點流速增幅約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的影響,得出如下結論：

（1）工程后沿岸壅水主要在橋址上游300 m 范圍內,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內流速出現不同程度減小,主跨及兩側邊跨內流速有不同程度增加。工程后北主墩下游掩護區影響范圍約為3 km,南主墩下游掩護區影響范圍約為2 km。工程后橋軸線以下主跨及兩側邊跨內測點流速有所增加,橋址下游0.5 km處主槽內測點流速增幅約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,工程區上游100 m至下游400 m 范圍內北側近岸邊坡流速增加0.02 m/s～0.05 m/s,上游50 m 至下游200 m 范圍內南側近岸邊坡流速增加0.02 m/s～0.03 m/s。