內(nèi)河航道橋墩通航影響物理模型試驗(yàn)研究

湯海平，劉中峰、李明

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510635）

1 研究背景

為緩解縣城內(nèi)部路網(wǎng)交通壓力，加強(qiáng)博羅縣城東江兩岸及其與惠州主城區(qū)的交通聯(lián)系，促進(jìn)江南新區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，博羅縣交通運(yùn)輸局組織開展了博中東江大橋建設(shè)前期工作。博中東江大橋橫跨東江，位于劍潭樞紐下游約2.3km 處，其建設(shè)對(duì)東江擴(kuò)能升級(jí)工程，尤其是劍潭樞紐船閘改擴(kuò)建工程后的主航道通航水流條件可能產(chǎn)生影響[1-3]。為評(píng)估論證上述影響的程度，有必要通過物理模型試驗(yàn)對(duì)大橋建設(shè)前后的通航水流條件進(jìn)行對(duì)比研究，為工程決策及方案優(yōu)化提供技術(shù)支撐[4-6]。

2 概況

2.1 東江概況

東江是珠江流域的主要河流之一，與西江、北江和珠江三角洲組成珠江。其發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻缽，上游稱尋鄔水，南流入廣東境內(nèi)，至龍川合河壩匯安遠(yuǎn)水（又名定南水）后稱東江。石龍以上為東江干流，長度520km，河道平均比降為0.39‰，流域總面積27040km2，其中廣東省境內(nèi)23540km2，占87.06%，江西省境內(nèi)3500km2，占12.94%。石龍以下分兩支進(jìn)入東江三角洲網(wǎng)河區(qū)。

觀音閣至石龍長150km，為東江下游，本文擬建大橋即位于該河段。東江下游兩岸為平原，設(shè)有堤防，江心洲（灘）眾多，一般河寬400m～800m，河床為沙質(zhì)，平均坡降0.173‰[7-8]。

2.2 擬建大橋概況

擬建的博中東江大橋橫跨東江，北側(cè)接博羅縣老城區(qū)博中路，南側(cè)接江南新城的江南大道。橋梁所處東江河面寬度約600m，橋軸線距離上游劍潭樞紐約為2.3km。設(shè)計(jì)主橋采用（28+102+280+123）m 雙塔單索面混凝土梁斜拉橋方案，主橋（4#及5#）橋墩采用圓角矩形墩（尺寸為16.5m×8.5m），主跨（通航孔）凈寬為271.5m。

2.3 劍潭樞紐船閘概況

劍潭樞紐現(xiàn)建有一線船閘，為500 噸級(jí)船閘，有效尺度為130×16×3.0m（長×寬×門檻水深），設(shè)計(jì)單向通過能力330 萬噸。東江航道擴(kuò)能升級(jí)工程在2017 年即已開展前期研究工作，其中包括對(duì)劍潭樞紐船閘進(jìn)行改擴(kuò)建。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[9]，劍潭樞紐船閘改擴(kuò)建工程擬采用雙線船閘方案。即：對(duì)現(xiàn)有船閘進(jìn)行改造，現(xiàn)有船閘閘室作為上游引航道一部分，將其改造為閘室有效尺度280m×16m×4.5m 的1000t 級(jí)船閘；同時(shí)，在現(xiàn)有一線船閘右岸側(cè)新建1 個(gè)1000t 級(jí)船閘，閘室有效尺度為280m×23m×4.5m，兩個(gè)船閘軸線距離約40m。目前，雙線船閘方案已基本確定，部分細(xì)節(jié)仍在繼續(xù)論證和優(yōu)化。本次研究即以該雙線船閘方案實(shí)施后的情況作為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上分析建橋的影響。

東江航道擴(kuò)能升級(jí)工程按內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道、通航1000 噸級(jí)船舶標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。如圖1 所示，擬建大橋附近航道寬度60m，位于擬建4#橋墩和5#橋墩之間。船閘停泊區(qū)布置在大橋上游右岸，距離大橋軸線約288m。

圖1 雙線船閘航道與擬建橋墩相對(duì)位置關(guān)系示意圖

3 模型設(shè)計(jì)及水文組次

3.1 模型設(shè)計(jì)

結(jié)合工程附近河勢(shì)，根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及要求，物理模型的范圍確定為：上邊界取至樞紐壩軸線上游約4.5km，下邊界取至樞紐壩軸線下游約5.0km（大橋下游約2.7km）處，模擬河道總長度9.5km。

根據(jù)試驗(yàn)要求，本模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)成1:80的正態(tài)模型[10-12]，由此得模型其他主要比尺為：流速比尺，流量比尺，時(shí)間比尺，糙率比尺。

模型河道地形和樞紐各建筑物按幾何相似縮制，其中，河道地形用河沙塑造，水泥砂漿刮制；橋墩和劍潭水利樞紐等涉水建筑物用杉木精制，表面上蠟拋光。模型制作完成后，對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證率定，結(jié)果顯示模型精度滿足相關(guān)要求，可用于通航影響試驗(yàn)研究。受篇幅所限，不再對(duì)驗(yàn)證率定工作進(jìn)行贅述。

3.2 試驗(yàn)水文組次

根據(jù)通航論證的需要，結(jié)合劍潭樞紐運(yùn)行調(diào)度情況，試驗(yàn)考慮了洪、中、枯各種流量條件，選取5 個(gè)典型的試驗(yàn)組次，具體邊界及試驗(yàn)控制條件見表1。

表1 物理模型試驗(yàn)水文組次

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 建橋前通航水流條件

建橋前試驗(yàn)顯示，下引航道口門區(qū)及連接段在下泄水流沖擊及水流橫向擴(kuò)散作用下，水流偏向右岸，但橫向流速基本未超過0.30m/s。向下游至橋區(qū)附近，上述水流沖擊及水流橫向擴(kuò)散作用逐漸減弱，加之橋軸線基本與主航道垂直，且此河段比較順直，擬建大橋附近航道水流比較平緩，且流向基本與航道方向一致。

橋軸線及其上下游各兩個(gè)斷面的特征流速情況表明，擬建大橋橋址附近水流表面流速隨著流量的減小而減小，5 個(gè)試驗(yàn)組次的水流均相對(duì)平緩。其中，橋軸線所在斷面主墩（4#、5#）之間表面流速最大值為1.73m/s，平均流速介于0.49m/s～1.51m/s 之間；橋軸線上游100m處表面流速最大值為1.72m/s，平均流速介于0.59m/s～1.51m/s 之間；橋軸線上游200m 處表面流速最大值為1.70m/s，平均流速介于0.63m/s～1.52m/s 之間；橋軸線下游100m 處表面流速最大值為1.75m/s，平均流速介于0.61m/s～1.43m/s 之間；橋軸線下游200m 處表面流速最大值為1.60m/s，平均流速介于0.62m/s～1.36m/s 之間。據(jù)此可知，擬建大橋橋址附近無明顯橫向流速，縱向流速普遍不大，通航水流條件較好。

4.2 建橋后通航水流條件變化

擬建大橋采用大跨度280m 一孔跨過通航水域，橋墩迎水面寬度8.5m。試驗(yàn)結(jié)果顯示，水流沖擊橋墩迎水面形成繞流，在橋墩兩側(cè)及其下游產(chǎn)生粼波等不良流態(tài)，各組次不良流態(tài)出現(xiàn)的最大范圍約為橋墩兩側(cè)各10m，橋墩下游50m。考慮到4#和5#主墩距離主航道相應(yīng)邊線的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，分別為146m 和70.5m，上述不良流態(tài)基本不會(huì)影響到主航道的通航水流條件。

經(jīng)建橋前、后橋址附近測(cè)流斷面特征流速對(duì)比分析，可將擬建橋墩對(duì)流速的影響歸納為如下幾點(diǎn)：

（1）橋墩對(duì)流速的影響程度隨著流量的增加而增大，10 年一遇洪水組次流速變化最大，流量減少至650m3/s（2 臺(tái)機(jī)發(fā)電）時(shí)，橋墩對(duì)各斷面流速的影響基本消失。

（2）橋墩對(duì)流速的影響范圍局限在橋墩周邊水域，隨著距離的增加，其影響逐漸減弱。具體而言，沿水流方向，橋軸線斷面流速變化最大，向上、下游各200m以外區(qū)域，其流速基本不再受橋墩的影響；沿河寬方向，各斷面流速變化影響較大的范圍主要分布在與橋墩距離較近的兩端位置，從兩端向中間（即從航道外向航道內(nèi)），其影響逐漸減弱，主航道范圍內(nèi)流速基本未發(fā)生變化。由于斷面最大流速基本靠近主航道，故建橋沒有改變各斷面的最大流速值。

（3）橋墩引起的流速變化規(guī)律主要表現(xiàn)為：橋墩上游因橋墩阻水而流速有所減小，橋軸線及下游附近水域則由于橋墩的束水作用而流速有所增大；各斷面工程前后均未觀察到橫向流速，通航水流條件無惡化趨勢(shì)。

（4）從具體變化數(shù)值上看，流速變化最大的橋軸線斷面在10 年一遇洪水組次下，靠近5#主墩的測(cè)點(diǎn)流速增加最大值為0.11m/s，斷面平均流速增加約0.02m/s，不致對(duì)通航水流條件產(chǎn)生明顯不利影響。

總的來看，由于橋址所處河面寬闊（約600m），擬建大橋主墩迎水面寬度相對(duì)較小（8.5m），且進(jìn)行了圓角導(dǎo)角處理，因此其對(duì)河道的束窄作用及阻水作用都較小，對(duì)橋區(qū)河段主航道及錨地的流速影響不大，通航水流條件未發(fā)生明顯不利變化。

4.3 建橋影響分析

擬建大橋橋墩尺寸較小，體型也進(jìn)行了圓角導(dǎo)流優(yōu)化處理，從試驗(yàn)結(jié)果看，建橋?qū)Ω浇佣瘟鲬B(tài)、流速的影響范圍和程度都較小，通航水域流速?zèng)]有明顯增加，也未出現(xiàn)影響行船安全的嚴(yán)重不良流態(tài)。此外，擬建大橋主墩跨距達(dá)280m，橋墩距主航道較遠(yuǎn)，為安全行船預(yù)留了足夠空間。因此，擬建大橋的修建對(duì)附近水域的通航水流條件改變較小，基本不會(huì)影響船舶的正常安全通行。

4.4 橋墩布置原則

隨著內(nèi)河航道通航管理要求的不斷提高，橋墩布置成為新建橋梁工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵難題。根據(jù)本文橋墩研究，橋墩承臺(tái)一般應(yīng)置于河床面之下，尺寸較大的承臺(tái)會(huì)減小通航孔凈寬；橋墩形狀應(yīng)避免做成直角，宜進(jìn)行圓角導(dǎo)流處理，盡量降低對(duì)通航水流條件的影響。同時(shí)，橋梁設(shè)計(jì)過程中要及時(shí)與航道管理部門溝通協(xié)調(diào)，避免因橋墩位置不滿足通航要求而對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)推翻重來的情況出現(xiàn)。

5 結(jié)語

（1）通過1:80 模型比尺的整體定床物理模型試驗(yàn)，結(jié)合樞紐運(yùn)行調(diào)度情況，按洪、中、枯選取典型水文組次，系統(tǒng)的研究了擬建博中東江大橋?qū)Ω浇降浪鳁l件的影響。

（2）試驗(yàn)顯示，擬建大橋橋墩尺寸較小，并對(duì)體型進(jìn)行了圓角導(dǎo)角優(yōu)化處理，修建后對(duì)附近河段流態(tài)、流速的影響范圍和程度均較小，通航水域縱向流速及平均流速變化幅度不大，也未出現(xiàn)影響行船安全的橫向流速等不良流態(tài)，不會(huì)對(duì)通航船舶安全造成明顯不利影響。

（3）本研究主要通過航道水流條件對(duì)擬建大橋建設(shè)的通航影響進(jìn)行了初步研究，在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中建議開展船模試驗(yàn)，進(jìn)一步論證通航水流條件，確保通航安全。