商合杭铁路芜湖长江大桥通航条件及水动力影响试验研究

陈 述，张世钊，赵维阳，夏云峰

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司， 武汉430050；2.南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210024；3.长江航道规划设计研究院， 武汉 430000)

商合杭铁路芜湖长江大桥工程位于大拐弯道以下与芜裕河道之间的展宽河段，水流条件复杂，工程下游3.5 km为已建的芜湖长江公铁大桥，南岸为芜湖港区，工程区通航水动力条件以及桥墩布设对下游已建大桥通航影响，实现两桥通航衔接这些敏感的问题都是需要深入研究。本文在分析工程区水动力及河势演变特点基础上进行通航论证，对大桥桥址以及修建后的桥区通航水动力条件进行研究分析，进而科学合理布设桥墩及通航孔，最大程度减小对船舶通航影响。

1 自然条件

商合杭铁路芜湖长江大桥处于芜裕河段，桥位距下游已建芜湖长江公铁大桥约3.5 km。芜裕河段上起三山河口，下迄东梁山，长约49.8 km(图1)。大拐以上为上段，称大拐弯道段，长约25.3 km。大拐以下为下段，河道逐渐展宽，形成分汊，称为裕溪分汊河段。大拐弯道段进口承接黑沙洲汊道汇流，深泓傍右岸，过保定圩以后逐渐向左岸过渡，三坝以下深泓傍左岸。长江在蛟矶上游形成一急转弯，转弯角度95°左右，转弯半径2 km左右，转弯角度大，半径小，河道在此走向由东西向拐为南北向，左岸山西咀突出，为河道急拐弯的弯顶，大拐段平均河宽1 795 m(5.0 m水位)。裕溪分汊段的洲头以上干流段，自大拐至曹姑洲头长约10.1 km，该段河道顺直，自上而下逐渐展宽，河道由1 280 m逐渐展宽到3 000 m，平均每公里河道展宽220 m。河道深槽偏靠右岸，芜湖段进口右岸桂花桥以下有大片抗冲性较强的硬质泥边滩，0～-5 m边滩最大宽度630 m，占该断面0 m河宽的45%左右，-5 m边滩外缘河床坡度较陡，深槽逼近，数十年来河床微冲，青弋江出口以下山前基座阶地紧靠江边，河岸组成多为下蜀土，厚度10～15 m，沿岸有弋矶山、广福矶临江而立，控制芜湖段河床变化。曹姑洲头至东梁山，河道分汊，曹姑洲、陈家洲顺列江中，水流分散，汊道分流比变化较大。

图1 桥址河段河势图Fig.1 River regime of bridge site

1.1 水位特征

商合杭铁路芜湖长江大桥所在河道属于感潮河段，本河段水位受长江径流与潮汐双重影响，主要受长江径流控制， 一般每年5～10月为汛期，11月～次年的4月为枯季，水位每日两涨两落，为非正规半日潮型，一个涨落潮周期为12h 25 min。桥址附近芜湖站历年最高水位10.99 m(1954-08-01),最低水位0.23 m(1963-02-05),多年平均水位4.66 m。

1.2 流量、泥沙特征

大通站历年最大流量92 600 m3/s(1954-08-01)，最小4 620 m3/s(1979-01-31)，平均流量28 330 m3/s。三峡水库蓄水运行后全年入海总量不变，年内分配有所变化，主要表现在年最枯月份流量有所增加，洪季6～9月份下泄流量不变，汛后10月份流量有所减小。

2 物理模型

河工模型满足重力相似、阻力相似、泥沙运动等相似准则，泥沙运动及其引起河床变形相似条件如下[1-2]

泥沙起动相似

αV0=αV

(1)

(2)

泥沙悬浮扩散相似

αω=αV*

(3)

泥沙输沙相似

αp=αp*，αs=αs*

(4)

(5)

图2 模型布置图Fig.2 Layout of physical model

式中：αV0为泥沙起动流速比尺;αω为泥沙沉降流速比尺;αV*为沙粒摩阻流速比尺;αp为底沙输沙量比尺;αp*为底沙输沙能力比尺;αs、αs*分别为悬沙挟沙量和挟沙能力比尺;αγ0为泥沙干容重比尺;αt2为河床冲淤变化时间比尺。

模型水平比尺λl取500，垂直比尺λh取120，变率为4.17，模型上游边界位于大拐弯道上段伍显殿，采用量水堰进行流量控制，下游边界位于东、西梁山，采用手摇式推拉尾门进行水位控制(图2)。通过对模型水面线、断面流速分布及汊道分流比验证，以及河床地形冲淤变化相似的验证，表明物理模型与现场水流运动及河床地形冲淤变化具有较好的相似性。

3 桥址河段水流运动特性

3.1 沿程水位

芜湖段上游有大拐弯道，水流在蛟矶附近形成急转弯，造成大拐段河道右岸水位明显高于左岸水位(表1)，20 a一遇洪峰流量下弯顶两岸存在20 cm的水位差。水流经过大拐弯道后开始平顺进入芜湖段，两岸水位差逐渐趋缓，桥址处两岸水位差较小。两岸水位差随上游来流增大呈增加趋势。

表1 芜湖段桥址附近水位差Tab.1 Water level difference between the two sides of the bridge site in Wuhu section of Yangtze River cm

3.2 流速、流向分布

水流经过大拐弯顶至桥址附近，表面流速断面分布由单一分布向“M”型断面分布过渡，进入芜河段又逐渐向单一断面分布过渡(图3)。各级来流下，大拐弯道出口“M”型断面表流速分布随流量增加表现得越为明显。

3-a各级流量断面表层流速分布(1#断面)3-b各级流量断面表层流速分布(3#断面)3-c各级流量桥轴线断面表层流速分布图3 大拐至桥址沿程断面各级流量下表面流速分布Fig．3SurfacevelocitydistributionattheflowlevelalongthecrosssectionfromDaguaitobridgesite

图4 最大通航流量时桥址河段表流迹线图Fig.4 Diagram of river surface flow at bridge reach at the maximum navigable flow

3.3 表面流迹线

各级流量下，水流经约3 km过渡进入顺直段，至桥址附近水流基本趋于平顺，主流贴右岸深槽，但是上游大拐弯道下段出口“M”型断面表流速分布的影响仍然存在，加上河宽呈放大趋势，因此桥址附近左侧表面流向呈左偏趋势，而右侧呈右偏趋势。平滩流量、20 a一遇流量和100 a一遇流量下，桥址附近上下游4倍设计代表船长范围内流迹线与桥梁轴线法线夹角基本在4°以内，其中主通航孔内最大夹角为4.1°, 辅助通航孔内最大夹角为5.6°。

4 建桥对工程河段水动力的影响

4.1 桥式布置方案

商合杭铁路芜湖长江大桥采用(98+238+588+224+84)m的跨度布置。由于右主墩位于主流区，阻水作用相对明显，建桥后会引起边坡局部流速增加，同时考虑本桥距已建芜湖大桥较近，为尽可能减小工程对河道防洪及桥区通航的影响，对设计方案进行了优化，降低了主墩承台高程，使承台顶位于河床面以下。

表2 百年一遇洪水桥址附近沿岸壅水Tab.2 Nearshore backwater near the bridge site in one hundred year flood condition cm

4.2 沿程水位变化

各级流量下，建桥后桥址上下游沿程水位无明显变化，影响仅限于桥址附近较小范围内，最大壅水位于桥址上游50～100 m附近，右岸沿岸壅水值大于左岸沿岸壅水值，右岸最大壅水为4 cm。100 a一遇洪水壅水见表2。

4.3 流速变化

由于桥墩阻水作用，桥址上游和主墩下游掩护区内水动力呈不同程度减小趋势，右主墩处于主流区，其阻水作用大于左主墩，右主墩下游影响区范围要大于左主墩。100 a一遇洪水时，右、左主墩影响范围分别约为桥址下游3 500 m和3 000 m。受主桥墩的挤压，桥址下游主桥墩之间水动力不同程度增加，桥址右岸近岸流速也有所增加，最大增幅约为0.18 m/s。100 a一遇流量下桥址附近主流区流速变化等值线见图5。

图5 100 a一遇流量时建桥前后流速变化等值线图Fig.5 Contour map of flow velocity before and after bridge construction in one hundred year flood condition

4.4 流向变化

由于右主墩阻水作用强于左主墩，建桥后两主墩间主通航孔间流向呈左偏趋势，4倍设计代表船长范围内流迹线与桥梁轴线法线方向的夹角变化为0.5°～1°，右侧副通航孔流向呈右偏趋势，幅度为1°～2°，左侧副通航孔流向呈左偏趋势，幅度为2°左右。

5 建桥对工程河段通航的影响

5.1 对水流条件的影响

(1)表面流速。

建桥后，通航孔区域上游流速减小，下游流速增加。桥址附近流速减小幅度相对较大，随着距离增加工程影响逐渐减弱。最大通航流量时主通航孔区域表面流速变化见表3。

表3 最大通航流量下上下游断面表面流速变化Tab.3 Surface velocity variation of upstream and downstream section at the maximum navigable flow cm/s

(“+”表示增加，“-”表示减小)

(2)表面流向。

试验研究表明，建桥对桥址上下游流迹线影响较小，建桥前后主跨内流迹线没有发生明显偏转，本桥与已建芜湖大桥通航孔区域的水流能平顺过渡。右、左主桥墩附近流迹线会有所变化，其中右主墩产生的影响相对要大。

建桥后，桥址上游主跨内流迹线与桥法线交角仍保持在4°以内。由于右主墩阻水作用强于左主墩，主通航孔流向呈左偏趋势，幅度为0.5°～1°，右侧副通航孔流向呈右偏趋势，幅度为1°～2°，左侧副通航孔流向呈左偏趋势，幅度为2°左右。

表4 不同流量级主桥墩单侧紊流宽度Tab.4 Single side turbulent width of main piers of different flow levels m

(3)桥墩紊流宽度。

《内河通航标准》[3]中关于河道中建筑物通航净宽的取值并未明确规定，只是要求根据船舶航行安全的需要适当放宽，因此许多学者做关于桥梁紊流宽度方面的研究。沈小雄[4]、何小花[5]、 胡旭跃[6]等分别通过概化水槽试验，确定了桥墩侧边缘的紊流宽度，并给出了桥墩最大紊流宽度随断面平均流速变化的关系。本次试验通过小威龙三维流速仪分别对不同流量条件下主桥墩横轴线断面单侧紊流强度分布进行了量测，分析有、无桥墩时水流紊流强度的变幅，模型中以设桥墩后的紊流强度变化 0.1 cm/s为界，进而确定的桥墩紊流影响范围作为紊流宽度，不同流量级主桥墩紊流宽度试验结果见表4。

5.2 对航道条件的影响

试验表明，平常年水文条件下，建桥对桥区地形冲淤变化影响较小；大洪水条件下，建桥对河床地形变化影响主要表现为桥址附近上下游局部范围，对河势影响不大；建桥后对河床地形变化影响主要表现为桥址附近，由于桥墩的阻水影响，引起桥址附近河床的一般冲刷约为0.5 m，影响范围为桥址以下3 km内。建桥后对工程后河段的航道维护与稳定不会产生不利影响。

5.3 对通航安全的影响

(1)通航高度要求。

桥址河段属内河I-⑴级航道，根据《内河通航标准》[3]规定，本桥通航净高应不小于24 m。另外，本着面对现实、留有余地的原则，商合杭铁路芜湖长江大桥以铜陵长江大桥为控制节点，铜陵大桥下游按32 m通航净高控制，铜陵大桥上游仍按24 m控制。本桥位于铜陵—南京段，为满足船舶大型化和航运发展需要，按航道部门与地方政府达成的共识，本桥通航净高应不低于32 m。

(2)通航净宽要求。

拟建桥轴线法向方向与水流方向交角不超过5°,综合考虑航道等级及主、副桥墩紊流宽度的影响，根据《内河通航标准》中相关计算方法，分别对单孔单向和单孔双向通航净宽进行计算。由此计算得出桥位处单孔双向和单孔单向最小通航净宽分别为543 m和294 m。该数值是基于桥梁选址符合规范的有关规定前提下计算得出的，且为理论计算值，在实际确定时还应考虑河道条件、深泓摆动幅度、通航条件等因素的影响。

(3)通航孔布置适应性分析。

本桥主桥孔跨布置为(98+238+588+224+84)m(图6)，通航净高按不低于32 m设计，满足上述通航净空尺度的要求。除此之外，孔跨和墩位布置与通航其他方面的适应性分析如下。

桥区河段航行基面下6m等深线全年贯通，水深条件良好，桥位处年际间6 m等深线宽度在1 070～1 350 m范围内变化，该方案基本覆盖了深槽水域范围。该桥跨布置与下游已建芜湖长江大桥通航桥孔平顺衔接。

图6 单孔双向通航桥式方案布置图Fig.6 Layout plan of single hole two-way navigation bridge scheme

6 结论

(1)研究表明天然情况下，桥址断面左右岸水位差较小，主流贴右岸；受上游大拐弯道的影响，桥址附近左侧表面流向呈左偏趋势，右侧呈右偏趋势。各流量下桥址处主流流向与桥址法向交角不超过4°。

(2)建桥后，沿岸壅水主要在桥址上游500 m范围内，最大壅水位于桥址上游约50～100 m；桥址上游流速有所减小，下游流速有所增加。由于右主墩阻水作用强于左主墩，主通航孔间流向呈左偏趋势。根据试验结果，将主墩承台降低于河床面以下，减小工程对河道防洪及通航的影响。

(3)建桥对桥区通航水流条件影响不大，不会对该河段的航道维护与稳定产生不利影响；通航孔布置方案能满足最小通航净宽和净高的要求，能履盖规划水深条件下的通航水域范围，基本符合桥区河段习惯航法，满足多线通航要求。

[1]李昌华,金德春.河工模型试验[M].北京:人民交通出版社,1981.

[2]谢鉴衡.河流模拟[M].北京:水利电力出版社,1990.

[3]GBJ50139-2014，内河通航标准[S].

[4]沈小雄,程永丹. 航道边线与桥墩之间安全距离的研究[J]. 水运工程,2004 (11):85-87.

SHEN X X, CHENG Y D. Study on the safety distance between the waterway border and the pier[J]. Port & Waterway Engineering, 2004 (11):85-87.

[5]何小花.桥墩紊流宽度的试验研究[J].水利水运工程学报,2006(3):49-53.

HE X H. Experimental study on the turbulence width of pier[J]. Hydro-ScienceandEngineering, 2006(3):49-53.

[6]胡旭跃.圆端形桥墩侧向紊流宽度的试验研究[J],水利水运工程学报,2009(3):8-12.

HU X Y. Experimental study on the lateral turbulent width of circular end piers[J]. Hydro-Scienceand Engineering, 2009(3):8-12.

[7]丁坚，吴腾，邵雨辰，等.成子河船闸引航道与泄洪河道交汇区域通航水流条件与改善措施研究[J].水道港口，2016(2)：166-169.

DING J, WU T, SHAO Y C,et al. Study on the conditions of navigation flow condition and improvement measures in the intersection area of the ship lock channel and the flood discharge channel of Chengzi River [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2016(2):166-169.

[8]陈野鹰，李兴亮，刘志敏.库区连续急弯段的通航水流条件研究[J].水道港口，2016(5)：520-523.

CHEN Y Y, LI X L, LIU Z M. Study on navigation flow condition of continuous sharp bend in the reservoir area [J]. Journal of Waterway and Harbor, 2016(5):520-523.