基于韶关北江大桥汇流河口桥梁通航适应性分析

赵凌宇 中铁建港航局集团勘察设计院有限公司

《内河通航标准》规定：“水上过河建筑物选址应避开滩险。通航控制河段、弯道、分流口、汇流口；水上过河建筑物在下游时不得小于顶推船队长度的4 倍或拖带船队长度的3倍，水上过河建筑物在上游时不得小于顶推船队长度的2倍或拖带船队长度的1.5倍。”韶关北江大桥位于浈江和武江交汇河口下游约600m处，受浈江、武江汇流影响，桥区通航条件相对复杂。通过建立桥区三维数值模型，对通航船舶操纵模拟提供水动力条件。采用通航船舶操纵模拟器对不同工况下桥区通航条件进行了模拟分析，并结合A ASHTO 模型对桥梁碰撞概率进行计算分析，对桥梁通航适应性进行了综合分析。

1.工程概况

1.1 依托项目

本工程为北江航道扩能升级上延工程，位于广东省韶关市，航道建设范围为长来至韶关63k m（其中武江57km，北江6km），拟按通航1000吨级内河船舶要求进行建设。工程主要建设内容有：航道工程（包括疏浚、清礁、整治、航标、护岸、交叉及航道维护管理设施工程等）、船闸工程（建设溢洲枢纽、塘头枢纽、七星墩枢纽以及长安枢纽1000t船闸各一座）、桥梁工程等，其中韶关北江大桥位于本项目北江6km航段，如图1。

图1 韶关北江大桥地理位置图

1.2 桥梁概况

韶关北江大桥位于韶关市武江区，桥梁跨越北江，桥梁西侧跨越武江南路，接新华南路，东侧跨越北江中路，接韶南大道和规划设计中的生态路。桥梁始建于1983年。全桥总长490m，桥面总宽20 m。其结构型式为钢筋混凝土箱型拱桥。桥梁孔跨布置为：2×27m+3×52m+2×55m+2×52m+2×27m。

1.3 通航净空

（1）规范复核。如表1所示，韶关北江大桥目前布置有两个通航孔，设计最高通航水位为56.92m，桥梁净高为5.4m，净宽为38.5m。其通航净空尺度难以满足《内河通航标准》（GB50139-2014）对内河Ⅲ级航道净空尺度的要求。

表1 韶关北江大桥通航净空复核表

（2）通航保证率。韶关北江大桥通航净高难以满足规范要求，桥梁位于孟洲坝库区。受枢纽调度控制，桥区大部分时段水位变幅不大。常水位至10年一遇水位出现的概率很小。以韶关水位站为例，孟洲坝正常蓄水位53.32m～警戒水位53.82m区间出现概率超过98%。根据韶关基本站近18年水文资料按水面比降可以推算至桥址处日均水位。根据日均水位和桥梁梁底轮廓线资料，可以推求桥梁对应的各级净高保证率如表2所示。

由表2可见，韶关北江大桥达到7m的保证率接近99%，如果通航净高按照6.5m 控制保证率可达到100%。

表2 韶关北江大桥通航保证率计算表

2.桥区河床演变分析

2010年-2016年53m等高线岸线总体冲淤互现（图3），仅在韶关北江大桥下游右岸53m等高线冲刷后退，最大累积冲刷后退约45m。2016年，在上游武江和浈江两江交汇处出现一个长约75m、宽约42m的53m高程小心滩。2010年-2016年边滩49m等高线，左岸变化不大，右岸表现为韶关北江大桥附近边滩49m等高线淤长外延，累积淤长外延约50m。两江左右两岸交汇处，49m高程边滩淤积下延，最大累积淤积幅度约115m。

图2 韶关北江大桥立面图

图3 2010年-2016年韶关北江大桥河段滩槽冲淤变化图

武江口至韶关北江大桥附近右岸边滩淤积上延，淤高约为1.4-2m，主槽冲刷，浈江入汇处河道淤积，淤积幅度在0.8-2m，两江入汇口边滩淤积下移，淤高达2m以上。

北江干流由于两江入汇，主槽水流动力增强，主槽冲刷，有利航道，主流束窄，易造成两岸水流动力不足，两岸边滩有淤积趋势。汇流口-百旺大桥段，航道达5m以上，满足通航要求，但在浈江至韶关大桥段，航道水深维持在2-3m，基本满足通航要求（如图4）。

图4 2016年韶关北江大桥河道水深图

3.桥区三维数值模拟

3.1 模型范围

三维模型主要为韶关北江大桥通航船舶操纵提供水动力条件，为了精确和高效的模拟桥区动力条件，模型范围包括武江、浈江以及北江汇流口各延伸约2km。模型在平面上采用四边形和三角形混合的非结构网格，在桥区对网格进行加密，最小网格边长 0.5m，垂向分为 20层。

3.2 模拟工况

研究的大桥位于孟洲坝库区内，从通航的角度分别模拟多年平均流量、溢州枢纽和湾头枢纽满发流量、2年一遇流量、5 年一遇洪水流量和10年一遇洪水流量等各种组合流量共计12组工况，详见表3。

表3 计算工况表

3.3 桥区流场及水位

从桥区流速看，桥区横流多数工况下能够满足小于 0.3m/s的规范要求，只在洪水时部分桥孔横流超过0.3 m/s。需要指出的是，当流量达到或超过两年一遇流量时，流速较大，而桥区通航孔的航宽较小，需要通过船舶模拟器或实际通航实验对桥区是否能够通航进行研判。

图6 航迹轨迹图

4.桥梁通航仿真模拟

4.1 设计船型

设计代表船型为1000t 级货船，其主尺度为 68m×10.8m×2.0m（长×宽× 满载吃水）。

表4 桥区航道纵向流速 单位：m/s

表5 桥区航道横向流速 单位：m/s

4.2 模拟试验结论

（1）上行时，在停机及以下流量、6 级及以下横风条件下，船舶均可顺利通过韶关北江大桥桥区水域；在2年一遇流量条件下，在考虑桥梁有效净宽的影响下，船舶无法通过桥区水域。

（2）下行时，在停机及以下流量、无风条件下，船舶均可顺利通过韶关北江大桥桥区水域，在 6 级横风条件下，航迹带与两侧桥墩距离较近；在 2 年一遇流量条件下，在考虑桥梁有效净宽的影响下，船舶无法通过桥区水域。

5.桥梁船撞概率计算

根据AASHTO 倒塌概率计算模型，桥梁倒塌率 P

韶关北江大桥倒塌概率为：

根据桥梁船撞倒塌风险等级评价标准，韶关北江大桥属于低风险，接近中等风险。

6.结语

在2年一遇及以下流量条件下，桥区流场较为平顺，桥区水域的流速均在2.80m/s 以内，桥区横流在0.2m/s以内。

在停机及以下流量、5 级及以下横风条件下，设计船型可顺利通过韶关北江大桥桥区水域；在2年一遇及以上流量条件下，由于韶关北江大桥为拱形桥，在考虑桥梁有效净宽的影响下，船舶无法通过桥区水域。

在2年一遇及以下流量条件下，依据改进后的AASHTO模型，船舶通过韶关北江大桥的碰撞年频率为 4.93×10次/年，年倒塌频率2.66× 10，属于低风险，接近中等风险。