基于物理模型的池州长江公铁大桥防洪安全研究

王思腾，魏 为

（长江水利委员会,湖北 武汉 430010）

在河道上修建桥梁后,桥墩不同程度上压缩了河道的行洪断面,水流的方向因此改变,桥墩之间的单宽流量相对增加,造成桥墩附近河床局部冲刷、水位雍高、流速分布不均匀等问题,使桥墩附近和河道内的水流流态、河床演变变得十分复杂[1]。此外,桥下流速增大、流向变化,对河岸也会产生冲刷,这样的结果势必会对桥梁安全、河道防洪安全造成严重威胁。因此,研究桥梁工程对河道行洪影响具有重要的工程应用价值。

物理模型试验是研究复杂的水工问题和水流现象及河道范围内修建跨河桥梁工程评价分析最常用的工具,相较于数学模型,是解决复杂的水流问题更为可靠的方法[2]。

本文采用物理模型对池州公铁大桥防洪影响问题进行研究,为设计方案优化,提出减轻和消除行洪影响的措施以及行政审批提供科学依据。

1 工程概况

池州长江公铁大桥位于江口港区下游,距离上游崇文洲洲尾约4.7 km,工程规模为公铁合建,按照4 线铁路+6 车道公路的标准建设,其中两线为合池高铁,两线为预留铁路,公路为6 车道高速公路,为南北高速路网连接线。通过对通航条件、两岸地形及相关规划进行分析,推荐采用江口桥位,以桥梁形式跨越长江。拟建桥址地理位置图见图1。

图1 项目地理位置示意图

2 模型设计相似条件

根据本项试验研究的目的、内容和要求,河工模型按重力相似和阻力相似准则进行设计。

2.1 水流运动相似条件

由水流运动方程：

可得：重力相似αV=αH1/2；阻力相似水流惯性相似αV=αL/αt；水流连续性相似αQ=αVαH αL；紊流限制：Rem≥1000；模型变率限制：式中：αL为平面比尺；αH为垂直比尺；αV为流速比尺；αn为河床糙率比尺；αQ为流量比尺；Rem为模型雷诺数。

为保证模型和原体相似,模型水流处于阻力平方区,模型雷诺数Rem＞1000,根据场地及研究内容确定αL=550,垂直比尺拟采用αH=110。

2.2 定床模型糙率

天然河道糙率系数n=1/AD50y,A=f（u/uc）,对于长江y=1/6,通过对实测资料推算,天然河道糙率系数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 的人工块体进行梅花形加糙,在验证试验时再作局部调整,以达到模型阻力相似条件要求。

2.3 模型比尺

定床模型所采用比尺结果见表1。

2.4 模型范围及量测系统

模型地形采用最新实测地形,模型上起贵池水道新开沟,下至大通水道羊山矶,包含贵池水道和大通水道,模拟长江约42 km 长河道。模型水平比尺采用1∶550,垂直比尺采用1∶110,变率为5。工程处于长江潮区界大通水道,水动力及河床冲淤完全受径流作用,模型试验采用恒定流控制,模型试验上游进水采用量水堰控制流量,下游由推拉尾门控制水位。模型布置见图2。由桥址水位推求尾门水位,建立尾门水位流量关系曲线,确定不同流量下尾门控制水位。模型试验量测系统包括：VDMS 粒子流场测量系统；无线通信光电旋桨式流速仪；透射散射式含沙量测量仪；激光地形测绘仪；水位测针等。物理模型概貌见图3。

图3 定床物理模型概貌

2.5 试验水文条件

定床水动力试验条件：枯水流量、平滩流量、防洪设计流量、二十年一遇流量、百年一遇流量、三百年一遇流量,见表2。

表2 定床试验水文条件

2.6 试验测点布置

（1）水位测验

模型自上而下游左右岸沿程共布置11 个测站,测量沿程水位变化。物理模型中桥墩附近局部壅水采用静压管,根据虹吸原理,用测针读取局部壅水。

（2）流速测验

流速测量共布置16 个测流断面,包括桥址局部上下游断面（桥上游2 km、上游1 km、上游500 m、桥位、下游500 m、下游1 km、下游2 km）以及上下游各汊道断面,测量工程前后断面流速及分流比变化。

（3）表面流场、流迹线测验

模型表面流场试验范围包括桥址上下8 km,表面流迹线试验包括桥址上游4 km 至下游6 km 范围。

3 试验成果分析

3.1 桥址及沿程水位变化

工程前,各流量下拟建桥址上下游左右两岸沿程水位见图4～图8,表3 为各级流量下桥址处左右两岸水位。

表3 桥址处各级流量两岸水位 单位：m3/s

图4 工程前枯水流量下桥址附近流态图

图5 工程前平滩流量下桥址附近流态图

图6 工程前20 年一遇流量下桥址附近流态

图7 工程前100 年一遇流量下桥址附近流态

图8 工程前300 年一遇流量下桥址附近流态图

拟建桥址河段深槽居中近南岸,为单一河槽,上游为池州汊道汇流区,长沙洲左、右汊及凤凰洲右汊三汊汇流,其中凤凰洲右汊分流比5%左右,长沙洲左右汊分流基本接近,目前长沙洲右汊为主通航水道。由于三汊汇流影响,桥轴线上游沿程断面流速分布“M”双峰形态,随着水流交汇整,至桥轴位置断面流速分布呈单峰形态,主动力轴线居中,桥轴线以下,主动力轴线略偏南岸。试验表明,工程河段顺直,南北岸水位差较小,二十年一遇洪水流量下两岸水位差约2 cm,百年一遇洪水流量下两岸水位差约3 cm。

试验利用静压管测量桥址上、下游沿岸水位变化,沿岸壅水结果见表4。各典型水文条件下,拟建池州公铁长江大桥工程前后南、北岸上下游沿程水位无明显变化,工程前后仅桥址上下游局部水位有所变化,工程对水位影响仅限于桥址上下游较小范围内。试验表明：主跨812 m 方案工程引起的沿岸壅水主要在桥址上游300 m 范围内,最大壅水位于桥轴线上游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为2 cm,百年一遇洪水条件下北岸沿岸最大壅水为3 cm；二十年一遇流量下,工程后南岸沿岸最大壅水为1 cm,百年一遇洪水条件下南岸沿岸最大壅水为2 cm。

表4 主跨812 m 方案工程后桥址附近沿岸壅水情况 单位：m

3.2 桥址上下游断面流速流向变化

拟建桥址河段深槽居中近南岸,为单一河槽。上游为池州汊道汇流区,长沙洲左、右汊及凤凰洲右汊三汊汇流,其中凤凰洲右汊分流比5%左右,长沙洲左右汊分流基本接近约为47.5%,目前长沙洲右汊为主通航水道。

表5 为各级流量下,桥址上、下游断面最大表层流速统计,百年一遇流量下,桥轴线断面表层最大流速为3.6 m/s,最大垂线平均流速为3.4 m/s,三百年一遇流量下,桥轴线断面表层最大流速为3.8 m/s,最大垂线平均流速为3.65 m/s。

表5 各级流量下，桥址上、下游断面最大表层流速统计 单位：m/s

下江口以下,长沙洲左、中汊交汇水流逐渐进入单一顺直河段,桥轴线上游向上而下沿程断面水流向与桥轴线交角呈减小的趋势。桥轴线上下游2 km 范围内各断面水流流向与桥轴线法向交角总体表现为桥区北侧流向略偏南,桥区南侧流向略偏北,但交角均较小,交角基本不超过5°,主航道内交角不超过3°。

工程后,典型水文条件下主跨812 m 方案流场见图9。由于桥墩阻水作用较小,工程后,桥区流向变化较小,仅限在主墩周边局部区域由于桥墩阻水绕流流向略有变化,桥区上下游主航槽内流向无明显变化。

图9 工程后典型水文条件下流场图

试验表明,工程实施后由于桥墩阻水,南、北主桥墩下游掩护区内流速出现不同程度减小,水流受桥墩挤压,主跨及两侧边跨内流速有不同程度增加。南主墩位于南侧近岸五更矶下段,床面高程约-2.0 m,北主墩位于深槽近北岸侧,床面高程约-12.5 m,根据单宽流量计算,北主墩阻水影响大于南主墩,北主墩对下游产生的影响范围大于南主墩对下游影响。工程河道顺直,百年一遇洪水流量条件下,工程后北主墩下游掩护区影响范围约为3 km,南主墩下游掩护区影响范围约为2 km。桥址下游200 m 断面处北主墩掩护区速减小约0.15 m/s,桥址下游2.0 km 断面处桥墩掩护区流速减小约0.04 m/s。桥址下游200 m 断面处南主墩掩护区速减小约0.10 m/s,桥址下游1.5 km 断面处桥墩掩护区流速减小约0.03 m/s。工程后桥轴线以下主河槽内测点流速有所增加,桥址下游0.5 km 处主槽内测点流速增幅约0.04 m/s,随着工程影响逐渐减弱,桥址下游1.0 km 处主槽内测点流速增幅约为0.02 m/s。工程后南、北近岸流速稍有增加,幅度为0.02 m/s～0.05 m/s。

4 结论

基于重力相似和阻力相似准则建立了池州长江公铁大桥物理模型,研究了桥梁修建对河道水流形态的影响,得出如下结论：

（1）工程后沿岸壅水主要在桥址上游300 m 范围内,最大壅水位于桥轴线上游约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为3 cm,南岸沿岸最大壅水为2 cm。

（2）工程后南、北主桥墩下游掩护区内流速出现不同程度减小,主跨及两侧边跨内流速有不同程度增加。工程后北主墩下游掩护区影响范围约为3 km,南主墩下游掩护区影响范围约为2 km。工程后桥轴线以下主跨及两侧边跨内测点流速有所增加,桥址下游0.5 km处主槽内测点流速增幅约0.04 m/s,随着工程影响逐渐减弱,桥址下游1.0 km 处主槽内测点流速增幅约为0.02 m/s。

（3）工程后由于主、辅助墩挤压作用,工程区上游100 m至下游400 m 范围内北侧近岸边坡流速增加0.02 m/s～0.05 m/s,上游50 m 至下游200 m 范围内南侧近岸边坡流速增加0.02 m/s～0.03 m/s。