山区河流轨道桥通航条件的影响分析
2023-10-31 20:08潘莉
山东交通学院学报 2023年1期
摘要：为分析新建市郊铁路璧山至铜梁线小安溪桥航道的通航条件，建立工程河段平面二维水沙数学模型，与实测资料进行对比分析，论证最低通航水位和最高通航水位、通航尺度、桥梁通航影响分析等参数。论证结果表明：近年来桥区河段河床及河势基本稳定，河演分析表明桥位附近不会发生主槽易位、河床转型的状况，桥区河段河势、河床稳定；建桥后流场仅局限在桥位附近较小范围内变化，泥沙淤积和冲刷范围有限，不存在桥区河势条件改变的水动力和河床边界条件；建桥后桥区河段河床仍基本保持冲淤平衡状态，桥区河段的平面形态、深槽位置不会有较大变化，滩槽格局稳定，建桥未对桥址河段河势产生不利影响；设计航道最高通航水位为258.53 m，最低通航水位为255.01 m，通航净高为14.36 m，单孔单向通航净宽29.50 m，单孔双向通航净宽51.00 m，符合规范要求。
关键词：通航条件；山区河流轨道桥；通航净空尺度；通航水位
中图分类号：U239.5;U448.13文献标志码：A文章编号：1672-0032（2023）01-0076-09
引用格式：潘莉.山区河流轨道桥通航条件的影响分析［J］.山东交通学院学报，2023，31（1）：76-84.
PAN Li. Influence analysis of navigation condition of track bridge over mountain river［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：76-84.
0 引言
在具有通航功能的河道中修建橋梁，建桥后桥梁通常会影响船舶的航行安全，因此需分析新建桥梁对航道通航条件的影响[1-4]。目前，部分学者重点分析桥区水流变化对航道安全的影响：Li等[5]运用模糊数学理论建立桥梁水域附近航行条件的安全评估模型；Li等[6]针对斜桥桥墩的常见型式，采用基于粒子图像测速的水槽试验、物理模型试验和数值模拟等方法，研究斜桥区船桥相互作用过程中遇到的水动力问题；陈建等[7]采用平面二维模型 MIKE21模拟郑州至济南铁路山东段跨黄河特大桥的最低通航水位和最高通航水位对附近通航的影响；徐启航等[8]通过模型试验获得影响大桥附近通航水流的条件，包括桥梁间距、桥跨布置及主墩型式等。还有学者研究认为，除水流条件外还需考虑设计最高、最低通航水位及通航净空尺度对船舶通航安全的影响[9-14]。许辉[15]通过实船试验、通航水力学及船模试验分析影响桥区河段通航的条件。余葵等[16-17]、唐存本等[18]主要通过物理模型试验并结合相关数值模拟分析万州长江公路大桥对桥区通航条件的相关影响。
跨越通航河道桥梁对桥区河段通航条件影响的研究较多，但对山区河流轨道桥通航条件的影响因素分析较少。本文建立工程河段平面二维水沙数学模型，将计算得到的数据与实测资料对比分析，研究拟建小安溪大桥对航道通航的影响。
1 河道及工程概况
拟建小安溪大桥位于重庆市铜梁区庆隆镇庆新村，处于蒲吕枢纽库区，下距蒲吕枢纽约4.22 km。桥区河段水流呈西南-东北流向，工程河段横断面形状多呈不对称的U型或V型，河床以卵石为主，底部为坚固的泥岩，河床冲淤变化不大，相对稳定，河道单一，滩槽分明。桥区河段枯水期水库保持正常蓄水位256 m，运行时河宽约50～60 m，汛期河宽约100 m。河段水深充足，水流较为平缓，通航条件良好。
受桥区河段的地形限制，桥址处河面较窄，仅有50～60 m，不宜在河中设置桥墩，形成新的碍航建筑物，推荐桥梁建设方案示意图如图1所示。桥梁全长314 m，全桥共分3联，主桥为（38+68+38）m连续梁，桥跨布置采用1×25 m（双线现浇简支箱梁）+1×40 m（双线现浇简支箱梁）+（38+68+38）m双线现浇连续梁+1×35 m（双线现浇简支箱梁）+2×30 m（双线现浇简支箱梁）。桥面设计高程约为277.22 m。
2 数学模型
2.1 水流运动方程
水流连续方程[19]为
式中：H为水位；t为时间；Cξ、Cη为正交曲线坐标系中的拉梅系数，ξ、η为2个正交曲线坐标；vξ、vη分别为沿ξ、η方向的流速；h为水深。
ξ方向动量方程[19]为
式中：g为重力加速度，n为糙率。
η方向动量方程[19]为
2.2 计算区域及网格布置
根据计算需要的进口长度，设置计算区域为桥轴线上游1.00 km至蒲吕枢纽，全长约5.22 km，其中拟建大桥轴线以上1.00 km，拟建大桥轴线以下约4.22 km。建桥前、后平面二维数学模型三角形网格图如图2所示，对拟建工程附近河段进行网格加密处理。
2.3 模型验证
2.3.1 水面线验证
在自然状态下，中水以上桥区河段水流湍急，水中桥墩挑流明显，对水流影响相对较大。采用数学模型将汛期中、洪水期2级流量计算水位与实测水位进行对比分析，如表1所示。由表1可知：水位最大偏差为±0.07 m，相应模型糙率约为0.030～0.038，数学模型与实测情况较吻合。
2.3.2 流速流向验证
对拟定验证流量进行数值模拟。实测资料为表面流速流向资料，数值计算结果为垂线平均流速，采用指数分布公式可将平均流速换算为表面流速，并与实测计算结果对比，选择4个流速断面，分别编号为CS1、CS2、CS3、CS4，如表2所示。由表2可知：所验证的上游来水流量较小，平均流速较小，各测点流速的计算结果与实测结果间误差范围约为±0.06 m/s，偏差较小，水流数学模型模拟的流速分布与实际测量结果相似。
3 工程通航尺度
3.1 桥址处流量
最高通航水位涉及水上跨河建筑物的通航净空问题，也是内河航道工程通航期的重要设计参数。拟建工程位于蒲吕枢纽库区、虎峰枢纽下游河段，蒲吕枢纽回水与虎峰枢纽下游水位衔接。虎峰枢纽下游和蒲吕枢纽上游设计的最高通航水位均为256.6 m，根据文献[19]设计航道最高通航水位。
小安溪流域内双石桥站和虎峰站有实测水文资料，但虎峰站的水文资料年限较短，不能直接采用虎峰站的水文资料推算小安溪的设计洪水，小安溪流域附近无合适的水文站可供参证，根据实测暴雨资料采用推理公式法和综合瞬时单位线法推算小安溪设计洪水成果，并根据双石桥站洪水成果采用水文比拟法进行比较，得到推求设计洪水成果如表3、4所示。
由表3、4可知：水文比拟法洪水成果明显比综合瞬时单位线法和推理公式法洪水成果小得多，主要是2个控制流域面积相差较大，产汇流情况存在差异，水文比拟法洪水成果仅作参考。
工程区范围内雨量站网点较密，分布均匀，实测暴雨资料较完善，能够较好地代表工程区实际洪水情况，故综合考虑工程区暴雨洪水特性及工程设计安全。根据实测暴雨资料采用综合瞬时单位线法计算设计洪水成果，利用数学模型计算得到桥址处水位-流量关系，如表5所示。
3.2 最高、最低通航水位
根据文獻[19]规定，小安溪为典型的山区河流，洪水期水位暴涨暴落，洪峰历时较短，因此，拟建小安溪大桥桥位河段最高通航水位的洪水重现期应当按两年一遇洪水考虑。根据表5数据，拟建大桥处采用258.53 m作为最高通航水位符合要求。
一般通过水文分析计算可确定天然河流的最低通航水位，也可采用综合历时曲线法或保证率频率法确定最低通航水位[20-22]。本工程河段存在枢纽通航建筑物，根据文献[19]规定，应采用水库死水位或水库运行最低水位。拟建桥址距下游蒲吕枢纽仅约4.22 km，蒲吕电站死水位为255.01 m，可将最低通航水位设置为255.01 m。
3.3 通航尺度论证
为保障大桥和船舶的通航安全，在修建跨河大桥时须考虑净空尺度，包括通航净宽和通航净高[23-26]。根据桥区河段的航道规划及未来发展需求，确定本航道为Ⅶ级航道。拟建大桥设计最高通航水位为258.53 m，通航孔梁底最低高程为272.89 m，通航净高为14.36 m，满足Ⅶ级航道水上过河建筑物的通航净高应大于4.5 m的要求。
单孔单向通航净宽
Bm1=BF+ΔBm+Pd， （1）
式中：BF为设计船队宽度或船舶航迹带宽，BF=Bs+Lsin β，其中Bs为船队宽度，L为顶推船队长度，β为船舶或船队航行漂角，Ⅶ级航道β=3°；ΔBm为船舶或船队与两侧桥墩间的富裕宽度，Ⅶ级航道ΔBm=0.5BF；Pd为下行船舶或船队偏航距，Pd=5.5 m。
单孔双向通航净宽
Bm2=2BF+b+ΔBm+Pd+Pu， （2）
式中：b为上、下行船舶或船队会船时的安全距离，取船队宽度；Pu为上行船舶或船队偏航距，Pu=0.8 Pd。
将设计船型代入式（1）（2）可计算得到Bm1=16.3 m，取17 m；Bm2=33.4 m，取34 m。
由桥区河段水流条件分析可知，各级通航流量最不利情况下，桥轴线上游97.5 m（为3BF）通航水域范围内水流流向与桥轴线法向的最大夹角约为25°，最大横向流速为0.43 m/s。根据文献[19]查得单向通航净宽增加值为9.5 m，双向通航净宽增加19 m，是单向通航净宽增加值的2倍。可计算拟建小安溪大桥满足Ⅶ-（2）级航道的Bm1＝29.5 m，Bm2＝53.0 m。拟建大桥主跨68.0 m，主桥墩宽3.4 m（迎水面宽度），通航净宽为64.6 m＞53 m，符合Ⅶ-（2）级航道Bm2的要求。
4 桥梁通航影响分析
4.1 桥区水流条件
通过建立的二维数学模型分析桥区河段通航水流条件，并根据模拟得到的数据结果计算该河段在建桥前、后的水流条件，流场图如图3所示。由图3可知：建桥前、后，桥区河段附近流速有变化，河段整体流速无较大变化。建桥后对河道流场的影响主要集中在桥墩附近，分析桥墩周围流场的分布如图4所示。
由图4a）可知：当上游来流量Q=689 m3/s时，水流流向与桥轴线法向夹角为24°～27°，桥轴线附近水流表面流速为1.32～1.52 m/s，在桥轴线上游3L范围内水流流向与桥轴线法向的最大夹角为27°，水流表面流速为1.29～1.52 m/s，最大横向流速为0.64 m/s。
由图4b）可知：当Q=689 m3/s时，桥轴线附近的水流表面流速为1.25～1.71 m/s，水流流向与桥轴线法向夹角为8°～21°，桥轴线上游3L范围内水流表面流速为1.25～1.71 m/s，最大横向流速为0.66 m/s，水流流向与桥轴线法向的最大夹角为28°。建桥后，除桥墩附近水域的流场有一定变化外，建桥导致的流速增加最大不超过0.30 m/s，变化较小，对桥区河段通航水流条件影响较小。
桥墩附近流场的变化具体表现为：桥孔附近及下游流速局部略增，将对该区域河床进行较小幅度的冲刷，桥墩的掩流带流速减小，其他水域的主流在建桥前、后基本无变化，建桥后主流流速分布形态几乎一致，且在建桥后不会产生改变河势的水流动力条件，如引起主槽变换和摆动等。建桥后桥轴线附近的流速有一定增加，但增加的流速横向分布并不连续，说明建桥后增加的纵向流速和横向流速均具有较明显的局部性。
因此，建桥后流场的改变仅局限在桥墩附近较小范围内，产生的泥沙淤积和冲刷有限，拟建大桥所在位置的河型河势稳定，河床基本由砂卵石组成，工程建成后流速流态变化较小，不存在促使桥区河势条件发生明显改变的水动力和河床边界条件。大桥建成后桥区河段仍基本保持冲淤平衡状态。
4.2 与船舶航迹线的适应性
根据2020-03-04实测的桥区河段的船舶航迹线资料，测量船舶为蒲吕镇船闸船，船长24.8 m，型宽4.0 m，设计吃水0.8 m，如图5所示。由图5可知，左主墩（3#）距最近的航迹线13 m，右主墩（4#）距最近的航迹线16 m，拟建大桥通航孔包络了上、下水航迹线，与船舶航线适应性较好。
拟建大桥主桥采用连续刚构桥方案，左主墩（3#）在最高通航水位时涉水，右主墩（4#）基本常年涉水，故存在一定的失控船舶撞击风险，需考虑柔性防撞设计。根据工程河段船舶现状调查及规划，建议拟建桥梁2个主墩按照桥区河段规划最大50 t级船舶设防，100 t级船舶校核，并与大桥主体同步施工和投入使用。
桥梁通航安全是桥梁建设的重要问题。在进行桥梁建设时，建设单位应将施工组织设计报送相应的主管部门，做好施工期水上安全管理工作。桥梁建成后，建设单位或管理单位应对桥区施工水域进行扫测，按通航要求及时清除水下碍航物，并将扫测报告上报相关航道主管机关审核及备案。
5 结论
建立工程河段平面二维水沙数学模型，与实测资料进行对比分析，从最低通航水位、最高通航水位、通航尺度、桥梁通航影响分析等方面验证新建市郊铁路璧山至铜梁线小安溪大桥航道通航条件。
1）建桥后流场改变，但只集中在桥位附近较小的范围，對泥沙淤积及冲刷作用较有限，水动力和河床边界条件不足以改变桥区河势条件，大桥建成后桥区河段河床仍基本保持冲淤平衡状态。
2）拟建大桥建成后，桥区河段流速变化仅局限在桥墩附近，建桥后流速增大不超过0.30 m/s，变化较小，对桥区河段通航水流条件影响较小。建桥后桥区河段的平面形态和深槽位置不会有较大变化，滩槽格局稳定，未对桥址河段河势产生明显不利影响。
3）小安溪航道等级低，无航道整治工程及航道整治规划，建桥前暂无航道建设和维护工程，拟建大桥未对小安溪航道整治工程产生影响。
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Influence analysis of navigation condition of
track bridge over mountain river
PAN Li
Chongqing Monorail Transportation Engineering Co.， Ltd.，Chongqing 400084，China
Abstract：In order to analyze the navigation condition of the Xiaoanxi Bridge waterway of the new suburban railway from Bishan to Tongliang line， a two-dimensional mathematical model of water and sediment in the engineering reach was established to analyze contrastively with measured data， and the parameters such as the lowest navigable water level and the highest navigable water level， the navigable dimensions， and the influence analysis of bridge navigability are demonstrated. The demonstration results show that， the river bed and river regime of the bridge reach are basically stable in recent years， and the river evolution analysis shows that there will be no main channel translocation or river bed transformation near the bridge location， and the river regime and riverbed of bridge are stable. After the construction of the bridge， the flow field limited to a small range around the bridge site is changed， and the range of sediment deposition and erosion is limited. There are no hydrodynamic and riverbed boundary conditions that change the river regime conditions in the bridge area. After the construction of the bridge， the riverbed of the bridge reach is still basically in a balanced state of scouring and silting， the plane shape and deep groove position of the bridge reach change slightly， and the shoal channel pattern is stable. The bridge construction has no adversely affected on the river regime of the bridge site. The highest navigable water level of the designed channel is 258.53 m， and the lowest navigable water level is 255.01 m， and the navigable clearance height is 14.36 m， and the single hole one-way navigable clear width is 29.50 m， and the single hole two-way navigable clear width is 51.00 m， which meet the specification requirements.
Keywords：navigation condition; mountain river track bridge; navigable clearance dimension; navigable water level
（责任编辑：王惠）
