嫩江大橋動(dòng)床河工模型試驗(yàn)研究

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130000）

嫩江大橋動(dòng)床河工模型試驗(yàn)研究

張正波

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130000）

綏滿高速公路齊甘段，主線嫩江大橋橋址所處河段，多為三汊、四汊河道，屬汊網(wǎng)型河道。為了對(duì)橋孔布置、新疏浚河道位置進(jìn)行方案比選，判斷在修建大橋后橋址處的河道穩(wěn)定性及河勢(shì)變化，需開(kāi)展動(dòng)床河工模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬。通過(guò)動(dòng)床試驗(yàn)研究，將方案2作為推薦橋位方案，在該橋位處，建橋后橋址區(qū)的河道基本保持穩(wěn)定，在新疏浚河道河底及兩岸均需要進(jìn)行防護(hù)，以保證汊道不發(fā)育，確保主槽的穩(wěn)定。另外，為防止新疏浚河道水流頂沖明月島的右側(cè)島頭，該處需進(jìn)行防護(hù)。

動(dòng)床模型試驗(yàn)；河道演變；嫩江

0 引言

綏芬河至滿洲里國(guó)家高速公路齊齊哈爾至甘南（黑蒙界）段的擴(kuò)建工程，擬在嫩江上修建綏滿高速公路齊甘段主線橋一座，該橋位于綏滿公路現(xiàn)有嫩江公路大橋上游3.4 km處，設(shè)計(jì)方案2個(gè)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。由于橋址區(qū)河道多為三汊、四汊，河道演變復(fù)雜，為了對(duì)橋孔布置、新疏浚河道位置進(jìn)行方案比選、判斷在修建大橋后橋址處的河道穩(wěn)定性及河勢(shì)變化，需開(kāi)展動(dòng)床河工模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬。

1 模型設(shè)計(jì)

動(dòng)床模型幾何比尺同定床模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查及以往對(duì)于嫩江干流的研究經(jīng)驗(yàn)，嫩江河道中對(duì)造床起決定性作用的為推移質(zhì)泥沙（現(xiàn)場(chǎng)取樣顆粒級(jí)配推移質(zhì)泥沙中值粒徑d50=3.1 mm，圖1所示），所以本模型定為變態(tài)推移質(zhì)動(dòng)床河工模型，選用塑料沙（離子交換樹(shù)脂d50=0.15 mm，如圖1所示）作為模型沙。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 方案1

圖1 原型、模型沙顆粒級(jí)配曲線

綏滿高速公路齊甘段，主線嫩江大橋B調(diào)整II線全長(zhǎng)3 880m，東江橋60×30 m，汊河橋32×30 m，西江橋20×30 m+75 m+2×125 m+75 m+4×30 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。該方案疏浚河道寬度80 m，河底高程143 m。

試驗(yàn)測(cè)得方案1橋位分流比如表1所示，新疏浚河道沖刷拓寬使汊河橋分流比增加4%～5%，西江橋分流比相應(yīng)減小4%～5%，東江橋分流比保持不變。

系列年的汛后在河道兩岸堤防以及下游明月島圍堤的約束下，除新疏浚河道外，基本沒(méi)有發(fā)生大的河勢(shì)演變。

左汊橋位上游河床在平面及垂向上基本沒(méi)發(fā)生變化，東江橋中間部分灘橋處略有淤積，右側(cè)灘橋處略有沖刷。東江橋下游在左岸堤防及明月島的控制下，河床平面形態(tài)無(wú)大的變化。

表1 B調(diào)整II線設(shè)計(jì)方案1橋位分流比表%

新疏浚河道附近河勢(shì)發(fā)生了明顯變化，在平面形態(tài)上，新疏浚河道拓寬近80 m，新疏浚河道進(jìn)口處受上游左側(cè)汊流沖刷，寬度達(dá)到400 m，新疏浚河道右側(cè)灘地受水流影響下移已與原汊河右側(cè)灘島連成一片，在垂向形態(tài)上，新疏浚河道河床沖深至142.6 m。明月島左側(cè)島頭沖刷比較嚴(yán)重，河床平面在圍堤控制下并未發(fā)生劇烈的變化，而垂向河床下切，嚴(yán)重威脅堤防基礎(chǔ)。可見(jiàn)，新疏浚河道的疏浚引起了局部河床的演變，在新疏浚河道進(jìn)出口、河槽兩側(cè)及明月島左側(cè)島頭均應(yīng)采取一系列的防護(hù)措施以穩(wěn)定河床。

右汊進(jìn)口處河道在汛后地形與原地形保持一致；主河槽左岸淤積，有束窄萎縮的趨勢(shì)，原因是上游新疏浚河道流程縮短，分流量增加，右側(cè)主汊處分流比減小，水流挾沙力降低所致，為了防止右側(cè)主汊萎縮對(duì)通航產(chǎn)生影響，在右汊河道的左岸應(yīng)采取防護(hù)措施以保證主汊的優(yōu)勢(shì)地位。西江橋下游河道中的幾個(gè)較小的灘地受水流影響向下發(fā)展，與下游島嶼連成一片。兩汊匯合后，受明月島和右側(cè)堤防的約束，河道平面形態(tài)基本未發(fā)生變化，但從垂向上主槽受水流沖刷，最深點(diǎn)高程為140.0 m。

橋線處左汊流速較小，因此橋線上下游沖淤變化不大，僅在左汊右側(cè)的橋頭處由于繞流造成一定的沖刷，沖坑最深點(diǎn)高程為144.5 m；汊河處由于分流比增加，流速增加，橋位處均呈現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，尤其是兩側(cè)橋頭處，受繞流影響，沖刷較深，左側(cè)沖深達(dá)到1.2 m，右側(cè)沖深達(dá)到1.9 m；左側(cè)主汊橋頭處沖刷非常嚴(yán)重，沖刷深度達(dá)到1.6 m，西江橋左側(cè)灘橋以及橋位附近灘地淤積。

2.2 方案2

綏滿高速公路齊甘段，主線嫩江大橋B調(diào)整II線全長(zhǎng)3 850 m，東江橋60×30 m，西江橋51× 30 m+75 m+2×125 m+75 m+4×30 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。該方案疏浚河道寬度80 m，河底高程143 m。

試驗(yàn)測(cè)得方案2橋位分流比如表2所示，西江橋分流比在55%以上，居主導(dǎo)地位。

表2 方案2橋位分流比表%

汛后地形左汊河道與方案1的沖淤情況基本一致。新疏浚河道的左岸受公路橋堤防控制，右岸受明月島上游圍堤控制，新疏浚河道平面形態(tài)無(wú)大變化的可能。其具體表現(xiàn)為：左岸基本沒(méi)有變化，右岸受沖刷后退，由此河道深泓線向明月島方向靠近，河床沖深0.3～0.5 m，河底高程為142.5～142.7 m，可見(jiàn)新疏浚河道兩側(cè)應(yīng)采取防護(hù)措施。在明月島左側(cè)島頭處，受水流繞流沖刷，該處河道沖深拓寬，河道彎道處的小島在水流的沖擊下消失，此處應(yīng)采取防護(hù)措施控制河床平面的發(fā)展。

右汊深槽沖刷拓寬，深泓線向右岸擺動(dòng)，西江橋前的灘地北緣受水流頂沖，灘地有向南（下游）、向東發(fā)展的趨勢(shì)。

橋線處左汊橋頭處沖刷與設(shè)計(jì)方案1基本一致；右汊橋線處由于要宣泄原河道中汊河和主汊兩汊的分流量，因此橋線處流速增加較多，且原汊河處分流量需要繞過(guò)主汊左側(cè)的橋頭轉(zhuǎn)而從明月島前下泄，行洪不暢，因此橋頭處繞流流速較大，繞流沖刷比較嚴(yán)重，汛后此處形成一個(gè)較大的沖坑，最深點(diǎn)高程為143.0 m，沖刷深度達(dá)到2.9 m，為防止水流繞流沖刷，應(yīng)在橋頭做拋石防護(hù)。

3 結(jié)論

通過(guò)動(dòng)床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

1）方案1在經(jīng)歷系列年洪水后，新疏浚河道以及右汊發(fā)生了河勢(shì)變化，新疏浚河道沖深拓寬，泄流量顯著增加，右側(cè)主汊略有萎縮，灘地稍有淤積，河道有萎縮的趨勢(shì)。在汊河橋下游，水流直接頂沖明月島堤防，沖刷十分嚴(yán)重。在此方案下，在新疏浚河道進(jìn)出口、新疏浚河道兩岸、明月島左側(cè)島頭、各橋頭位置均需采取防護(hù)工程以保證河勢(shì)的穩(wěn)定和通航的順暢。

2）方案2在經(jīng)歷系列年洪水后，沒(méi)有發(fā)生大的河勢(shì)演變，僅在西江橋橋墩及橋頭附近沖淤較大，橋下游較小的沙洲向下向右發(fā)展，沙洲右側(cè)的支汊有淤積的趨勢(shì)；疏浚河道段河槽沖深拓寬，明月島島頭處河道沖刷形成沖坑。在新疏浚河道進(jìn)出口、兩岸、明月島左側(cè)圍堤轉(zhuǎn)彎處以及西江橋左側(cè)橋頭需采取防護(hù)措施。

綜合比較上述方案，方案2的橋孔布置及新疏浚河道位置從河道演變、維持多汊河道穩(wěn)定方面優(yōu)于方案1；從經(jīng)濟(jì)角度考慮，該線需采取的防護(hù)工程也相對(duì)較少，因此，將此方案作為推薦方案。

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2017-01-22