重慶南紀(jì)門長江大橋橋區(qū)河段 通航水流條件模型試驗(yàn)

何進(jìn)朝 李霞

摘 要：重慶南紀(jì)門長江大橋位于長江與嘉陵江匯合口上游約4.6km處，橋區(qū)河段既受三峽水庫回水影響，也受嘉陵江洪水頂托影響，同時(shí)兼具山區(qū)河流特性，又位于瑚壩江心洲尾部分汊河段，且緊鄰龍磧子灘險(xiǎn)，通航條件十分復(fù)雜。為研究大橋建設(shè)對橋區(qū)河段通航水流條件的影響，通過定床物理模型對不同橋墩布置及橋梁跨度方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了不同特征流量條件下水位、流速、流態(tài)等水力要素的變化情況，研究成果可為合理確定通航孔跨度及橋墩位提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：物理模型;通航水流條件;通航孔跨度

中圖分類號：U443.22? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0124-03

擬建的南紀(jì)門長江大橋位于長江豬兒磧水道，下距長江與嘉陵江匯合口約4.6km，既有石板坡大橋及其復(fù)線橋下游約470m、菜園壩長江大橋下游約1.6km。橋區(qū)河段處于三峽水庫變動(dòng)回水區(qū)，既受三峽水庫回水影響，也受嘉陵江洪水頂托影響，同時(shí)兼具山區(qū)河流特性，航道條件十分復(fù)雜。橋位受規(guī)劃預(yù)留、兩岸建筑、站點(diǎn)設(shè)置等因素限制，規(guī)劃走廊僅有35m左右，橋位唯一;橋位處于珊瑚壩江心洲尾部分汊河段，且緊鄰龍磧子灘險(xiǎn)，同時(shí)橋跨受軌道專用橋剛性要求和兩岸濱江路限制，無法一跨過江，必須依托水中墩柱，橋墩布置限制因素眾多，通航環(huán)境非常復(fù)雜。為此，本研究通過物理模型試驗(yàn)來研究建橋?qū)騾^(qū)河段通航水流條件的影響，以為合理確定橋梁跨度和橋墩布置提供重要技術(shù)支撐。

1橋型方案

結(jié)合橋區(qū)河段航道條件與通航環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位先期提出主跨450m的雙塔斜拉橋初步設(shè)計(jì)方案，河床中布置2個(gè)主墩和4個(gè)邊墩;依托模型試驗(yàn)結(jié)果，分析流速、流態(tài)并結(jié)合船舶航路航法等因素，先后提出了保持右主墩位置不變、主跨增至480m的修改方案一，以及主跨維持480m、左、右主墩在方案一基礎(chǔ)上整體左移30m的修改方案二。

2 模型設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

定床模型范圍上起鵝公巖長江大橋，下至朝天門河口略上的玄壇廟，模擬河段長度約9km，平面比尺1：150的正態(tài)模型。經(jīng)計(jì)算，模型試驗(yàn)最小流量Q=8720m3/s時(shí)，淺段最小水深8.0m，模型相應(yīng)水深Hm=5.3cm>3cm，滿足不受表面張力影響的限制條件。

定床模型采用2015年4月實(shí)測地形圖制模，并采用同步觀測的水面線、斷面流速分布及流態(tài)等進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型沿水面線、流速分布規(guī)律及大小以及流態(tài)與原型實(shí)測基本吻合，滿足相關(guān)規(guī)程的要求。

3 通航水流條件模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

從實(shí)測的水文資料來看，長江重慶段來流具有典型的山區(qū)河流特點(diǎn)，枯水期時(shí)間長，中水期不明顯，洪水期陡漲陡落。受三峽水庫回水影響期間，橋區(qū)河段流速一般較緩，建橋?qū)νê剿鳁l件的影響有限，因此本次重點(diǎn)研究脫離三峽水庫回水影響期間大橋河段的水流條件，同時(shí)考慮主城區(qū)河段通航主要受銅鑼?shí){管制影響、遇P=20%洪水以上時(shí)已基本封航等實(shí)際情況，確定本次模型試驗(yàn)工況如表1所示。

3.2 水位變化試驗(yàn)成果分析

大橋建成后，因橋墩的阻水作用會(huì)在上游河段的一定范圍內(nèi)產(chǎn)生壅水。表2統(tǒng)計(jì)了不同橋跨方案不同流量下水位壅高情況。

由表2可知，流量為8720m3/s時(shí)，大橋右主墩不涉水，左主墩位于珊瑚壩尾的緩流區(qū)，對流速、水位等通航水流條件基本無影響，分析其他4級流量的水位壅高值情況可知：工程后橋軸線上游1580m范圍內(nèi)水位壅高0.03m;橋軸線斷面各試驗(yàn)工況下水位均降低了0.02～0.03m;隨著流量的增大，橋位上游水位壅高值逐漸加大，壅水范圍向上游延伸，當(dāng)流量達(dá)到49700m3/s時(shí)，水位壅高達(dá)到最大值0.06m;在相同流量、水位條件下，橋跨增大、水位壅高程度逐漸減小，但差值不大。

3.3 流速變化試驗(yàn)成果分析

建橋后，由于橋墩對水流有阻水、繞流和導(dǎo)向作用，使橋位上游的流速較建橋前有所減小，橋位處及下游流速有所增加，主流流速較天然情況變幅-0.15～0.30m/s，其中橋軸線上、下游長約380m河段流速變幅最大。同一方案不同流量下，流量越大，流速增大越明顯，其中設(shè)計(jì)方案在流量為49700m3/s時(shí)，流速增大0.34m/s;不同方案同一流量下，橋跨越大，流速增值減小，因此修改方案二各級流量下的流速增值均比其他兩個(gè)方案的小。

3.4 流態(tài)變化試驗(yàn)成果分析

右主墩位于凹岸淺灘，河床較高，枯水期不涉水，中洪水期又位于石板坡大橋橋墩回水區(qū)域尾端，建橋前后流態(tài)無明顯變化;左主墩位于珊瑚壩尾，不同流量下流態(tài)變化較明顯，對擬建大橋附近河段通航條件影響更大。模型試驗(yàn)表明：當(dāng)流量為8720m3/s時(shí)，左主墩位于珊瑚壩尾的掩蔽區(qū)，對主流基本無影響;當(dāng)Q=25000m3/s時(shí)，設(shè)計(jì)方案左主墩位于主流和珊瑚壩壩尾回流的交替水域，流態(tài)較亂、斜流較強(qiáng)，修改方案一左主墩位于回流邊緣、偶有挑流，修改方案二左主墩已位于壩尾的掩蔽區(qū)內(nèi)，基本不受匯流的影響;當(dāng)Q=35600m3/s～49700m3/s時(shí)，珊瑚壩淹沒，主流逐漸趨直，修改方案一左主墩在石門大橋橋墩繞流帶外，但部分水流會(huì)從支墩中間斜插入主流影響航道內(nèi)的流態(tài)，修改方案二左主墩繞流基本都位于石門大橋橋墩掩蔽水域內(nèi)，橋墩中無斜流產(chǎn)生，對主流幾乎不產(chǎn)生新的影響。

綜上，從水位、流速以及流態(tài)等因素的分析可知，修改方案二較其他兩個(gè)方案對通航水流條件、通航環(huán)境及今后的航運(yùn)發(fā)展的影響最小。

4 結(jié)論

（1）跨江大橋?qū)νê剿鳁l件的影響程度，取決于橋墩所處位置以及附近河段的流速分布、大小及流態(tài)等多個(gè)因素。擬建大橋?qū)ι嫌魏拥姥爻趟挥幸欢ǖ嫩崭咦饔茫谙嗤髁?、水位條件下，橋跨越大、水位壅高程度反而減小，但總體差值不大。

（2）由于大橋的壅水作用，使橋位上游斷面流速有所減小，下游流速則有所增大，且同一方案不同流量下，流量越大，流速增大越明顯。

（3）擬建大橋最大限度地利用了中枯水期珊瑚壩尾的回流水域以及洪水期上游石板坡大橋橋墩的掩蔽水域，優(yōu)化了主墩布置，減小了新建橋墩對工程河段通航水流條件的影響。

參考文獻(xiàn)：

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