基于韶關(guān)北江大橋匯流河口橋梁通航適應(yīng)性分析

趙凌宇 中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“水上過河建筑物選址應(yīng)避開灘險(xiǎn)。通航控制河段、彎道、分流口、匯流口；水上過河建筑物在下游時(shí)不得小于頂推船隊(duì)長度的4 倍或拖帶船隊(duì)長度的3倍，水上過河建筑物在上游時(shí)不得小于頂推船隊(duì)長度的2倍或拖帶船隊(duì)長度的1.5倍?！鄙仃P(guān)北江大橋位于湞江和武江交匯河口下游約600m處，受湞江、武江匯流影響，橋區(qū)通航條件相對(duì)復(fù)雜。通過建立橋區(qū)三維數(shù)值模型，對(duì)通航船舶操縱模擬提供水動(dòng)力條件。采用通航船舶操縱模擬器對(duì)不同工況下橋區(qū)通航條件進(jìn)行了模擬分析，并結(jié)合A ASHTO 模型對(duì)橋梁碰撞概率進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)橋梁通航適應(yīng)性進(jìn)行了綜合分析。

1.工程概況

1.1 依托項(xiàng)目

本工程為北江航道擴(kuò)能升級(jí)上延工程，位于廣東省韶關(guān)市，航道建設(shè)范圍為長來至韶關(guān)63k m（其中武江57km，北江6km），擬按通航1000噸級(jí)內(nèi)河船舶要求進(jìn)行建設(shè)。工程主要建設(shè)內(nèi)容有：航道工程（包括疏浚、清礁、整治、航標(biāo)、護(hù)岸、交叉及航道維護(hù)管理設(shè)施工程等）、船閘工程（建設(shè)溢洲樞紐、塘頭樞紐、七星墩樞紐以及長安樞紐1000t船閘各一座）、橋梁工程等，其中韶關(guān)北江大橋位于本項(xiàng)目北江6km航段，如圖1。

圖1 韶關(guān)北江大橋地理位置圖

1.2 橋梁概況

韶關(guān)北江大橋位于韶關(guān)市武江區(qū)，橋梁跨越北江，橋梁西側(cè)跨越武江南路，接新華南路，東側(cè)跨越北江中路，接韶南大道和規(guī)劃設(shè)計(jì)中的生態(tài)路。橋梁始建于1983年。全橋總長490m，橋面總寬20 m。其結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土箱型拱橋。橋梁孔跨布置為：2×27m+3×52m+2×55m+2×52m+2×27m。

1.3 通航凈空

（1）規(guī)范復(fù)核。如表1所示，韶關(guān)北江大橋目前布置有兩個(gè)通航孔，設(shè)計(jì)最高通航水位為56.92m，橋梁凈高為5.4m，凈寬為38.5m。其通航凈空尺度難以滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2014）對(duì)內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道凈空尺度的要求。

表1 韶關(guān)北江大橋通航凈空復(fù)核表

（2）通航保證率。韶關(guān)北江大橋通航凈高難以滿足規(guī)范要求，橋梁位于孟洲壩庫區(qū)。受樞紐調(diào)度控制，橋區(qū)大部分時(shí)段水位變幅不大。常水位至10年一遇水位出現(xiàn)的概率很小。以韶關(guān)水位站為例，孟洲壩正常蓄水位53.32m～警戒水位53.82m區(qū)間出現(xiàn)概率超過98%。根據(jù)韶關(guān)基本站近18年水文資料按水面比降可以推算至橋址處日均水位。根據(jù)日均水位和橋梁梁底輪廓線資料，可以推求橋梁對(duì)應(yīng)的各級(jí)凈高保證率如表2所示。

由表2可見，韶關(guān)北江大橋達(dá)到7m的保證率接近99%，如果通航凈高按照6.5m 控制保證率可達(dá)到100%。

表2 韶關(guān)北江大橋通航保證率計(jì)算表

2.橋區(qū)河床演變分析

2010年-2016年53m等高線岸線總體沖淤互現(xiàn)（圖3），僅在韶關(guān)北江大橋下游右岸53m等高線沖刷后退，最大累積沖刷后退約45m。2016年，在上游武江和湞江兩江交匯處出現(xiàn)一個(gè)長約75m、寬約42m的53m高程小心灘。2010年-2016年邊灘49m等高線，左岸變化不大，右岸表現(xiàn)為韶關(guān)北江大橋附近邊灘49m等高線淤長外延，累積淤長外延約50m。兩江左右兩岸交匯處，49m高程邊灘淤積下延，最大累積淤積幅度約115m。

圖2 韶關(guān)北江大橋立面圖

圖3 2010年-2016年韶關(guān)北江大橋河段灘槽沖淤變化圖

武江口至韶關(guān)北江大橋附近右岸邊灘淤積上延，淤高約為1.4-2m，主槽沖刷，湞江入?yún)R處河道淤積，淤積幅度在0.8-2m，兩江入?yún)R口邊灘淤積下移，淤高達(dá)2m以上。

北江干流由于兩江入?yún)R，主槽水流動(dòng)力增強(qiáng)，主槽沖刷，有利航道，主流束窄，易造成兩岸水流動(dòng)力不足，兩岸邊灘有淤積趨勢。匯流口-百旺大橋段，航道達(dá)5m以上，滿足通航要求，但在湞江至韶關(guān)大橋段，航道水深維持在2-3m，基本滿足通航要求（如圖4）。

圖4 2016年韶關(guān)北江大橋河道水深圖

3.橋區(qū)三維數(shù)值模擬

3.1 模型范圍

三維模型主要為韶關(guān)北江大橋通航船舶操縱提供水動(dòng)力條件，為了精確和高效的模擬橋區(qū)動(dòng)力條件，模型范圍包括武江、湞江以及北江匯流口各延伸約2km。模型在平面上采用四邊形和三角形混合的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在橋區(qū)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格邊長 0.5m，垂向分為 20層。

3.2 模擬工況

研究的大橋位于孟洲壩庫區(qū)內(nèi)，從通航的角度分別模擬多年平均流量、溢州樞紐和灣頭樞紐滿發(fā)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種組合流量共計(jì)12組工況，詳見表3。

表3 計(jì)算工況表

3.3 橋區(qū)流場及水位

從橋區(qū)流速看，橋區(qū)橫流多數(shù)工況下能夠滿足小于 0.3m/s的規(guī)范要求，只在洪水時(shí)部分橋孔橫流超過0.3 m/s。需要指出的是，當(dāng)流量達(dá)到或超過兩年一遇流量時(shí)，流速較大，而橋區(qū)通航孔的航寬較小，需要通過船舶模擬器或?qū)嶋H通航實(shí)驗(yàn)對(duì)橋區(qū)是否能夠通航進(jìn)行研判。

圖6 航跡軌跡圖

4.橋梁通航仿真模擬

4.1 設(shè)計(jì)船型

設(shè)計(jì)代表船型為1000t 級(jí)貨船，其主尺度為 68m×10.8m×2.0m（長×寬× 滿載吃水）。

表4 橋區(qū)航道縱向流速 單位：m/s

表5 橋區(qū)航道橫向流速 單位：m/s

4.2 模擬試驗(yàn)結(jié)論

（1）上行時(shí)，在停機(jī)及以下流量、6 級(jí)及以下橫風(fēng)條件下，船舶均可順利通過韶關(guān)北江大橋橋區(qū)水域；在2年一遇流量條件下，在考慮橋梁有效凈寬的影響下，船舶無法通過橋區(qū)水域。

（2）下行時(shí)，在停機(jī)及以下流量、無風(fēng)條件下，船舶均可順利通過韶關(guān)北江大橋橋區(qū)水域，在 6 級(jí)橫風(fēng)條件下，航跡帶與兩側(cè)橋墩距離較近；在 2 年一遇流量條件下，在考慮橋梁有效凈寬的影響下，船舶無法通過橋區(qū)水域。

5.橋梁船撞概率計(jì)算

根據(jù)AASHTO 倒塌概率計(jì)算模型，橋梁倒塌率 P

韶關(guān)北江大橋倒塌概率為：

根據(jù)橋梁船撞倒塌風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，韶關(guān)北江大橋?qū)儆诘惋L(fēng)險(xiǎn)，接近中等風(fēng)險(xiǎn)。

6.結(jié)語

在2年一遇及以下流量條件下，橋區(qū)流場較為平順，橋區(qū)水域的流速均在2.80m/s 以內(nèi)，橋區(qū)橫流在0.2m/s以內(nèi)。

在停機(jī)及以下流量、5 級(jí)及以下橫風(fēng)條件下，設(shè)計(jì)船型可順利通過韶關(guān)北江大橋橋區(qū)水域；在2年一遇及以上流量條件下，由于韶關(guān)北江大橋?yàn)楣靶螛?，在考慮橋梁有效凈寬的影響下，船舶無法通過橋區(qū)水域。

在2年一遇及以下流量條件下，依據(jù)改進(jìn)后的AASHTO模型，船舶通過韶關(guān)北江大橋的碰撞年頻率為 4.93×10次/年，年倒塌頻率2.66× 10，屬于低風(fēng)險(xiǎn)，接近中等風(fēng)險(xiǎn)。