青山樞紐改造工程左汊橋位布置方案試驗(yàn)研究

鄧燦，曹凌瑞，李明，王能

（1.湖南省湘水集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114;3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410200）

青山樞紐是一個(gè)以提水灌溉為主，兼顧航運(yùn)、發(fā)電等綜合利用的水利工程。澧水在青山樞紐上游約1.5km處分為兩汊，右汊為澧水干流原始航道，左汊繞至臨澧縣新安鎮(zhèn)，轉(zhuǎn)向東南于芭茅渡與右汊匯合，兩汊之間為洞子坪洲。青山樞紐船閘下游航道是澧水石門至澧縣的重要交通航線，樞紐改建工程實(shí)施后左汊通航，原左汊下游漫水橋因阻礙通航需要拆除。為了解決洲上居民出行問題以及促進(jìn)當(dāng)?shù)芈糜谓?jīng)濟(jì)發(fā)展，在樞紐左汊需要重新架設(shè)橋梁。橋位選擇不理想則會使河道的水流條件發(fā)生改變，惡化通航環(huán)境，從而增加船舶航行難度。

根據(jù)樞紐下游河勢及水流條件，設(shè)計(jì)單位給出了兩個(gè)擬建橋位布置方案（圖1）。其中方案一橋位下距樞紐下游口門區(qū)右側(cè)導(dǎo)流墩約3500m，方案二下距下游右側(cè)導(dǎo)流墩約100m。本文針對橋位選址的兩種方案，采用整體定床物理模型和遙控自航船模相結(jié)合的試驗(yàn)方法，對左汊航道通航條件進(jìn)行研究分析，為橋位選擇提供依據(jù)。

圖1 青山樞紐物理模型口門區(qū)下游圖

1 模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

1.1 整體模型簡介

整體物理模型主要是根據(jù)研究內(nèi)容、模擬河段范圍、試驗(yàn)場地和設(shè)備條件等，依據(jù)物理模型基本相似理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。物理模型必須滿足幾何相似、水流運(yùn)動相似、動力相似及阻力相似。根據(jù)本項(xiàng)目所要研究的內(nèi)容，同時(shí)考慮船舶模型必須在物理模型上進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)的要求，物理模型采用正態(tài)定床模型。根據(jù)該項(xiàng)目要求模擬河段的范圍（圖1），結(jié)合試驗(yàn)場地大小、船舶模型試驗(yàn)要求、模型最小水深要求等，物理模型幾何相似采用1:110 正態(tài)比尺。

經(jīng)與實(shí)測樞紐下游河段沿程水位、流量、斷面流速等參數(shù)對比，模型與原型水面線基本一致，且各項(xiàng)指標(biāo)的偏差均符合《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》（JTS/T231-4-2018）的技術(shù)要求。

1.2 船模試驗(yàn)簡介

經(jīng)率定，船模直線航行平穩(wěn)，吃水與實(shí)船相符，航速與操縱性符合規(guī)范要求。

綜上，所制作的物理模型、船舶模型可作為青山樞紐下游彎曲航道優(yōu)化工程模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)。

2 左汊水流條件分析

樞紐左汊下游航道，在來流≤8910m/s 的條件下，下游口門區(qū)附近水流整體相對平順。當(dāng)Q=8910m/s 時(shí)，下游引航道口門區(qū)縱向流速約為1.3m/s，絕大部分水域橫向流速不超過0.3m/s（見圖2），左岸附近有局部回流，但在航道線之外，對船舶通航不會造成太大影響，下引航道連接段最大縱向流速1.6m/s（見圖3），水流條件基本滿足規(guī)范要求。但在下游大約2600m 起，航道位于彎道地形處。該彎道全長約1700m，寬約465m，彎曲半徑約為1282m，該段水流流速較大，水流流態(tài)極為復(fù)雜，局部縱向流速達(dá)到2.54m/s，來往船只受橫向流速影響較大，航行難度大。

圖2 下游口門區(qū)流場圖

圖3 下游航道流場圖

3 橋位選址方案

3.1 方案一

橋位選擇在下游口門區(qū)距右側(cè)導(dǎo)流墩約3500m處，處于彎曲河段，橋位上下游3 倍船舶長度范圍內(nèi)采取直線布置，與上下游航道彎道銜接。

共調(diào)查28個(gè)村落,主要分布在太湖流域。其中上海市12個(gè)、江蘇省11個(gè)、浙江省5個(gè),鄉(xiāng)村性高村落16個(gè),鄉(xiāng)村性低村落12個(gè),村落地理分布如圖1所示。共調(diào)查4類生境的134個(gè)植物群落,各生境調(diào)查樣點(diǎn)數(shù)量分布如表3所示。

3.1.1 橋區(qū)航線布置

為驗(yàn)證橋區(qū)船舶航行情況，對該橋位布置方案進(jìn)行船模航行試驗(yàn)。并根據(jù)試驗(yàn)成果在原有航線基礎(chǔ)上對該段航道航線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以探究此橋位布置方案的可行性。因中低流量下水流流速小，通航較為安全，故試驗(yàn)流量采用設(shè)計(jì)最大通航流量為8910m/s。各航線布置情況見圖4。

圖4 航線布置圖

航線1：距下游右側(cè)導(dǎo)流墩下游3300m-3800m 范圍內(nèi)直線布置，航線寬為90m，與上下游航道彎道銜接，船舶采用左側(cè)上行右側(cè)下行方式航行。

航線2：仍然采用船舶左側(cè)上行右側(cè)下行方式航行，其中，在航線1 基礎(chǔ)上距下游右側(cè)導(dǎo)流墩下游2600m-4300m 范圍內(nèi)下行航線航線向右偏22.5m，橋位上下游3 倍船舶長度范圍直線布置，與上下游航道彎道銜接。

航線3：仍然采用船舶左側(cè)上行右側(cè)下行方式航行，其中，在航線1 基礎(chǔ)上距下游右側(cè)導(dǎo)流墩下游2600m-4300m 范圍內(nèi)下行航線向右偏42.55m，橋位上下游3 倍船舶長度范圍直線布置，與上下游航道彎道銜接。

航線4：仍然采用船舶左側(cè)上行右側(cè)下行方式航行，其中，在航線1 基礎(chǔ)上距下游右側(cè)導(dǎo)流墩下游2600m-4300m 范圍內(nèi)下行航線向右偏62.5m，橋位上下游3 倍船舶長度范圍直線布置，與上下游航道彎道銜接。

3.1.2 船模試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合船模航態(tài)圖分析可知：航線1 船舶能安全上行，但下行船舶無法避開上行船舶。航線2、3、4 船舶能安全上行，下行船舶能避開上行船舶，但在過彎時(shí)最大舵角超過30°，稍有不慎，船舶會偏離下行航線，存在較大安全隱患。航線5 船舶下行舵角控制在20°以內(nèi)，船舶向凹岸漂移，漂距約50m；上行最大舵角19.36°，船舶在距下游右側(cè)導(dǎo)流墩3200m 處向凹岸漂移距較大，存在較大安全隱患。

各航線工況下船模航態(tài)圖見圖5。

圖5 船模航態(tài)圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：船舶按方案一橋位各航線航行均存在一定安全隱患，結(jié)合《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，航道軸線方向與水流方向夾角不宜大于5°，優(yōu)先選擇水流穩(wěn)定，航道軸線平順、避免連續(xù)轉(zhuǎn)向的地勢。故不建議在此橋位布置新建橋梁。

3.2 方案二

針對下游彎道處橋位的布置會對船舶通航造成一定的安全問題，提出新的布置方案。經(jīng)對下游口門區(qū)附近流場的測量發(fā)現(xiàn)，該段航道水流平順，航線順直，可布置橋梁。

3.2.1 試驗(yàn)布置

橋位位于距下游口門區(qū)右側(cè)導(dǎo)流墩100m 處。同樣，對該橋位布置進(jìn)行船模航行試驗(yàn)，流量為8910m3/s。

圖6 方案二橋位布置示意圖

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：船舶在上下行行駛時(shí)航態(tài)平順，船舶下行舵角在10°以內(nèi)，船舶向凹岸漂移，漂距范圍在5m 之內(nèi)；上行最大舵角7.76°，漂距范圍在4m 之內(nèi)。船舶上下行航行舵角、漂角、漂距均在《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[要求范圍內(nèi)，即船舶可以在最大通航水位下安全行駛。由此可知，此橋位布置方案可滿足橋區(qū)船舶通航要求。

圖7 船模航態(tài)圖（Q=8910m3/s）

4 結(jié)論

模型試驗(yàn)成果表明，受彎曲河道水流影響，在最大通航水位工況下，橋位布置方案一中船舶航行存在較大的安全隱患，不宜采用。橋位布置方案二中船舶航行受水流條件影響較小，航行姿態(tài)滿足規(guī)范要求，推薦采用該橋位方案。研究成果解決了青山樞紐改造工程左汊新建橋梁橋位選擇問題，可供類似項(xiàng)目參考。