張 胡，杜德軍，夏云峰，閆杰超

(1. 中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430050； 2. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029)

作為長(zhǎng)三角地區(qū)沿海鐵路大通道的重要控制性工程，滬通長(zhǎng)江大橋的修建將有利于南通融入上海經(jīng)濟(jì)圈和吸收上海自貿(mào)區(qū)的“溢出效益”。工程區(qū)域位于長(zhǎng)江江蘇段，上下游有福姜沙、通州沙等長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道重要整治河段[1]，加之工程區(qū)域徑流與潮流條件復(fù)雜，大大增加了滬通長(zhǎng)江大橋的修建難度。為了確定滬通長(zhǎng)江大橋的修建位置，杜德軍等[2]分析了十二圩橋位、十三圩橋位和西界港橋位的岸線變化、河相關(guān)系與等高線等變化，最終確定了十三圩橋位方案。高宗余等[3]通過(guò)分析橋墩對(duì)河道航道、行洪等的影響，研究了滬通長(zhǎng)江大橋的總體設(shè)計(jì)。裴金林等[4]從對(duì)深水航道的影響與通航要求研究了滬通長(zhǎng)江大橋的橋墩布置方案。杜德軍等[5]通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了滬通長(zhǎng)江大橋橋墩布設(shè)后的水動(dòng)力特性變化，分析指出流速、單寬流量等在南側(cè)主通航孔處增加明顯，以及南主墩處可能出現(xiàn)較大的局部沖刷。張朝陽(yáng)等[6]通過(guò)分析實(shí)測(cè)潮流資料發(fā)現(xiàn)落潮流速是瀏海沙水道的造床動(dòng)力，且最大流速落潮出現(xiàn)在29號(hào)主墩附近。

綜上分析可知，目前研究主要集中在滬通長(zhǎng)江大橋?qū)こ虆^(qū)域水沙動(dòng)力變化以及對(duì)河床演變的影響，并未就橋墩布設(shè)對(duì)12.5 m深水航道及船行安全的影響作系統(tǒng)研究；同時(shí)，上述研究發(fā)現(xiàn)，大橋修建后水流對(duì)南側(cè)主墩的作用較大，且施工期間出現(xiàn)南側(cè)圍堰受水流沖擊而偏移的現(xiàn)象。為探討橋墩布設(shè)的合理性，在橋位已確定的情況下，提出了主橋各通航孔向南平移200 m的探索性方案，以此對(duì)比分析對(duì)工程區(qū)河床沖淤、通航條件和實(shí)測(cè)航跡線等方面的影響，為滬通長(zhǎng)江大橋的橋跨及墩位布設(shè)提供更充分的技術(shù)依據(jù)。

圖1 澄通河段河勢(shì)Fig.1 River regime of Chengtong reach of Yangtze River

1 河道概況

工程上游為福姜沙河段，范圍為江陰至十二圩，屬于多級(jí)分汊河段。福姜沙左右兩汊發(fā)展較為穩(wěn)定，左汊為順直主汊，右汊福南水道為鵝頭型彎道，兩汊分流比約80%∶20%。福姜沙左汊往下游，雙澗沙、民主沙又將其分成兩汊，左汊的如皋中汊為支汊，分流比為30%，瀏海沙水道上段為主汊，分流比為70%。兩汊水流匯合后的長(zhǎng)江主流經(jīng)主槽九龍港至十二圩段南側(cè)。瀏海沙水道下段左側(cè)已連為一體成為長(zhǎng)江上第三大島的長(zhǎng)青沙、泓北沙及橫港沙，北側(cè)為天生港水道，主要有華能電廠、亞華、蛟龍和韓通重工等碼頭。右岸九龍港下沿岸為沙鋼碼頭、奔輝碼頭等[6](見(jiàn)圖1)。

通州沙河段全長(zhǎng)約40 km，上起十二圩，下至徐六涇，中間放寬，最寬約9 km，上下游進(jìn)出口相對(duì)較窄，為暗沙型多分汊河道。其進(jìn)口段又被通州沙分為東、西水道，上游瀏海沙水道貼南岸九龍港-十二圩的主流經(jīng)南通水道逐步北移過(guò)渡到南通姚港至任港一帶，緊貼左岸順通州沙東水道下泄。隨著通州沙西水道整治工程和深水航道整治工程的實(shí)施，東水道落潮時(shí)分流比約為90%，往下游則逐漸減小至75%[7]。

2 工程基本情況

擬建滬通長(zhǎng)江大橋橋位上距江陰長(zhǎng)江公路大橋約45 km，下距蘇通長(zhǎng)江公路大橋約40 km(見(jiàn)圖1)，位于長(zhǎng)江澄通河段南通水道上段，北接南通、南連張家港，橫跨天生港水道、橫港沙和南通水道。該河段為12.5 m深水航道主要整治河段，已建有通州沙整治工程、狼山沙整治工程及福姜沙整治工程。同時(shí)，隨著深水航道一期工程的竣工，大型進(jìn)江海輪進(jìn)入，使得該區(qū)域通航環(huán)境日益復(fù)雜。滬通大橋采用公鐵合建，上層為六車道公路，下層為四線鐵路，總長(zhǎng)11.3 km。主航道橋擬采用主跨為1 092 m的兩塔五跨斜拉橋方案。正橋鋼梁范圍總長(zhǎng)5.86 km。

2.1 墩位布設(shè)原則

在大橋橋位確定情況下，為了減小建橋?qū)νê?、防洪等方面的影響，根?jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》、《通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》和《長(zhǎng)江江蘇段船舶定線制規(guī)定》中的有關(guān)規(guī)定，大橋孔跨布置主要從以下幾方面考慮：①大橋墩位布設(shè)不得對(duì)防洪和河勢(shì)造成明顯不利影響；②橋墩布設(shè)不得影響周邊涉水工程和設(shè)施正常運(yùn)行；③大橋孔跨的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)因素；④橋梁通航孔應(yīng)采用大跨度橋型方案，以滿足包括12.5 m深水航道在內(nèi)的多線通航要求；⑤滿足深水航道發(fā)展需求。

圖2 1970—2010年工程河段12.5 m線比較Fig.2 Comparison of 12.5 m isoline of project reach from 1970 to 2010

2.2 大橋主航道橋跨度的確定

根據(jù)相關(guān)資料，橋位附近12.5 m等深線槽寬分別為1986年1 702 m，1992年2 014 m，1999年2 063 m，2004年2 015 m，2006年1 859 m，2009年1 472 m，2010年1 831 m(見(jiàn)圖2)。大橋孔跨的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)因素制約了橋跨不能太大。根據(jù)主航道通航要求以及主要滿足12.5 m深水航道通航要求，在主跨通航凈寬900 m的情況下，結(jié)合南科院的水文計(jì)算成果[8]、天科院的通航凈空尺度論證[9]，以及長(zhǎng)江航道院的航道條件及橋墩布置方案等研究成果[4]，從工程河段12.5 m深槽變化可知，多年來(lái)橋址附近12.5 m深槽寬度一般為1.4～2.1 km，水深條件較好，其寬度和深度達(dá)到海輪深水航道通航要求，設(shè)計(jì)的通航孔寬度為2 300 m，能覆蓋歷年的12.5 m線范圍。近年來(lái)，隨周邊整治工程相繼實(shí)施，瀏海沙水道和南通主槽基本穩(wěn)定，主流擺幅較小，工程河段深槽及深泓走勢(shì)基本上保持現(xiàn)有格局，不會(huì)有大的變化。現(xiàn)有1 092 m主跨方案的主墩基本覆蓋近年來(lái)12.5 m深槽的變化范圍，墩位布設(shè)適應(yīng)橋址河段近年來(lái)河床的演變。綜上所述，確定其橋跨布置為142 m + 462 m + 1 092 m + 462 m + 142 m，總通航跨度為2 300 m。

3 墩位布設(shè)適應(yīng)性分析

3.1 從水動(dòng)力條件分析墩位布設(shè)適應(yīng)性

3.1.1建橋后水動(dòng)力變化分析 研究表明，建橋引起的近岸高、低潮位最大壅水小于0.05 m，各站潮位過(guò)程沒(méi)有明顯變化，對(duì)潮位的影響范圍為擬建橋址上游約3 km，下游約2 km，建橋?qū)﹂L(zhǎng)江行洪、排澇影響較小；建橋后斷面流速分布和各汊道的分流比沒(méi)有明顯變化；由于橋墩對(duì)水流的擠壓作用和橋墩擾流，橋位附近河床沖刷，南通水道主槽沖刷幅度較大，主槽兩側(cè)沖刷相對(duì)較小，灘槽格局沒(méi)有發(fā)生改變，建橋?qū)觿?shì)沒(méi)有明顯影響。

根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，建橋后橋位斷面表面漲、落潮最大流速及其流向統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，斷面落潮最大流速分布見(jiàn)圖3。

表1 橋位斷面表面漲、落潮最大流速及其流向Tab.1 Maximum velocities and directions of ebb tide along cross section of bridge site

圖3 建橋后橋位斷面各水文條件下流速分布Fig.3 Velocity distribution of cross section of bridge site under different hydrological condotions

由圖3和表1可見(jiàn)，漲潮最大流速1.75 m/s(枯季大潮)出現(xiàn)在主通航孔南側(cè)。主通航孔左側(cè)、中部和右側(cè)的漲潮偏角為偏北4°～7°。最大落潮流速4.09 m/s(300年一遇水文條件)出現(xiàn)在主通航孔南側(cè)。南輔助通航孔、主通航孔右側(cè)、中部、左側(cè)和北輔助通航孔落潮偏角為偏南8°，偏南6°，偏南2°，偏北2°。

研究表明，建橋后由于橋墩具有一定導(dǎo)流作用，主通航孔的漲、落潮水流流向與橋軸線法向的夾角由8°減小到5°以內(nèi)；主通航孔中流速增加0.10～0.20 m/s。98大洪水條件下，橋位斷面處最大流速約3 m/s，不會(huì)對(duì)建橋和航運(yùn)產(chǎn)生較大影響，但若出現(xiàn)100年一遇以上洪水，落潮流速可達(dá)到4.0 m/s左右，這對(duì)大橋的運(yùn)行和施工可能產(chǎn)生一定的影響。

由于南主墩位于南側(cè)深槽附近，且研究表明其附近落潮流速較大，這對(duì)主墩設(shè)計(jì)和施工提出很高要求，在橋梁跨度難以增加的情況下，建議主墩南移以避開(kāi)主流區(qū)。

3.1.2工程區(qū)域河床演變特性 如圖2所示，滬通長(zhǎng)江大橋橫跨橫港沙。1970—1980年，橫港沙下段右緣受沖刷向北后退約2 km，沙尾和外邊坡呈總體后退趨勢(shì)；1980—1990年，沙尾及邊坡后退速度逐漸減緩并呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。同時(shí)，由于橫港沙尾及外邊坡受沖后退，導(dǎo)致橫港沙左邊灘向北淤長(zhǎng)，橋位下方?jīng)_刷趨勢(shì)減慢；自1990年以來(lái)，橫港沙平面形態(tài)、高程基本穩(wěn)定，總體變化較小。

3.2 從動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果分析墩位布設(shè)適應(yīng)性

根據(jù)前期的研究，設(shè)計(jì)和研究單位將設(shè)計(jì)橋型方案的主橋各通航孔向南平移約200 m。動(dòng)床物理模型對(duì)主墩南移前以及南移200 m的方案進(jìn)行研究。

3.2.1現(xiàn)有墩位布置下建橋后河床沖淤試驗(yàn) 圖4(a)為工程實(shí)施后引起的橫港沙沖淤變化(僅限于橋位附近)。建橋后，橫港沙沙體以淤積為主，淤厚約0.2 m；由于橋墩局部沖刷坑的存在，橋位附近橫港沙天生港側(cè)和南通水道側(cè)的邊坡出現(xiàn)沖刷，建議橋位附近橫港沙右側(cè)邊坡進(jìn)行防護(hù)。建橋后橋位附近河床沖刷，南通水道沖刷大于0.2 m的范圍在上游約600 m，下游3 000 m內(nèi)；主副通航孔中間沖深2 m左右；其中南主輔墩局部沖刷坑最大達(dá)26 m左右；下游鄰近橋位的局部水域有所淤積，受上游大量泥沙下泄影響，平常水沙年一般淤厚約0.2～0.5 m，百年一遇水文年和3個(gè)水文年淤厚最大可超過(guò)1.0 m；除橋位附近南通水道-10 和-15 m深槽局部有所擴(kuò)大外，-10和-15 m深槽總體變化不大，工程前后深槽走勢(shì)基本不變。由于南側(cè)固定邊界的約束，橋位南側(cè)主槽未見(jiàn)南移但略有下切。

表2建橋前后橋位斷面12.5m等深線槽寬

Tab.2 Width of channel of 12.5 m isoline before and after bridge construction m

水文條件2009年現(xiàn)狀無(wú)橋試驗(yàn)后有橋試驗(yàn)后槽寬槽寬變化槽寬變化平常水沙年1 4731 7512782 258785百年一遇水文年1 4731 7873142 3198463個(gè)水文年1 4731 7903172 332859注:槽寬指統(tǒng)計(jì)斷面上12.5 m線寬度;變化指12.5 m試驗(yàn)后的寬度減去現(xiàn)狀條件下的寬度。

橋位斷面上由于橋墩沖刷后，12.5 m槽向南北兩側(cè)發(fā)展，槽寬增加至2 330 m左右(見(jiàn)表2)，橋梁建設(shè)后的12.5 m槽寬滿足長(zhǎng)江口深水航道12.5 m上延的水深和航寬要求。

3.2.2主墩南移后河床沖淤試驗(yàn) 圖4(b)為百年一遇水沙年條件下，建橋工程引起的河床沖淤變化。主墩南移后的試驗(yàn)結(jié)果表明，橫港沙沙體以及北側(cè)邊坡的沖淤變化與現(xiàn)有墩位方案實(shí)施后的沖淤變化基本一致。由圖可見(jiàn)，主墩南移對(duì)地形的影響限于橋位附近。橋墩沖刷坑隨墩位南移后位置有所變動(dòng)，南側(cè)-10 m線有向南發(fā)展趨勢(shì)，另外，橋位下游沖刷區(qū)也有偏南發(fā)展的趨勢(shì)，通州沙頭部附近沖刷會(huì)略有增加。

總的來(lái)說(shuō)，主墩南移后，南側(cè)主流區(qū)呈南移趨勢(shì)，橋位下游沖刷區(qū)也有偏南發(fā)展的趨勢(shì)，擬建橋梁下游深水航道所在的偏北區(qū)域呈淤積態(tài)勢(shì)，不利于深水航道水深的維護(hù)。同時(shí)，通州沙頭部沖刷將有所加強(qiáng)，不利于現(xiàn)有航道上下平順連接。

圖4 滬通長(zhǎng)江大橋推薦墩位及墩位南移方案實(shí)施后河床沖淤變化Fig.4 Comparison of riverbed scouring & silting changes of recommended piers and piers moving 200 m southward of Hutong bridge

3.3 橋址河段通航條件和實(shí)測(cè)航跡線

中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司分別于2010年4月和2010年7月進(jìn)行了橋區(qū)河段枯季大、小潮，洪季大、小潮實(shí)測(cè)船筏走行線測(cè)量(見(jiàn)圖5)。結(jié)果表明，橋址區(qū)域南通水道主航道內(nèi)船舶航行各行其道，航線順直，上、下行航跡線范圍在700 m以內(nèi)，實(shí)際航行情況與定線制規(guī)定相符合。除洪季小潮部分小型船舶上水較為分散位于北輔助通航孔內(nèi)，其他情況下上下行航道均位于主通航孔內(nèi)。

圖5 枯季大潮和洪季大潮船筏走行線Fig.5 Ship track lines during spring tide in dry and flood seasons

橋區(qū)習(xí)慣性航路位于南通水道中偏北位置，從橋區(qū)上游經(jīng)過(guò)擬建橋梁后由南向北過(guò)渡。按照現(xiàn)墩位布設(shè)方案，擬建橋梁的通航孔布置基本符合現(xiàn)行的習(xí)慣性航路，不需對(duì)橋址河段航標(biāo)進(jìn)行大的調(diào)整，如在現(xiàn)有墩位布設(shè)方案基礎(chǔ)上將各通航孔向南平移，北主墩將進(jìn)入大型船舶上水航路中。為了適應(yīng)南移后的通航孔布置，需將橋區(qū)上下游一定范圍內(nèi)的航標(biāo)向南調(diào)整，而橋位河段航道處于由南向北的過(guò)渡段內(nèi)。船舶經(jīng)過(guò)橋梁后需向北行駛，因此航標(biāo)南調(diào)后將導(dǎo)致船舶航行由南向北過(guò)渡時(shí)彎曲半徑更小，會(huì)增加船舶航行的難度。目前習(xí)慣性航道位于主孔偏北，建橋后橋址處航道向南調(diào)整的幅度較小。墩位南移，海輪航道走主橋孔，現(xiàn)行航道向南調(diào)整幅度較大，與上下游航道連接不順。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于12.5 m深水航道發(fā)展、橋址河段通航條件和實(shí)測(cè)航跡線等方面需求，分析了滬通長(zhǎng)江大橋橋墩布設(shè)的適應(yīng)性，得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)河段近年來(lái)12.5 m等深線演變特性分析，得出大橋跨度基本包絡(luò)歷年12.5 m等深線，工程河段深槽及深泓走勢(shì)基本保持現(xiàn)有格局，不會(huì)有大的變化。同時(shí)，分析了不同水文條件下大橋沖淤及流速分布，發(fā)現(xiàn)南主墩附近落潮流速較大，這對(duì)主墩設(shè)計(jì)和施工提出很高的要求，在難以增加橋梁跨度的情況下，建議主墩南移以避開(kāi)主流區(qū)。

(2)分析主墩南移200 m的方案及實(shí)際航跡線發(fā)現(xiàn)，主墩南移后，南側(cè)主流區(qū)有南移趨勢(shì)，橋位下游沖刷區(qū)也有偏南發(fā)展的趨勢(shì)，擬建橋梁下游深水航道所在的偏北區(qū)域呈淤積態(tài)勢(shì)，不利于維護(hù)深水航道水深。主墩南移方案不利于深水航道水深維護(hù)和現(xiàn)有航道上下游平順連接，建議擬建橋梁采用現(xiàn)橋墩布設(shè)方案。