郭穗豐， 馬利軍2， 戴陽豪2， 任華強(qiáng)

(1.湖南省水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

隨著交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，橋梁工程的建設(shè)日漸增多，當(dāng)橋梁建設(shè)需跨越通航河流、水域時(shí)，其往往會(huì)使得航道通航條件變得復(fù)雜起來，其中不乏因?qū)λ缭酵ê剿蛘J(rèn)識(shí)不足，或?qū)拥浪魈匦?、河床演變?guī)律考慮不周，而造成橋址選擇不理想、橋墩和橋跨布置不合理的現(xiàn)象，不僅影響橋區(qū)水域船舶航行、作業(yè)的安全，甚至降低橋梁所跨越河流的通過能力、制約航道等級(jí)提升及水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展[1-2]。因此，在橋梁規(guī)劃、設(shè)計(jì)前期就應(yīng)充分考慮航道建設(shè)的要求，協(xié)調(diào)好二者的矛盾[3]。

擬建桃江資江二橋橋址河段為典型彎曲河道，因多年無序采砂，航段通航條件惡化，加之橋梁建設(shè)將改變現(xiàn)有航線。為了解決建橋與通航的矛盾，需對(duì)橋區(qū)航道進(jìn)行必要的疏挖整治。考慮到橋區(qū)河床以礁石為主，若建橋后再行治理，將給橋梁安全帶來極大隱患，因此需在建橋前完成相關(guān)河道治理工程。本文利用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)擬建桃江資江二橋橋區(qū)航道通航水流條件展開研究，模擬航道整治工程實(shí)施后的整治效果，為橋區(qū)航道建設(shè)提供參考。

1 橋梁建設(shè)方案概述

擬建桃江資江二橋橫跨益陽桃江縣資水尾閭航道，支流桃花江由橋址下游2 km處匯入，橋址下距已建資江一橋約3.1 km(見圖1)。橋梁總長(zhǎng)1090 m，其中主橋長(zhǎng)464 m，由52 m+4×90 m+

52 m變截面連續(xù)箱梁構(gòu)成。根據(jù)橋型布置、通航孔凈空尺度、河段深槽位置及與上、下游航線的銜接，宜采用雙孔單向通航，由左岸第2、第3孔作為上、下行孔。單孔通航凈寬80.5 m，凈高12 m(10 a一遇洪水)。

圖1 工程河段河勢(shì)圖

2 橋區(qū)通航條件概況

2.1 河勢(shì)特征

工程河段具有典型彎曲河道特性，彎曲半徑約200 m，枯水河寬約400 m，平均比降約為0.13‰，實(shí)測(cè)流速0.6～1.7 m/s(相應(yīng)流量792.7 m3/s)。河床面因多年無序采砂而起伏不平，枯期大量采砂尾堆出露，水面縮窄，水深較淺，水流繞流明顯，流態(tài)較為紊亂。橋址上游河段主泓基本位于河槽中心，且較為順直平滑；橋址下游緊鄰彎道，受彎道環(huán)流及桃花江出流頂托影響，主泓由凹岸逐漸擺向凸岸，并與下游順直河段相銜接。設(shè)計(jì)水位下1.6 m水深線在橋址上游基本貫通，但河段淺堆密布，深槽最窄處僅20余m；橋址下游河段深槽并未貫通，相隔成獨(dú)立的幾段，但該河段河床較為平整，地形起伏變化不大?？傮w看來，深槽段河道一般較窄，主泓略有擺動(dòng)，河床基本穩(wěn)定；淺堆段河道較寬淺，主泓發(fā)生一定擺動(dòng)，洪、枯水動(dòng)力軸線有差別，河床略有沖淤變化，但淺堆只在枯水期出淺，出淺位置比較固定，無移位、增減現(xiàn)象。

2.2 橋區(qū)通航條件

資水為湖南省重要通航河流，經(jīng)多年治理，目前干流桃江以上至邵陽414 km為Ⅵ級(jí)航道，桃江—益陽26 km為Ⅳ級(jí)航道，益陽—蘆林潭90 km為Ⅲ級(jí)航道。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，資水航道邵陽—桃江414 km規(guī)劃為Ⅳ級(jí)航道；桃江—蘆林潭116 km規(guī)劃為Ⅲ級(jí)及以上航道。本工程屬資水桃江上游航段，現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅵ級(jí)，規(guī)劃等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

受無序采砂的影響，近年資水尾閭益陽—桃江河段水位驟降[4]，尤以桃江站為甚，年平均水位較歷史值下降達(dá)1.74 m。因水位大幅降低，且天然河床形態(tài)受采砂破壞，尾堆林立，橋區(qū)段航道通航條件惡化，又因橋梁的建設(shè)需調(diào)整現(xiàn)有航線，為改善橋區(qū)通航條件，需采取必要的航道整治措施。因工程段河床質(zhì)以礁石為主，建橋后再實(shí)施炸礁等措施會(huì)對(duì)橋梁帶來不利影響，必須在建橋前完成相關(guān)工程。這就需要模擬橋梁的建設(shè)及橋區(qū)航道的整治，分析工程前、后河段水流條件的變化情況，預(yù)測(cè)工程整治效果，提出合理的建設(shè)方案。

3 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

天然河道邊界曲折、地形多樣，水流特性復(fù)雜。為了能夠便捷、準(zhǔn)確地反映工程前、后河段水力學(xué)環(huán)境的變化情況，數(shù)值計(jì)算方法被越來越多地應(yīng)用于模擬復(fù)雜河段的水流運(yùn)動(dòng)形態(tài)。該方法是通過在一定的定解條件下，求解水流二維控制方程來實(shí)現(xiàn)。

3.1 水流控制方程及流場(chǎng)定解條件

3.1.1水流控制方程

3.1.2流場(chǎng)定解條件

1) 邊界條件。

進(jìn)口邊界條件：進(jìn)口開邊界采用上游來流過程Q(t)=Qin(t)，Qin為開邊界上流量。

出口邊界條件：采用下游水位。

陸地邊界：在不考慮滲透的情況下，可以認(rèn)為陸地邊界上法向速度為0；根據(jù)水流無滑動(dòng)原理，水體在陸地邊界上的切向流速也應(yīng)為0。

2) 初始條件。

3.2 模型的計(jì)算范圍和網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算范圍起自擬建橋位上游1.7 km，止于橋址下游的資江一橋，全長(zhǎng)約4.7 km。計(jì)算區(qū)域曲線網(wǎng)格據(jù)橢圓型微分方程生成，網(wǎng)格總數(shù)共55 850個(gè)，平均網(wǎng)格大小約10 m。計(jì)算河段河勢(shì)及曲線網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 工程河段河勢(shì)圖及計(jì)算網(wǎng)格劃分

3.3 模型率定與驗(yàn)證

本文采用2013年6月實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行率定、驗(yàn)證，驗(yàn)證流量為792.7 m3/s，相應(yīng)出口水位為33.143 m，驗(yàn)證結(jié)果見圖3～圖5。由圖可見，模型計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的水面線、流速等特征值和實(shí)測(cè)資料結(jié)果吻合較好，水位計(jì)算誤差一般在±0.05 m以內(nèi)，表明模型計(jì)算參數(shù)選擇合理，能夠反映橋區(qū)的水流狀態(tài)。

圖3 水面線驗(yàn)證

圖4 流速驗(yàn)證

圖5 橋區(qū)河段水流流態(tài)實(shí)測(cè)與模擬情況對(duì)比

4 橋區(qū)航道整治工程及效果

4.1 橋區(qū)航道整治方案

圖6為枯水期橋區(qū)河段水流條件模擬結(jié)果，可以看出,枯水期河段水面狹窄，淺堆出露，繞流、回流明顯，水流流態(tài)紊亂，通航條件較差。為滿足現(xiàn)階段通航要求，不制約航道等級(jí)的提升，本次航道整治按規(guī)劃Ⅳ級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)布置方案，航道尺度為1.6 m×50 m×330 m(水深×航寬×最小彎曲半徑)，采用雙孔單向通航。為改善橋區(qū)航道水流流態(tài)，需將橋址上、下游挑流凸嘴切除，以歸順?biāo)?見圖7)。

圖6 橋區(qū)河段枯水期水流條件(現(xiàn)狀)

4.2 工程前、后橋區(qū)航道條件變化情況

整治工程實(shí)施后將引起橋區(qū)河段水流條件相應(yīng)調(diào)整，同時(shí)，橋梁工程的建設(shè)也將對(duì)河段水流產(chǎn)生一定程度的影響。本文就洪、中、枯3種不同水文條件，分析工程前、后水流條件的變化，了解工程對(duì)橋區(qū)航道通航條件的改善情況,見表1。

4.2.1工程前、后水流條件變化情況

通過疏挖河道、切除挑流凸咀等措施，形成了穩(wěn)定的航槽，尤以枯水期效果最為明顯，工程前、后流速模擬情況見圖8～圖10。由圖可知，工程前因淺堆出露導(dǎo)致水流不暢的河段，經(jīng)疏挖后形成連續(xù)貫通的深水航槽，航槽內(nèi)流量、水深增加，淺灘繞流及因繞流產(chǎn)生的急流、橫流得到有效改善。

表1 模擬工況表工況水位/m相應(yīng)流量/(m3·s-1)備注枯水期29.791.17設(shè)計(jì)最低通航水位(95%保證率,4 a重現(xiàn)期)洪水期37.85 535設(shè)計(jì)最高通航水位(10 a一遇洪水)中水期32.7598多年平均水位

為進(jìn)一步了解工程前、后水流條件變化情況，分別截取橋梁中軸線及其上、下游各80 m斷面來分析(見表2)。從各采樣點(diǎn)所得數(shù)據(jù)來看，工程后水流歸槽，枯水期航槽流量增加，流速普遍大于工程前，增加幅度在0.07 m/s;中、洪水時(shí)這一影響不是很明顯，工程前、后流速有增有減，總體變化幅度不大。

圖7 橋區(qū)航道整治方案

a) 工程前

b) 工程后

受淺堆繞流及凸咀挑流的影響，工程前，橋區(qū)河段流態(tài)紊亂，水流流向與橋軸線法線方向交角較大，枯水時(shí)最大交角達(dá)34°，且不同流量下水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)較大；工程后，橋區(qū)水流平順，與橋軸線基本正交，交角控制在5°以內(nèi)，航行條件得到了極大改善。從工程前、后各采樣點(diǎn)流向變化情況來看，橋墩的修建對(duì)河道水流影響較小，僅體現(xiàn)在近橋墩附近，河段水流主要受航道整治的影響。

a) 工程前

b) 工程后

a) 工程前

b) 工程后

4.2.2工程前、后水位變化情況

河道的疏挖整治，增加了過流斷面面積，改變了原有邊界條件，最直接的影響就是工程后河道水面線的調(diào)整，沿程水位下降(見表3)。由表3可知，這一影響自挖槽最下游端向上游逐漸明顯，且水位降落主要體現(xiàn)在橋軸線上游段，最大降落范圍為7.4～7.8 cm，發(fā)生于挖槽最上游斷面，此后挖槽對(duì)水位的影響逐漸減弱。相較于中、枯水期，洪水時(shí)，因疏挖增加的過水面積對(duì)于河段原有面積改變較小，工程對(duì)水位的影響并不明顯，最大降落值約為2.8 cm。

表2工程前、后流速及流向變化表測(cè)點(diǎn)枯水中水洪水流速/(m·s-1)流向/(°)流速/(m·s-1)流向/(°)流速/(m·s-1)流向/(°)工程前工程后工程前工程后工程前工程后工程前工程后工程前工程后工程前工程后4#墩0.0480.131-17120.6790.910 71.421.67424下行通航孔0.0850.1520 01.0540.9954 01.8551.81442橋軸線上游80 m3#墩00.149— 01.020.959-5 01.9051.80523上行通航孔0.2360.1480 00.880.916-4 01.8391.814242#墩00.097 — 00.680.6415 31.7291.646764#墩0 — ——0.81 —-16 —1.822—0—下行通航孔0.1430.174-14 01.1271.062-9 01.8641.996-30橋梁中軸線3#墩0.131—-7—0.769 —-7 —1.787—-2 —上行通航孔0.0420.192-3450.9671.0460 01.8852.065202#墩0.002— ——0.747 —-4 —1.756—0—4#墩0.1620.1536280.6790.84114 121.4731.32533下行通航孔0.20.13344161.0920.96312 51.8041.90830橋軸線下游80 m3#墩0.1190.1563160.8870.7893 31.8521.444-3-2上行通航孔0.1250.1377 70.9970.9263 01.8911.954-2-22#墩00.007 — 00.730.607-4-31.7791.378-6-4注:流向正值表示水流流向與橋軸線法線方向呈順時(shí)針角度,負(fù)值表示呈逆時(shí)針角度。

表3 工程后沿程水位變化值斷面位置水位變化值/cm枯水中水洪水1 200 m-6.9-7.5-1.1 1 000 m-7.3-7.8-1.1 800 m-7.4-7.8-2.8 橋軸線上游600 m-6.1-5.2-2.2 400 m-6.1-5.7-1.5 200 m-4.7-4.4-1.4 橋梁中軸線-4.7-7.3-0.96200 m-3.5-0.1-0.3 400 m-2.8-1.0-0.1 橋軸線下游600 m-1.0-0.5-0.09800 m-0.5-0.3 0 1 000 m-0.1-0.1 0 注:表中數(shù)值為工程后水位-工程前水位。

5 結(jié)語

橋梁工程作為跨越航道最為常見構(gòu)筑物，其選址、布置往往影響所在航道通航條件，甚至制約航道的發(fā)展,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋區(qū)航道通航條件的研究。本文結(jié)合工程實(shí)例研究結(jié)果如下：

1) 本工程橋位上游河道較順直，下游為彎曲段，且因多年肆意采挖，橋區(qū)河段河床凹凸不平，枯水航槽彎曲狹窄，淺灘林立，水深較淺，流態(tài)不良，水流流向與橋軸線法線方向交角較大，通航條件較差，并非理想的建橋地點(diǎn)。為解決橋梁與通航矛盾，需對(duì)橋區(qū)航道實(shí)施必要的疏挖治理。

2) 因橋區(qū)河床質(zhì)多為礁石，若建橋后再進(jìn)行航道治理，對(duì)橋梁安全會(huì)造成極大的影響，因此需在橋梁建設(shè)前完成相關(guān)工程。工程段航道現(xiàn)狀等級(jí)為Ⅵ級(jí)，遠(yuǎn)期規(guī)劃為Ⅳ級(jí)。為適應(yīng)航道遠(yuǎn)期發(fā)展，本次航道疏挖治理工程宜按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)開展。同時(shí)，航道設(shè)計(jì)水位需充分考慮因下游采砂造成水位降落的影響。

3) 由數(shù)值模擬計(jì)算成果可知，橋區(qū)航段經(jīng)疏挖治理后，水流歸槽，水深增加，水流流向與橋軸線法線方向的交角減小，通航條件得到極大改善。