拟建桃江资江二桥桥区航道通航水流条件研究

郭穗丰， 马利军2， 戴阳豪2， 任华强

(1.湖南省水务规划设计院， 湖南 长沙 410007； 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

随着交通运输网络的不断发展，桥梁工程的建设日渐增多，当桥梁建设需跨越通航河流、水域时，其往往会使得航道通航条件变得复杂起来，其中不乏因对所跨越通航水域认识不足，或对河道水流特性、河床演变规律考虑不周，而造成桥址选择不理想、桥墩和桥跨布置不合理的现象，不仅影响桥区水域船舶航行、作业的安全，甚至降低桥梁所跨越河流的通过能力、制约航道等级提升及水运事业的发展[1-2]。因此，在桥梁规划、设计前期就应充分考虑航道建设的要求，协调好二者的矛盾[3]。

拟建桃江资江二桥桥址河段为典型弯曲河道，因多年无序采砂，航段通航条件恶化，加之桥梁建设将改变现有航线。为了解决建桥与通航的矛盾，需对桥区航道进行必要的疏挖整治。考虑到桥区河床以礁石为主，若建桥后再行治理，将给桥梁安全带来极大隐患，因此需在建桥前完成相关河道治理工程。本文利用数值模拟技术对拟建桃江资江二桥桥区航道通航水流条件展开研究，模拟航道整治工程实施后的整治效果，为桥区航道建设提供参考。

1 桥梁建设方案概述

拟建桃江资江二桥横跨益阳桃江县资水尾闾航道，支流桃花江由桥址下游2 km处汇入，桥址下距已建资江一桥约3.1 km(见图1)。桥梁总长1090 m，其中主桥长464 m，由52 m+4×90 m+

52 m变截面连续箱梁构成。根据桥型布置、通航孔净空尺度、河段深槽位置及与上、下游航线的衔接，宜采用双孔单向通航，由左岸第2、第3孔作为上、下行孔。单孔通航净宽80.5 m，净高12 m(10 a一遇洪水)。

图1 工程河段河势图

2 桥区通航条件概况

2.1 河势特征

工程河段具有典型弯曲河道特性，弯曲半径约200 m，枯水河宽约400 m，平均比降约为0.13‰，实测流速0.6～1.7 m/s(相应流量792.7 m3/s)。河床面因多年无序采砂而起伏不平，枯期大量采砂尾堆出露，水面缩窄，水深较浅，水流绕流明显，流态较为紊乱。桥址上游河段主泓基本位于河槽中心，且较为顺直平滑；桥址下游紧邻弯道，受弯道环流及桃花江出流顶托影响，主泓由凹岸逐渐摆向凸岸，并与下游顺直河段相衔接。设计水位下1.6 m水深线在桥址上游基本贯通，但河段浅堆密布，深槽最窄处仅20余m；桥址下游河段深槽并未贯通，相隔成独立的几段，但该河段河床较为平整，地形起伏变化不大。总体看来，深槽段河道一般较窄，主泓略有摆动，河床基本稳定；浅堆段河道较宽浅，主泓发生一定摆动，洪、枯水动力轴线有差别，河床略有冲淤变化，但浅堆只在枯水期出浅，出浅位置比较固定，无移位、增减现象。

2.2 桥区通航条件

资水为湖南省重要通航河流，经多年治理，目前干流桃江以上至邵阳414 km为Ⅵ级航道，桃江—益阳26 km为Ⅳ级航道，益阳—芦林潭90 km为Ⅲ级航道。根据相关规划，资水航道邵阳—桃江414 km规划为Ⅳ级航道；桃江—芦林潭116 km规划为Ⅲ级及以上航道。本工程属资水桃江上游航段，现状等级为Ⅵ级，规划等级为Ⅳ级。

受无序采砂的影响，近年资水尾闾益阳—桃江河段水位骤降[4]，尤以桃江站为甚，年平均水位较历史值下降达1.74 m。因水位大幅降低，且天然河床形态受采砂破坏，尾堆林立，桥区段航道通航条件恶化，又因桥梁的建设需调整现有航线，为改善桥区通航条件，需采取必要的航道整治措施。因工程段河床质以礁石为主，建桥后再实施炸礁等措施会对桥梁带来不利影响，必须在建桥前完成相关工程。这就需要模拟桥梁的建设及桥区航道的整治，分析工程前、后河段水流条件的变化情况，预测工程整治效果，提出合理的建设方案。

3 数学模型的建立与验证

天然河道边界曲折、地形多样，水流特性复杂。为了能够便捷、准确地反映工程前、后河段水力学环境的变化情况，数值计算方法被越来越多地应用于模拟复杂河段的水流运动形态。该方法是通过在一定的定解条件下，求解水流二维控制方程来实现。

3.1 水流控制方程及流场定解条件

3.1.1水流控制方程

3.1.2流场定解条件

1) 边界条件。

进口边界条件：进口开边界采用上游来流过程Q(t)=Qin(t)，Qin为开边界上流量。

出口边界条件：采用下游水位。

陆地边界：在不考虑渗透的情况下，可以认为陆地边界上法向速度为0；根据水流无滑动原理，水体在陆地边界上的切向流速也应为0。

2) 初始条件。

3.2 模型的计算范围和网格划分

模型计算范围起自拟建桥位上游1.7 km，止于桥址下游的资江一桥，全长约4.7 km。计算区域曲线网格据椭圆型微分方程生成，网格总数共55 850个，平均网格大小约10 m。计算河段河势及曲线网格如图2所示。

图2 工程河段河势图及计算网格划分

3.3 模型率定与验证

本文采用2013年6月实测水文资料对模型进行率定、验证，验证流量为792.7 m3/s，相应出口水位为33.143 m，验证结果见图3～图5。由图可见，模型计算结果对应的水面线、流速等特征值和实测资料结果吻合较好，水位计算误差一般在±0.05 m以内，表明模型计算参数选择合理，能够反映桥区的水流状态。

图3 水面线验证

图4 流速验证

图5 桥区河段水流流态实测与模拟情况对比

4 桥区航道整治工程及效果

4.1 桥区航道整治方案

图6为枯水期桥区河段水流条件模拟结果，可以看出,枯水期河段水面狭窄，浅堆出露，绕流、回流明显，水流流态紊乱，通航条件较差。为满足现阶段通航要求，不制约航道等级的提升，本次航道整治按规划Ⅳ级航道通航标准布置方案，航道尺度为1.6 m×50 m×330 m(水深×航宽×最小弯曲半径)，采用双孔单向通航。为改善桥区航道水流流态，需将桥址上、下游挑流凸嘴切除，以归顺水流(见图7)。

图6 桥区河段枯水期水流条件(现状)

4.2 工程前、后桥区航道条件变化情况

整治工程实施后将引起桥区河段水流条件相应调整，同时，桥梁工程的建设也将对河段水流产生一定程度的影响。本文就洪、中、枯3种不同水文条件，分析工程前、后水流条件的变化，了解工程对桥区航道通航条件的改善情况,见表1。

4.2.1工程前、后水流条件变化情况

通过疏挖河道、切除挑流凸咀等措施，形成了稳定的航槽，尤以枯水期效果最为明显，工程前、后流速模拟情况见图8～图10。由图可知，工程前因浅堆出露导致水流不畅的河段，经疏挖后形成连续贯通的深水航槽，航槽内流量、水深增加，浅滩绕流及因绕流产生的急流、横流得到有效改善。

表1 模拟工况表工况水位/m相应流量/(m3·s-1)备注枯水期29.791.17设计最低通航水位(95%保证率,4 a重现期)洪水期37.85 535设计最高通航水位(10 a一遇洪水)中水期32.7598多年平均水位

为进一步了解工程前、后水流条件变化情况，分别截取桥梁中轴线及其上、下游各80 m断面来分析(见表2)。从各采样点所得数据来看，工程后水流归槽，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、洪水时这一影响不是很明显，工程前、后流速有增有减，总体变化幅度不大。

图7 桥区航道整治方案

a) 工程前

b) 工程后

受浅堆绕流及凸咀挑流的影响，工程前，桥区河段流态紊乱，水流流向与桥轴线法线方向交角较大，枯水时最大交角达34°，且不同流量下水流动力轴线摆动较大；工程后，桥区水流平顺，与桥轴线基本正交，交角控制在5°以内，航行条件得到了极大改善。从工程前、后各采样点流向变化情况来看，桥墩的修建对河道水流影响较小，仅体现在近桥墩附近，河段水流主要受航道整治的影响。

a) 工程前

b) 工程后

a) 工程前

b) 工程后

4.2.2工程前、后水位变化情况

河道的疏挖整治，增加了过流断面面积，改变了原有边界条件，最直接的影响就是工程后河道水面线的调整，沿程水位下降(见表3)。由表3可知，这一影响自挖槽最下游端向上游逐渐明显，且水位降落主要体现在桥轴线上游段，最大降落范围为7.4～7.8 cm，发生于挖槽最上游断面，此后挖槽对水位的影响逐渐减弱。相较于中、枯水期，洪水时，因疏挖增加的过水面积对于河段原有面积改变较小，工程对水位的影响并不明显，最大降落值约为2.8 cm。

表2工程前、后流速及流向变化表测点枯水中水洪水流速/(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桥轴线上游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桥梁中轴线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桥轴线下游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与桥轴线法线方向呈顺时针角度,负值表示呈逆时针角度。

表3 工程后沿程水位变化值断面位置水位变化值/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 桥轴线上游600 m-6.1-5.2-2.2 400 m-6.1-5.7-1.5 200 m-4.7-4.4-1.4 桥梁中轴线-4.7-7.3-0.96200 m-3.5-0.1-0.3 400 m-2.8-1.0-0.1 桥轴线下游600 m-1.0-0.5-0.09800 m-0.5-0.3 0 1 000 m-0.1-0.1 0 注:表中数值为工程后水位-工程前水位。

5 结语

桥梁工程作为跨越航道最为常见构筑物，其选址、布置往往影响所在航道通航条件，甚至制约航道的发展,应加强对桥区航道通航条件的研究。本文结合工程实例研究结果如下：

1) 本工程桥位上游河道较顺直，下游为弯曲段，且因多年肆意采挖，桥区河段河床凹凸不平，枯水航槽弯曲狭窄，浅滩林立，水深较浅，流态不良，水流流向与桥轴线法线方向交角较大，通航条件较差，并非理想的建桥地点。为解决桥梁与通航矛盾，需对桥区航道实施必要的疏挖治理。

2) 因桥区河床质多为礁石，若建桥后再进行航道治理，对桥梁安全会造成极大的影响，因此需在桥梁建设前完成相关工程。工程段航道现状等级为Ⅵ级，远期规划为Ⅳ级。为适应航道远期发展，本次航道疏挖治理工程宜按Ⅳ级航道标准开展。同时，航道设计水位需充分考虑因下游采砂造成水位降落的影响。

3) 由数值模拟计算成果可知，桥区航段经疏挖治理后，水流归槽，水深增加，水流流向与桥轴线法线方向的交角减小，通航条件得到极大改善。