嘉陵江大桥桥区河段通航水流条件试验研究

徐启航，田 进

（重庆交通大学，重庆 400074）

嘉陵江大桥桥区河段通航水流条件试验研究

徐启航，田 进

（重庆交通大学，重庆 400074）

以重庆市蔡家嘉陵江大桥桥区河段物理模型试验为基础，分析了桥区河段的河床演变，同时研究了桥梁间距、桥跨布置及主墩型式对桥区通航水流条件的影响。结果表明：从通航角度而言，桥梁通航孔跨度越大对通航安全影响越小，但桥跨过大则经济性差，结构不安全，接线要求更高。在综合考虑模型试验、桥梁结构要求和两岸接线等因素的前提下，尽量加大桥梁跨度，保障桥区通航安全。

桥区河段；通航条件；模型试验

1 河道概况

拟建蔡家嘉陵江大桥位于北碚区蔡家镇和渝北区礼嘉镇交界处（如图1），下距嘉陵江河口32.7km。桥区河段平面呈“S”型。桥位上游2.5km为利滩，为枯水浅窄航道，右岸为一大碛坝——锅肚碛，高程167.5m，枯水期露出水面，中水期淹没，航道左侧从上游至下游分布有大石盘、鸡翅膀、门槛石、扁担石、簸箕石、卧狗堆和斗篷石等大片礁石、岩盘，右岸锅肚碛碛脑突入江中较多，造成该河段枯水航道窄、浅、弯、急，航行水流条件恶劣。桥位下游1.4km为徐家滩，为石质枯水浅滩，该滩上游江面开阔，左岸为卵石碛坝，高程169m，中水以上为陡岩，右岸分布有大片礁石、石盘，水流条件较差，马鞍石大桥通过该滩，行马石位于河道中间，将航道分为两槽，礁石间有暗礁分布，航道弯曲狭窄。

拟建桥位河段平面呈90°弯道，弯曲半径1.5km，拟建大桥位于弯道顶点附近，桥位附近河道弯曲。枯水期，桥区河段两岸岸线参差不齐，河道宽窄相间，河宽150～350m，洪水期，桥区河段河宽增至500～600m，岸线较为规则，河宽变化不大。目前，桥区河段两岸均为自然河岸，河床组成主要为卵石或卵石夹沙，部分河段有基岩出露，河床组成较粗，河道的抗冲性强。

图1 重庆蔡家大桥河段河势

2 河床演变分析

三峡水库正常蓄水后水库按175m方案运行时，嘉陵江回水至北碚麻柳坪，工程河段处于水库变动回水区，枯季为水库特性，汛期为天然河道，该河段具有水库和天然河道的双重特性。三峡成库后对河段冲淤改变较小，枯水期水流流速较天然情况有所降低，水流挟沙能力减弱，增加一定淤积；但汛期河段与天然情况基本一致，水流较大，枯水期淤积的泥沙大部分都被带走，与天然情况的洪冲枯淤规律基本一致。

由于嘉陵江干流和支流近期修建了众多水库和航电枢纽拦沙，以及实施水土保持措施和沿江人工挖沙等原因，近期嘉陵江来沙明显减少，20世纪90年代来沙量较60年代减少近80%。据三峡泥沙最新研究成果，由于近期嘉陵江来沙减少，三峡水库变动回水区嘉陵江段的泥沙淤积大量减小，淤积速率也明显减缓。随着嘉陵江的全线渠化，来沙量将进一步减少。可以预计，工程河段的泥沙淤积将更少。

井口枢纽工程（规划，尚未开建）位于重庆市北碚区，是嘉陵江干流梯级开发的最后一级，井口枢纽建成后，拟建大桥位于井口库区，距坝址10.7km，库区正常蓄水位180.5m，死水位179.5m，桥区河段属于常年回水区，水位常年179.5m以上，河面宽度大于400m，河段水流条件较成库前有较大改善，水流平顺，流速减缓，水流的挟沙能力也随之减弱，河段将在一定时期内呈累积性淤积趋势，直至达到新的冲淤平衡。井口枢纽对工程河段的冲淤影响主要表现为呈一定的累积性淤积趋势，但随着嘉陵江上游梯级渠化的增加，上游来砂量将逐渐减少。总体说来，工程河段河床无明显演变趋势，河势、河床将继续保持长期稳定。

3 模型设计与验证

3.1 模型设计

桥区河段洪、枯主流有所摆动，为更好地模拟桥位附近的通航水流条件，上下游要有足够长度的过渡段，以便桥区附近水流条件与原型水流条件相似，特别是桥位附近弯道水流条件的相似。

根据嘉陵江蔡家河段水沙运动特性、河床冲淤规律、试验目标及本所场地、设施等具体情况，确定大桥模型为平面比尺1∶100的正态模型。模型按重力相似准则进行设计，模型比尺。

3.2 模型验证

模型瞬时水面线验证主要是为了检验模型糙率（即阻力）的相似程度，水面线验证资料采用长江委上游局实测的Q=1820和23300m3/s枯、洪两级流量的瞬时水面线。试验结果表明，枯水Q=1820m3/s时，模型实测水位与原型实测水位差为-0.03～0.04m，洪水Q=23300m3/s时，模型实测水位与原型实测水位差-0.03～0.06m。由此可见，模型各验证水尺水位与原型水位基本一致，达到了模型与原型水面线相似的要求。

根据实测的3级流量下桥区河段表流流速流向资料，模型对此进行了验证，验证试验结果表明，模型流速分布规律和大小与原型基本一致，水流流向与原型较为吻合。模型瞬时水面线、表面流速分布、流态等与原型的相似性较好，满足交通部JTJ/T 232—98《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》要求，能较好地复演桥区河段水流条件。

4 建桥对通航水流条件的影响

拟建蔡家大桥上游的蔡家轨道大桥和马鞍石大桥通航孔主跨均为250m，考虑到拟建大桥地处弯道，桥轴线上游三倍船队长度范围内的水流横向流速大于0.8m/s，根据GBJ50139—2000《内河通航标准》的规定，大桥主通航孔应一孔跨过通航水域。考虑河型河势、现状维护宽度、船舶航迹范围、航道发展需求等方面的因素，桥区河段通航水域宽度260m。据此，提出了主跨300m双塔斜拉桥桥型方案，水中桥墩4个，分别为两岸主墩和右岸两个辅墩，桥型方案平面布置图和立面图分别如图1和图2。

图1 桥墩平面布置

图2 桥型立面设计

4.1 水位变化

建桥前后桥区河段水位变如表1，拟建大桥按设计方案建设对桥区河段水位比化降影响较小。

表1 建桥对水位的影响

4.2 流速变化

从表2可以看出，流速变化的主要规律是主槽内流速有所增加，而受桥墩掩蔽影响的区域流速减缓；建桥后，左岸上水航线上的流速变化不大，流速增加值一般小于0.1m/s，而洪水期受桥墩掩蔽影响则有所减小，流速变幅增大。

表2 建桥对流速的影响 单位：m/s

4.3 失控船舶漂流试验

国内外大量的船舶撞击桥梁实例表明，出现船舶撞击桥梁的船舶一般是在下水航行或者失控漂流情况下发生的，由于下行船舶和漂流船舶借助水力，航速快，撞击桥墩后对桥梁安全影响极大，因此本次模型试验仅进行失控船舶下行漂流试验。试验分别进行了Q=15000m3/s和Q=23600m3/s两个流量级的船舶停机自漂试验。拟建大桥各桥墩撞击情况如表3。

两级试验流量下失控船舶撞击桥墩的试验结果发现：

（1）左主墩及右岸14#边墩位于洪水岸边，基本无船撞风险。右岸边墩的船撞概率较低。当船舶施放点位于蔡家轨道桥通航孔靠近右主墩对应的上下游水域时，大桥右主墩被撞击的概率大。

表3 失控船舶自漂撞击拟建大桥各桥墩情况统计

（2）失控船舶漂流过程中呈现随机性，受风、流相互影响较大，出现船舶撞击桥墩的工况，一般情况下在桥位上游水域船身与水流流向夹角较大，船舶漂流航迹带明显变宽，造成船舶撞击桥墩，以船身撞击桥墩的情形居多。

5 各方案试验

5.1 桥墩布置方案比选试验

5.1.1 设计方案

主跨300m的模型试验表明，虽然通航孔基本包络了桥区全年的航迹线范围，但右主墩靠近主航槽，产生的绕流作用对主航道通航水流条件影响较大，影响程度随流量增加而增加。可见设计方案的桥墩布置方案对桥区通航安全影响较大，且自身船撞风险也较大。

5.1.2 修改方案

5.1.2.1 修改方案1

主跨增加20m至320m，即将右主墩右移20m，其余桥墩位置不变。

5.1.2.2 修改方案2

主跨增加40m至340m，将右主墩右移40m，其余桥墩位置不变。

5.1.2.3 修改方案3

主跨增加60m至360m，将右主墩右移46m，其余桥墩位置不变。

5.1.3 方案比选

3个修改方案桥墩对水流条件的影响范围是基本一致，都不影响主航道的流态、流速及船舶正常航行，跨度越大，对主航道的影响越小。另外，根据船舶停机漂流试验结果，左岸主墩被船舶撞击的概率极小，右岸主墩船撞风险概率最大。由于修改方案1和修改方案2的右主墩位置处于上游蔡家轨道桥通航孔右岸主墩的掩蔽区范围，所以4个试验方案当中，设计方案和修改方案3的右岸主墩船撞风险要大于修改方案1和修改方案2。因此，从船舶撞击风险方面，修改方案1和修改方案2优于设计方案和修改方案3。

5.2 主墩型式比选试验

本研究还对主墩型式进行了比选试验，比较了方形桥墩、圆端矩形桥墩和尖头形桥墩对水流流态的影响，各主墩型式如图3。

图3 主墩型式比较

各桥墩绕流区范围及延续距离比较如表4。其结果表明，方形桥墩墩前导流较差，上游壅水最为明显，绕流宽度最大，掩蔽区范围向下游逐渐扩大；尖头形桥墩导流效果较好，上游壅水最小，绕流宽度明显小于方形墩，掩蔽区范围明显缩短；圆端型矩形墩导流性较好，墩前壅水介于方形墩与尖头形之间，掩蔽区范围明显缩短。因此，建议在下阶段桥型方案设计中进一步优化桥墩尺寸和形状，尽量缩小墩径，考虑采用圆端形桥墩，既减小桥墩的阻水挑流作用、增强导流性，也可有效减小桥墩周围的局部冲刷。

表4 桥墩绕流区范围及延续距离比较 单位：m

6 结语

（1）桥梁通航孔跨度越大对通航安全影响越小，但桥跨过大则经济性差，结构不安全，接线要求更高。在综合考虑模型试验及船模试验结果、桥梁结构要求和两岸接线等因素的前提下，尽量加大桥梁跨度，保障桥区通航安全。

（2）修改方案1主跨320m，左主墩位于洪水岸边，右主墩位于右岸石盘上，跨过低水河床，主通航孔一孔跨过通航水域，对通航期主航道内通航水流条件影响较小，不会产生碍航流态，且自身船撞风险低，因此，推荐修改方案1跨度及墩位布置作为大桥的桥跨布置方案。

（3）鉴于修改方案1的两岸主墩及右岸边墩涉水，且存在一定的船撞风险，建议在下阶段桥型方案设计中同步考虑桥墩防撞设计，采用既满足大桥桥墩防撞强度要求又能够减小撞击船舶损伤的柔性设施，并考虑优化桥墩尺寸和形状，尽量缩小墩径，考虑桥位处于弯道顶点附近，各水位期水流流向有差异，推荐采用圆端矩形桥墩，增强导流性，减小桥墩的阻水挑流作用，进一步减缓桥墩对航道水流条件的影响。

［1］重庆西科水运工程咨询中心.重庆市蔡家嘉陵江大桥桥区河段物理模型试验研究报告［R］.2015.

［2］杨斌，陈明栋，杨胜发.临河、跨河建筑物对航道条件影响分析［J］.重庆建筑大学学报，2001，23（5）：67-70.

［3］杨斌，陈明栋.山区通航河流中桥梁选址和设计应注意的问题及通航影响评价［J］.中国港湾建设，2007（2）：39-41.

［4］林巧.重庆菜园坝桥群河段桥梁间距与通航条件研究［D］.重庆：重庆交通大学，2010.

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［6］王多银，陈明栋.长江上跨江建筑物的布设原则探讨水运工程［J］.水运工程， 2001（4）：4-6.

（责任编辑：姜彤宇）

Testal study on navigable flow condition in river section of Caijia Jialing River Bridge

XU Qi-hang，TIAN Jin
（Chongqing Jiaotong University ，Chongqing 400074，China）

Based on the physical model test of the river section of Caijia Jialing River Bridge in Chongqing， this paper analyzes the river bed evolution in the river reach， and studies the bridge spacing， bridge span arrangement and the influences of main pier type to the navigable flow condition.The results show that the larger the navigable span of the bridge， the smaller the impact on the navigable safety， but the bridge is poor economy and the structure is unsafe and the wiring requirements are higher.Under the premise of the comprehensive consideration of the model test，bridge structure requirements and cross-strait wiring and other factors，as much as possible to increase the bridge span to protect the bridge navigation safety.

bridge area； navigation condition； model test

TV131.6

A

1672-9900（2017）03-0087-04

2017-03-02

徐启航（1991-），男（汉族），广西桂林人，硕士，主要从事航道整治方向研究，（Tel）17355253212。