鸚鵡洲大橋對航道整治工程的影響及解決措施

陳 述 ，陳 立 ，胡 勇 ，劉 金

（1.武漢大學，武漢 430072；2.中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢 430056）

鸚鵡洲大橋對航道整治工程的影響及解決措施

陳 述1，2，陳 立1，胡 勇2，劉 金1

（1.武漢大學，武漢 430072；2.中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢 430056）

為研究解決鸚鵡洲大橋對航道整治工程的影響問題，通過整體模型與局部模型試驗相結合的手段，對建橋前后橋區河段局部河床沖淤變化情況、局部防護范圍及防護措施效果進行了研究。試驗結果證明，橋墩局部沖刷會對航道整治工程的穩定性產生影響，因此必須研究并采取防護措施。通過防護方案的實施，大橋建設不會對航道整治工程效果造成明顯不利影響。

局部沖刷；防護；模型試驗；航道整治

Biography：CHEN Shu（1983-），male，engineer．

鸚鵡洲大橋位于武橋水道河段，該水道上起漢陽楊泗廟，下至武漢長江大橋，全長約5 km。該橋位于武漢長江大橋上游約2 km（圖1）。武橋水道為長江中游重點礙航水道，是長江航道發展規劃中重點治理水道。交通運輸部委托相關單位對改善武橋水道枯水期通航條件進行了研究，經研究提出在潛洲上實施長順壩結合魚骨壩的整治方案。2006年交通運輸部對該工程進行了工可批復，目前整治工程尚未實施［1-3］。為解決鸚鵡洲大橋對航道整治工程的影響問題，進行了物理模型試驗研究。結果表明在一系列工程措施的實施前提下，鸚鵡洲大橋與武漢長江大橋之間及上、下游通航環境能夠滿足各方面要求。

圖1 武橋水道河勢圖Fig.1 River regime of Wuqiao waterway

1 航道整治工程概況

武橋水道枯水期礙航與漢陽邊灘的發育程度直接相關。漢陽邊灘與潛洲左、右相鄰，互為消長，特別在汛后水流出白沙洲左汊后，穿過潛洲上半部，在其下部和漢陽邊灘頭部開始向右岸武昌深槽過渡。當潛洲完整高大時，漢陽邊灘窄長；反之，漢陽邊灘寬大。潛洲與漢陽邊灘形態相對應的狀態，是洲灘互為消長的結果。水流自潛洲下部起由左岸向右岸過渡，其尾部位置對漢陽邊灘的發展有一定的制約作用，潛洲尾部上提，由左岸向右岸過渡的斜向水流隨之上提，就使得漢陽邊灘更向江中突出。在漢陽邊灘淤積較嚴重時，橋區上段航槽偏離武漢長江大橋設計通航孔，由此造成航槽過于彎曲，危及通航和橋墩安全。

為解決上述礙航問題，經研究提出在潛洲上實施長順壩結合魚骨壩的整治方案。即沿潛洲脊線布置一道長順壩，并在其左側布置5道魚骨壩（圖2）。該方案目的是通過維持較完整的潛洲，遏制漢陽邊灘的淤長、淤寬，使航道穩定于武漢長江大橋通航孔區域，保持左主汊通航［3］。

2 鸚鵡洲大橋工程概況

鸚鵡洲大橋是主跨為（200 m+2×850 m+200 m）的三塔四跨懸索橋。兩側邊塔墩均靠岸布置，中塔墩（2號橋墩）布置在潛洲尾段，位于航道整治工程的長順壩上（圖2）。

圖2 擬建鸚鵡洲大橋與航道整治工程關系示意圖Fig.2 Relationship between Yingwuzhou bridge and waterway regulation projects

中塔（2號墩）為鋼混疊合塔，疊合面在橋面、下橫梁以下。基礎采用低樁分離式承臺，承臺頂標高+7.5 m，下設封底混凝土，基礎按照嵌巖樁設計。一個塔柱下采用20根Φ2.5鉆孔灌注樁，對應承臺平面尺寸為32.2 m×25.2 m。

為研究解決鸚鵡洲大橋對武橋水道航道整治工程的影響問題，進行了整體變態和局部正態物理模型試驗研究。

3 整體動床模型試驗

采用整體動床模型試驗的方法，研究鸚鵡洲大橋附近河段的河床、洲灘的穩定性和沖淤變化規律，以及橋墩附近沖刷對航道整治工程效果的影響等。

3.1 模型設計及驗證

整體模型范圍上起蛤蟆磯，下迄武漢長江二橋，全長約21 km（圖3）。

圖3 武橋水道整體模型示意圖Fig.3 Model of Wuqiao waterway

模型選用重率為1.05 t/m3的塑料沙作為模型沙，該模型沙可以滿足起動相似。考慮到橋址河段的泥沙運動以懸移質為主，影響河床沖淤變化的主要是懸移質中的床沙質部分，故將沙質推移質放在床沙質中一并考慮。根據模型試驗相關規程要求，擬定模型比尺（表1）。

表1 模型比尺參數表Tab.1 Parameters of model scale

為檢驗動床模型的相似性，采用實測資料進行了水面線、斷面流速分布及河床沖淤變化的驗證。結果表明，模型設計符合相關規程規定。

3.2 試驗條件

（1）典型年。考慮三峽工程影響，典型年應盡量選取三峽蓄水以后的洪、中、枯水期代表性年份。本次選取的典型水文年分別為1998年、2003年和2006年。

（2）系列年。考慮三峽工程影響，武漢河段的來水來沙條件與建庫前相比已經發生了較大變化，系列年采用 2003、2004、2006、1993～1999 的來水來沙過程。

3.3 試驗結果分析

（1）典型年。建橋前后的工程局部沖刷深度見表2。

表2 各典型年不同工況下局部沖刷深度統計表Tab.2 Depth of local scouring in typical years m

由表2可知：大、中、小水年建橋前后等局部沖深變化規律基本一致；大水年沖刷深度較大，且建橋后沖刷深度多大于建橋前；建橋后由于橋墩的擾流作用，造成順壩尾部左側以及4#、5#魚骨壩附近局部沖刷深度的增加。

（2）系列年。武橋水道枯水期礙航與漢陽邊灘的發育程度直接相關。通過試驗得出，雖然建橋后潛洲尾部沖刷蝕退，但由于長順壩尾的保護作用，有效阻止了潛洲尾部沖刷的進一步發展，因此建橋前后漢陽邊灘寬度變化幅度不大，均不致礙航。

3.4 實施沖刷防護的必要性

研究結果表明：如果鸚鵡洲大橋后于航道整治工程實施，大橋不會影響漢陽邊灘處的水流動力條件，對航道整治工程的整治效果影響較小。但由于橋墩的繞流作用，橋墩周圍發生了局部沖刷，大水年和中水年4#、5#刺壩附近的局部沖刷較大，可能會影響到航道整治工程的穩定性；如果大橋先于航道整治工程實施，會使得潛洲尾左緣以及尾段發生明顯沖刷，屆時會增加擬建航道整治工程的工程量。

圖4 橋墩局部沖刷坑形態示意圖Fig.4 Sketch of local scour hole

4 局部沖刷模型試驗

通過整體模型試驗研究，無論大橋建設是否先于航道整治工程實施，都必須采取防護措施，控制橋墩周圍的局部沖刷。經研究決定采用局部正態模型試驗，對2號墩局部沖刷范圍進行研究。

4.1 模型設計及試驗條件

局部正態模型試驗預測局部沖刷坑深度是常用且有效的研究方法，但受模型試驗設備的限制，模型存在著比尺選擇和選沙的困難。本次研究采用系列模型延伸方法［4-6］，擬定的幾何比尺為 80、120、160 和 200。試驗中選取 73 700 m3/s（20 a一遇）、77 700 m3/s（100 a一遇）和 83 700 m3/s（300 a一遇）的流量作為水流條件。

4.2 局部試驗結果分析

（1）沖刷坑形態。

分析不同流量條件下系列模型試驗結果，2號墩沖刷坑形態基本相同（圖3），并具有以下特點：沖刷坑平面形狀橫向呈馬蹄形，縱向呈前深后淺的勺狀形態；中前部及兩側泥沙在水流作用下運動至墩后流速減小區內落淤；墩后樁群掩護區內出現淤積沙梗，沿程逐漸變緩，直至與河床齊平；沖刷最深點位于橋墩頭部。

（2）沖刷坑深度及范圍。

根據試驗成果，采用沖刷深度（沖刷深度記為負值）反映橋墩局部沖刷的影響范圍。由表3可知，局部沖刷坑的范圍和深度均隨流量的增加而增大。

表3 2號墩不同深度沖刷坑范圍統計表Tab.3 Size of scour hole in different depth

5 局部沖刷防護試驗

基于整體動床和系列模型試驗研究成果，采用局部正態模型試驗，進一步對2號墩局部沖刷防護措施進行研究。

5.1 試驗方案

根據系列模型試驗成果，確定橋墩防護范圍為193 m×147 m。

2號墩基礎沖刷防護采用護底抗沖措施，平面布置根據各部分所處位置和功能作用，將整個防護區域分為核心區、永久防護區和護坦區3個部分。其中，核心區為局部沖刷范圍的中心區域，也是防護重點區域。范圍為承臺周邊區域10 m，防護結構為軟體排與150 cm厚拋石；永久防護區為核心區外圍，防護結構為軟體排；護坦區設置在永久防護區外圍，為能適應河床變形，保護永久防護區的外圍防護區，防護結構為軟體排與120 cm厚拋石（圖5）。

5.2 試驗結果分析

橋墩在實施局部防護后，在防護范圍以外發生了普遍沖刷，防護區域內基本沒有發生變化，而且防護范圍與未防護范圍相接處未出現明顯的局部沖刷。試驗結果表明防護方案有效且穩定性可靠。

圖5 局部沖刷防護方案布置示意圖Fig.5 Project of protection engineering

6 結論

（1）整體動床模型試驗結果表明，鸚鵡洲長江大橋的建設會對武橋水道航道整治工程產生影響，因此必須對局部區域采取防護措施，控制橋墩周圍的局部沖刷，以確保大橋及航道整治工程的順利實施。

（2）系列模型結果表明，各種試驗條件下，沖刷坑形態相似性較好，沖刷坑平面形狀橫向呈馬蹄形，縱向呈前深后淺的勺狀形態，沖刷最深點發生在墩前。綜合考慮，最終確定橋墩防護范圍為193 m×147 m。防護工程包括核心區、永久防護區和護坦區3個部分。

（3）局部沖刷防護試驗結果表明，橋墩在實施局部防護后，防護區域內基本沒有發生變化，即防護方案是有效的，工程穩定性是可靠的。

（4）通過局部沖刷防護工程的實施，鸚鵡洲大橋建設后對航道整治工程效果基本無不利影響。加之本橋采用主跨2×850 m的大跨度橋型方案，左側主孔能夠跨越左主汊通航水域，右側主孔跨越了潛洲右汊，在防護工程相繼實施的前提下，通過對橋區河段整體配標、聯合進行航道維護及安全監督管理，認為本橋與武漢長江大橋之間及上、下游通航環境能夠滿足各方面要求。

［1］夏薇，毛北平，王馳.武漢鸚鵡洲長江大橋工程河道演變分析［R］.武漢：長江水利委員會水文局，2009.

［2］王志軍，李文全，肖慶華.武漢鸚鵡洲長江大橋通航凈空尺度和技術要求論證研究報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2009.

［3］陳建.長江中游武橋水道礙航成因分析及治理方案設想［J］.中國港灣建設，2005（4）：13-16.

CHEN J.Analysis of Causes for Navigation-Obstruction in Wuqiao Waterway in Middle Reach of Changjiang River and Proposal of Schemes for Regulation and Control［J］.China Harbour Engineering，2005（4）：13-16.

［4］李文全，王志軍，鄧曉麗，等.武漢鸚鵡洲長江大橋通航凈寬研究［J］.水運工程，2010（5）：116-120.

LI W Q，WANG Z J，DENG X L，et al.Navigation conditions of Parrot Chau Yangtze River bridge［J］.Port&Waterway Engineering，2010（5）：116-120.

［5］陳立，孫亮，吳娛，等.武橋水道水動力特性與潛洲演變研究［J］.水運工程，2008（6）：102-107.

CHEN L，SUN L，WU Y，et al.On Hydrodynamic Characteristics of Wuqiao Waterway and Qianzhou Shoal Evolution［J］.Port&Waterway Engineering，2008（6）：102-107.

［6］李昌華，金德春.河工模型試驗［M］.北京：人民交通出版社，1981.

［7］張瑞謹.河流動力學［M］.北京：中國工業出版社，1961.

［8］謝鑒衡.河流模擬［M］.北京：水利電力出版社，1990.

Influence of Yingwuzhou bridge on waterway regulation projects and solving measures

CHEN Shu1，2，CHEN Li1，HU Yong2，LIU Jin1
（1.Wuhan University，Wuhan430072，China；2.China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance&Design Institute Co.Ltd.，Wuhan430056，China）

In order to investigate the relationship between the Yingwuzhou bridge and waterway regulation projects，the variation of erosion and deposition of the riverbed，the range of local scour hole and the result of protection schemes were analyzed by the combination of the fixed bed and movable-bed model tests in this paper.The result shows that the local scouring around pier will affect the stability of waterway regulation projects.So it is necessary to take some protection projects.Through the implementation of the protection projects，the construction of the bridge will have no adverse effect on waterway regulation works.

local scouring；protection；model test；waterway regulation

U 617；O 411.3

A

1005-8443（2011）06-0413-05

2010-09-30；

2010-12-13

陳述（1983-），男，江西省人，工程師，主要從事橋渡水文設計研究。