彎曲分汊河段橋區通航水流條件及通航孔調整凈寬分析*

胡寶瑤，江 濤，鄧 涯，馬愛興，胡 穎

(1.江西省港口集團有限公司，江西 南昌 330008；2.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；3.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；4.南京水利科學研究院，港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

我國部分通航河流上的老舊橋梁在建設初期并未進行充分的航道通航安全影響評價論證，尤其是在彎道、分汊等河勢與通航環境復雜河段。隨著社會經濟的不斷發展，沿線航道等級逐漸提升，通航船舶日益大型化，此類橋梁往往成為關鍵的制約性節點和海事風險的高發區域。因此，復雜通航環境下老舊橋梁通航安全的改善一直是水運工程領域的關注熱點之一。

在彎道河段，河道主流受離心力的影響，存在橫向環流、二次流等復雜水流特性，尤其在連續性彎道或S形彎道，河道主流還存在由上一個彎道凹岸向下一個彎道凹岸偏移的趨勢[1-2]，在中枯水期尤為明顯。因此如此復雜水流環境的彎道河段一般不建議作為跨河橋梁的選址[3-4]。但受限于時代背景或線位走向、區域規劃等因素，在彎道處也有建橋，關于其通航凈寬的論證研究也很豐富，主要落腳于包含紊流[5]、水流與橋軸線法向交角等因素在內的凈寬加寬值[6-8]。

分汊河段由于主流分成兩汊或多汊，在中枯水期水流動力軸線出現較大的偏轉[9-10]，導致水流與橋軸線法向出現較大偏角，航道范圍內易形成橫流，影響通航安全[11]。此外，未建設控制性倒流工程的分汊河段還可能存在周期性的主汊、支汊轉換，也不利于航道條件的穩定。因此，也不是建橋的優良選址。許多學者對分汊河段橋梁凈寬也開展了論證研究，主要集中于加寬值的論證[12-15]。

可見，彎道或分汊河段橋梁受復雜的水流環境，導致橋區航道內水流與橋軸線法向交角較大、橫流明顯，海事風險較高。因此，在橋梁已建的情況下，有必要針對改善橋區通航安全環境的措施進行探討。

以修建于20世紀90年代初、位于彎道分汊河段的贛江豐城公路大橋為例，通過建立14.7 km二維水流數學模型，計算與分析河道水流特性、通航孔內和橋區內通航水流條件，探討調整通航孔對改善橋區通航環境的可行性，為類似彎曲分汊河段老舊橋梁通航環境改善提供借鑒。

1 贛江豐城公路大橋概況

豐城贛江公路大橋位于江西豐城市境內，于1992年11月建成通車，全長1.21 km，設計四孔通航，目前為中間的1#(上行)、2#(下行)兩孔通航，通航孔跨徑70 m、墩寬2.5 m，見圖1。橋址處于贛江高等級航道樟樹—南昌段，航道規劃等級為Ⅲ-(3)級，通航代表船型為1 000噸級。

圖1 橋址附近河勢及水文測驗布置

受歷史發展局限性所制，在橋梁建設時期并未充分開展航道通航影響評價論證工作。橋址處于彎道河段中間，下游水流分汊，受左汊吸流影響，在中洪水時期(5 000～8 000 m3/s)，1#和2#孔內橋軸線法線方向與水流交角較大(>5°)，實際橋跨70 m小于滿足Ⅲ級航道跨河建筑物凈寬要求的橋跨計算值(85 m和97 m)。同時，橋址上游670 m有一礁石(高程10.5～16.2 m)鄰近主航道，在中水時期(3 000 m3/s左右)時隱時現，極易造成船舶觸礁；橋址左側上游150、270 m各有1處豐城電廠的排水口(流量40、44 m3/s)，進一步增加了1#和2#孔橋區附近水流條件的復雜性，導致海事風險偏高，近年來也造成多名船員傷亡和船舶翻沉事故。由于海事高發期主要在中水及中洪水期，而下游龍頭山樞紐為徑流式電站，且未竣工，因此需開展豐城公路大橋通航孔調整相關研究。

2 二維水流數學模型的建立與驗證

2.1 模型的建立

考慮到豐城公路大橋橋區附近S形彎道、下游兩級三汊的河勢特征，以及龍頭山樞紐(上距橋址10.1 km)回水的影響，所建立的二維水流數學模型上起豐城公路大橋上游4.6 km(豐城鐵路橋上游2.9 km)，下至龍頭山樞紐，全長14.7 km，模型范圍見圖2。

根據地形特征對計算域進行網格剖分，縱、橫向網格尺寸分別為20、30 m，豐城公路大橋橋區內網格進行局部加密，縱向和橫向均為5 m，所有涉水橋墩均采用出水邊界處理，網格尺度在0.5～1.0 m。整個計算網格結點約111 605個，單元221 388個。

圖2 二維水流數學模型范圍

河道內糙率是個綜合影響因素，需要考慮河床組成、床面形態以及邊灘上植被覆蓋情況等。根據實測水文資料，研究河段主槽內糙率在0.018～0.022，淺灘或邊灘內的糙率在0.025～0.035，與贛江其他相似河段糙率的選取基本一致。

2.2 模型驗證

采用2016年4月28日贛江實測中洪水期水文資料進行驗證，測量期間上游來流較為平穩，流量為5 200 m3/s，下游豐城水位站實測水位為18.84 m。水文資料包括豐城公路大橋橋區范圍及上下游的沿程5把水尺和4個斷面流速分布，驗證結果見表1和圖3。

表1 沿程水位驗證結果 m

圖3 各測流斷面流速分布驗證

數學模型計算的沿程水位與實測資料基本一致，誤差在±3 cm以內；沿程4條斷面流速分布與實測資料符合較好，斷面流量誤差在±5%以內，均滿足JTS/T 231—2021《水運工程模擬試驗技術規范》[16]要求。

3 橋區通航水流條件分析

龍頭山樞紐徑流調節能力為日調節式，目前尚未竣工，考慮到未來樞紐回水的影響，研究工況分為樞紐運行前的天然狀態和樞紐運行后兩大類，6個特征流量的選取見表2，其中天然狀態下樞紐壩址水位按歷史水位流量關系確定，樞紐運行后按調度方式確定[17]。

表2 研究工況

3.1 河道流場、流速與流線

天然狀態下，豐城公路大橋橋區河段主流流速在0.5～3.0 m/s(最小通航流量388 m3/s至天然最大通流量19 900 m3/s)，其中中枯水期(388～3 640 m3/s)橋區主流流速一般在0.5～1.5 m/s，洪水期(11 100～ 17 600 m3/s)橋區主流流速達2.0～3.0 m/s(圖4)。

圖4 天然狀態不同流量下河道流速分布

橋區河段呈S形彎曲，主流自上游北側凹岸向橋址南側凹岸偏移，受下游兩級三汊河勢影響，中枯水期三汊分流、主流居中，橋軸線法向與水流交角相比上游加大，其中1#、2#孔受北汊吸流影響，交角明顯大于南側的3#、4#孔；隨著流量增加，下游水位漫灘、主流趨直，橋區流線曲率半徑增大、平順，見圖5a)。

下游龍頭山樞紐運行后，橋區位于樞紐回水區段，在中枯水期樞紐高水位運行下中洲、新洲基本淹沒，河道水流流速一般在0.25～0.50 m/s，下游流線也較為平順；在洪水期，樞紐由控泄逐漸過渡為暢泄，橋區水流接近于天然狀態，見圖5b)。

圖5 天然狀態與樞紐運行后橋區流線特征(單位：m3/s)

3.2 通航孔內通航水流條件

根據橋區河道水流特性計算結果，選取橋1#～3#孔中心點，對各流量下通航水流特性(縱、橫向流速和交角)進行分析，結果見圖6。

1)天然狀態下。隨著河道流量增加，孔中心處縱、橫向流速相應地呈增大趨勢，南側3#、4#孔增幅較小。在天然最大通航流量下1#、2#孔縱、橫向流速值分別為2.93、3.02 m/s和0.31、0.19 m/s，而3#、4#孔內縱、橫向流速值分別為2.73、2.53 m/s和0.01、0.08 m/s，3#、4#孔內更小。

1#～4#孔內水流與橋軸線法向交角則表現為隨著流量增加而減小，同樣，南側3#、4#孔減幅較小。設計流量下1#、2#孔內交角分別為17.8°和14.6°，而3#、4#孔內分別為9.4°和4.9°，3#、4#孔內更小；在洪水期，3#、4#孔交角基本在7.5°以下，而1#、2#孔基本在8°以上。

整體而言，4個孔內的縱、橫向流速和交角基本表現為由北向南依次減小的規律，3#、4#孔內通航水流條件優于1#、2#孔。

2)龍頭山樞紐運行后。不同流量下4個通航孔內縱、橫向流速變化趨勢和幅度與天然狀態相比基本相似；孔內交角無明顯增大或減小趨勢，與天然狀態下遞減趨勢不同，基本維持在平均值上下小幅波動變化。

樞紐運行前、后差異主要在于中洪水期受樞紐回水影響，河道流速和流線曲率均有大幅減小，洪水期基本恢復到天然狀態。

圖6 天然狀態與樞紐運行后橋孔內通航水流特性

3.3 橋區范圍內通航水流條件

考慮到橋區河段彎曲、分汊，河勢較為復雜，以南側3#、4#孔為例，進一步對橋區內的通航水流特性進行分析，結果見圖7。

在樞紐運行前后的各流量級下，南側3#、4#孔所在中心線(上游4倍船長、下游2倍船長，代表性船隊尺度為長160.0 m、寬10.8 m、吃水2.0 m)沿程縱向流速先增后減，峰值在橋址上游200 m，分別為2.95和2.63 m/s；橫向流速和交角均表現為兩頭大、中間小的特征，3#、4#孔橫向流速分別小于0.35、0.21 m/s，橋址上游500 m至下游100 m范圍內交角不大于10°；樞紐運行前后差異也主要在中枯水期對橫流和交角的改善上。

4 通航孔調整

根據《豐城贛江公路大橋改善通航條件研究報告》[18]，1#～4#通航孔最小凈高為10.5 m，滿足Ⅲ-(3)級凈高不小于10.0 m的要求，4孔內航道水深在3.5～8.0 m，水深條件良好。因此，對通航孔調整的分析主要是結合航道水流條件分析橋梁的凈寬滿足情況。

在前文通航水流條件計算與分析的基礎上，對相對較優的3#、4#孔通航凈寬按照GB 50139—2014《內河通航標準》附錄C進行計算與分析，橫流引起的凈寬增加值和交角取值跟據橋區通航水流特性計算結果確定(圖7)。

圖7 3#孔天然狀態與樞紐運行后橋區通航水流特性

由于橋區河勢彎曲，橫流和交角均為兩頭大、中間小，因此對原航線進行首尾優化(圖8)。在凈寬增加值計算時，選取橋位上游2倍船長至下游1倍船長范圍內的最大值。天然狀態下，3#和4#孔的橫向流速取值分別為0.15、0.1 m/s，交角為17.2°、15.8°；樞紐運行后，橫流取值與運行前一致，交角為9.3°和11.8°。

圖8 橋區原航路與優化后航線

經計算，天然狀態下3#和4#孔的橋跨要求值分別為68.2和67.5 m，樞紐運行后橋跨要求值分別為64.9和65.8 m，均小于橋梁實際跨度70 m，也遠小于1#、2#孔的要求值(85和97 m)，滿足單向通航凈寬要求。

可見，豐城公路大橋通航孔由北側1#、2#調整為南側3#、4#，通航水流條件明顯改善，凈寬也滿足相關標準要求，可改善橋區的通航環境、降低海事風險。

5 結論

1)建設于S形彎道、多汊復雜河段的老舊橋梁，在中枯水下水流與橋軸線法向交角均較大，通航安全風險較高，在下游樞紐回水作用下將有所改善。

2)各級流量下，彎道凹岸側下接主汊的南側3#、4#孔內的橫流和交角，均明顯小于北側下連左支汊的1#、2#孔，樞紐運行后交角小幅變化。

3)受彎曲河勢影響，橋區范圍內橫流、交角沿程變化均表現為兩頭大、中間小，橋梁凈寬計算時應結合彎道航線布置，合理確定橫流和交角取值。

4)豐城公路大橋通航孔調整為凹岸側3#和4#孔后，橋區通航水流條件明顯改善，凈寬尺度也滿足相關標準要求，說明該調整方案可行。