摘要：為分析新建市郊鐵路璧山至銅梁線小安溪橋航道的通航條件，建立工程河段平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，論證最低通航水位和最高通航水位、通航尺度、橋梁通航影響分析等參數(shù)。論證結(jié)果表明：近年來橋區(qū)河段河床及河勢(shì)基本穩(wěn)定，河演分析表明橋位附近不會(huì)發(fā)生主槽易位、河床轉(zhuǎn)型的狀況，橋區(qū)河段河勢(shì)、河床穩(wěn)定；建橋后流場(chǎng)僅局限在橋位附近較小范圍內(nèi)變化，泥沙淤積和沖刷范圍有限，不存在橋區(qū)河勢(shì)條件改變的水動(dòng)力和河床邊界條件；建橋后橋區(qū)河段河床仍基本保持沖淤平衡狀態(tài)，橋區(qū)河段的平面形態(tài)、深槽位置不會(huì)有較大變化，灘槽格局穩(wěn)定，建橋未對(duì)橋址河段河勢(shì)產(chǎn)生不利影響；設(shè)計(jì)航道最高通航水位為258.53 m，最低通航水位為255.01 m，通航凈高為14.36 m，單孔單向通航凈寬29.50 m，單孔雙向通航凈寬51.00 m，符合規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：通航條件；山區(qū)河流軌道橋；通航凈空尺度；通航水位

中圖分類號(hào)：U239.5;U448.13文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-0032（2023）01-0076-09

引用格式：潘莉.山區(qū)河流軌道橋通航條件的影響分析［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，31（1）：76-84.

PAN Li. Influence analysis of navigation condition of track bridge over mountain river［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2023，31（1）：76-84.

0 引言

在具有通航功能的河道中修建橋梁，建橋后橋梁通常會(huì)影響船舶的航行安全，因此需分析新建橋梁對(duì)航道通航條件的影響^[1-4]。目前，部分學(xué)者重點(diǎn)分析橋區(qū)水流變化對(duì)航道安全的影響：Li等^[5]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論建立橋梁水域附近航行條件的安全評(píng)估模型；Li等^[6]針對(duì)斜橋橋墩的常見型式，采用基于粒子圖像測(cè)速的水槽試驗(yàn)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，研究斜橋區(qū)船橋相互作用過程中遇到的水動(dòng)力問題；陳建等^[7]采用平面二維模型 MIKE21模擬鄭州至濟(jì)南鐵路山東段跨黃河特大橋的最低通航水位和最高通航水位對(duì)附近通航的影響；徐啟航等^[8]通過模型試驗(yàn)獲得影響大橋附近通航水流的條件，包括橋梁間距、橋跨布置及主墩型式等。還有學(xué)者研究認(rèn)為，除水流條件外還需考慮設(shè)計(jì)最高、最低通航水位及通航凈空尺度對(duì)船舶通航安全的影響^[9-14]。許輝^[15]通過實(shí)船試驗(yàn)、通航水力學(xué)及船模試驗(yàn)分析影響橋區(qū)河段通航的條件。余葵等^[16-17]、唐存本等^[18]主要通過物理模型試驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)數(shù)值模擬分析萬(wàn)州長(zhǎng)江公路大橋?qū)騾^(qū)通航條件的相關(guān)影響。

跨越通航河道橋梁對(duì)橋區(qū)河段通航條件影響的研究較多，但對(duì)山區(qū)河流軌道橋通航條件的影響因素分析較少。本文建立工程河段平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析，研究擬建小安溪大橋?qū)降劳ê降挠绊憽?/p>

1 河道及工程概況

擬建小安溪大橋位于重慶市銅梁區(qū)慶隆鎮(zhèn)慶新村，處于蒲呂樞紐庫(kù)區(qū)，下距蒲呂樞紐約4.22 km。橋區(qū)河段水流呈西南-東北流向，工程河段橫斷面形狀多呈不對(duì)稱的U型或V型，河床以卵石為主，底部為堅(jiān)固的泥巖，河床沖淤變化不大，相對(duì)穩(wěn)定，河道單一，灘槽分明。橋區(qū)河段枯水期水庫(kù)保持正常蓄水位256 m，運(yùn)行時(shí)河寬約50～60 m，汛期河寬約100 m。河段水深充足，水流較為平緩，通航條件良好。

受橋區(qū)河段的地形限制，橋址處河面較窄，僅有50～60 m，不宜在河中設(shè)置橋墩，形成新的礙航建筑物，推薦橋梁建設(shè)方案示意圖如圖1所示。橋梁全長(zhǎng)314 m，全橋共分3聯(lián)，主橋?yàn)椋?8+68+38）m連續(xù)梁，橋跨布置采用1×25 m（雙線現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁）+1×40 m（雙線現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁）+（38+68+38）m雙線現(xiàn)澆連續(xù)梁+1×35 m（雙線現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁）+2×30 m（雙線現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁）。橋面設(shè)計(jì)高程約為277.22 m。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 水流運(yùn)動(dòng)方程

水流連續(xù)方程^[19]為

式中：H為水位；t為時(shí)間；C_ξ、C_η為正交曲線坐標(biāo)系中的拉梅系數(shù)，ξ、η為2個(gè)正交曲線坐標(biāo)；v_ξ、v_η分別為沿ξ、η方向的流速；h為水深。

ξ方向動(dòng)量方程^[19]為

式中：g為重力加速度，n為糙率。

η方向動(dòng)量方程^[19]為

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格布置

根據(jù)計(jì)算需要的進(jìn)口長(zhǎng)度，設(shè)置計(jì)算區(qū)域?yàn)闃蜉S線上游1.00 km至蒲呂樞紐，全長(zhǎng)約5.22 km，其中擬建大橋軸線以上1.00 km，擬建大橋軸線以下約4.22 km。建橋前、后平面二維數(shù)學(xué)模型三角形網(wǎng)格圖如圖2所示，對(duì)擬建工程附近河段進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

2.3 模型驗(yàn)證

2.3.1 水面線驗(yàn)證

在自然狀態(tài)下，中水以上橋區(qū)河段水流湍急，水中橋墩挑流明顯，對(duì)水流影響相對(duì)較大。采用數(shù)學(xué)模型將汛期中、洪水期2級(jí)流量計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比分析，如表1所示。由表1可知：水位最大偏差為±0.07 m，相應(yīng)模型糙率約為0.030～0.038，數(shù)學(xué)模型與實(shí)測(cè)情況較吻合。

2.3.2 流速流向驗(yàn)證

對(duì)擬定驗(yàn)證流量進(jìn)行數(shù)值模擬。實(shí)測(cè)資料為表面流速流向資料，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為垂線平均流速，采用指數(shù)分布公式可將平均流速換算為表面流速，并與實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，選擇4個(gè)流速斷面，分別編號(hào)為CS1、CS2、CS3、CS4，如表2所示。由表2可知：所驗(yàn)證的上游來水流量較小，平均流速較小，各測(cè)點(diǎn)流速的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果間誤差范圍約為±0.06 m/s，偏差較小，水流數(shù)學(xué)模型模擬的流速分布與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相似。

3 工程通航尺度

3.1 橋址處流量

最高通航水位涉及水上跨河建筑物的通航凈空問題，也是內(nèi)河航道工程通航期的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。擬建工程位于蒲呂樞紐庫(kù)區(qū)、虎峰樞紐下游河段，蒲呂樞紐回水與虎峰樞紐下游水位銜接?；⒎鍢屑~下游和蒲呂樞紐上游設(shè)計(jì)的最高通航水位均為256.6 m，根據(jù)文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)航道最高通航水位。

小安溪流域內(nèi)雙石橋站和虎峰站有實(shí)測(cè)水文資料，但虎峰站的水文資料年限較短，不能直接采用虎峰站的水文資料推算小安溪的設(shè)計(jì)洪水，小安溪流域附近無合適的水文站可供參證，根據(jù)實(shí)測(cè)暴雨資料采用推理公式法和綜合瞬時(shí)單位線法推算小安溪設(shè)計(jì)洪水成果，并根據(jù)雙石橋站洪水成果采用水文比擬法進(jìn)行比較，得到推求設(shè)計(jì)洪水成果如表3、4所示。

由表3、4可知：水文比擬法洪水成果明顯比綜合瞬時(shí)單位線法和推理公式法洪水成果小得多，主要是2個(gè)控制流域面積相差較大，產(chǎn)匯流情況存在差異，水文比擬法洪水成果僅作參考。

工程區(qū)范圍內(nèi)雨量站網(wǎng)點(diǎn)較密，分布均勻，實(shí)測(cè)暴雨資料較完善，能夠較好地代表工程區(qū)實(shí)際洪水情況，故綜合考慮工程區(qū)暴雨洪水特性及工程設(shè)計(jì)安全。根據(jù)實(shí)測(cè)暴雨資料采用綜合瞬時(shí)單位線法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水成果，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到橋址處水位-流量關(guān)系，如表5所示。

3.2 最高、最低通航水位

根據(jù)文獻(xiàn)[19]規(guī)定，小安溪為典型的山區(qū)河流，洪水期水位暴漲暴落，洪峰歷時(shí)較短，因此，擬建小安溪大橋橋位河段最高通航水位的洪水重現(xiàn)期應(yīng)當(dāng)按兩年一遇洪水考慮。根據(jù)表5數(shù)據(jù)，擬建大橋處采用258.53 m作為最高通航水位符合要求。

一般通過水文分析計(jì)算可確定天然河流的最低通航水位，也可采用綜合歷時(shí)曲線法或保證率頻率法確定最低通航水位^[20-22]。本工程河段存在樞紐通航建筑物，根據(jù)文獻(xiàn)[19]規(guī)定，應(yīng)采用水庫(kù)死水位或水庫(kù)運(yùn)行最低水位。擬建橋址距下游蒲呂樞紐僅約4.22 km，蒲呂電站死水位為255.01 m，可將最低通航水位設(shè)置為255.01 m。

3.3 通航尺度論證

為保障大橋和船舶的通航安全，在修建跨河大橋時(shí)須考慮凈空尺度，包括通航凈寬和通航凈高^[23-26]。根據(jù)橋區(qū)河段的航道規(guī)劃及未來發(fā)展需求，確定本航道為Ⅶ級(jí)航道。擬建大橋設(shè)計(jì)最高通航水位為258.53 m，通航孔梁底最低高程為272.89 m，通航凈高為14.36 m，滿足Ⅶ級(jí)航道水上過河建筑物的通航凈高應(yīng)大于4.5 m的要求。

單孔單向通航凈寬

B_m1=B_F+ΔB_m+P_d， ???（1）

式中：B_F為設(shè)計(jì)船隊(duì)寬度或船舶航跡帶寬，B_F=B_s+Lsin β，其中B_s為船隊(duì)寬度，L為頂推船隊(duì)長(zhǎng)度，β為船舶或船隊(duì)航行漂角，Ⅶ級(jí)航道β=3°；ΔB_m為船舶或船隊(duì)與兩側(cè)橋墩間的富裕寬度，Ⅶ級(jí)航道ΔB_m=0.5B_F；P_d為下行船舶或船隊(duì)偏航距，P_d=5.5 m。

單孔雙向通航凈寬

B_m2=2B_F+b+ΔB_m+P_d+P_u， ???（2）

式中：b為上、下行船舶或船隊(duì)會(huì)船時(shí)的安全距離，取船隊(duì)寬度；P_u為上行船舶或船隊(duì)偏航距，P_u=0.8 P_d。

將設(shè)計(jì)船型代入式（1）（2）可計(jì)算得到B_m1=16.3 m，取17 m；B_m2=33.4 m，取34 m。

由橋區(qū)河段水流條件分析可知，各級(jí)通航流量最不利情況下，橋軸線上游97.5 m（為3B_F）通航水域范圍內(nèi)水流流向與橋軸線法向的最大夾角約為25°，最大橫向流速為0.43 m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[19]查得單向通航凈寬增加值為9.5 m，雙向通航凈寬增加19 m，是單向通航凈寬增加值的2倍?？捎?jì)算擬建小安溪大橋滿足Ⅶ-（2）級(jí)航道的B_m1＝29.5 m，B_m2＝53.0 m。擬建大橋主跨68.0 m，主橋墩寬3.4 m（迎水面寬度），通航凈寬為64.6 m＞53 m，符合Ⅶ-（2）級(jí)航道B_m2的要求。

4 橋梁通航影響分析

4.1 橋區(qū)水流條件

通過建立的二維數(shù)學(xué)模型分析橋區(qū)河段通航水流條件，并根據(jù)模擬得到的數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算該河段在建橋前、后的水流條件，流場(chǎng)圖如圖3所示。由圖3可知：建橋前、后，橋區(qū)河段附近流速有變化，河段整體流速無較大變化。建橋后對(duì)河道流場(chǎng)的影響主要集中在橋墩附近，分析橋墩周圍流場(chǎng)的分布如圖4所示。

由圖4a）可知：當(dāng)上游來流量Q=689 m³/s時(shí)，水流流向與橋軸線法向夾角為24°～27°，橋軸線附近水流表面流速為1.32～1.52 m/s，在橋軸線上游3L范圍內(nèi)水流流向與橋軸線法向的最大夾角為27°，水流表面流速為1.29～1.52 m/s，最大橫向流速為0.64 m/s。

由圖4b）可知：當(dāng)Q=689 m³/s時(shí)，橋軸線附近的水流表面流速為1.25～1.71 m/s，水流流向與橋軸線法向夾角為8°～21°，橋軸線上游3L范圍內(nèi)水流表面流速為1.25～1.71 m/s，最大橫向流速為0.66 m/s，水流流向與橋軸線法向的最大夾角為28°。建橋后，除橋墩附近水域的流場(chǎng)有一定變化外，建橋?qū)е碌牧魉僭黾幼畲蟛怀^0.30 m/s，變化較小，對(duì)橋區(qū)河段通航水流條件影響較小。

橋墩附近流場(chǎng)的變化具體表現(xiàn)為：橋孔附近及下游流速局部略增，將對(duì)該區(qū)域河床進(jìn)行較小幅度的沖刷，橋墩的掩流帶流速減小，其他水域的主流在建橋前、后基本無變化，建橋后主流流速分布形態(tài)幾乎一致，且在建橋后不會(huì)產(chǎn)生改變河勢(shì)的水流動(dòng)力條件，如引起主槽變換和擺動(dòng)等。建橋后橋軸線附近的流速有一定增加，但增加的流速橫向分布并不連續(xù)，說明建橋后增加的縱向流速和橫向流速均具有較明顯的局部性。

因此，建橋后流場(chǎng)的改變僅局限在橋墩附近較小范圍內(nèi)，產(chǎn)生的泥沙淤積和沖刷有限，擬建大橋所在位置的河型河勢(shì)穩(wěn)定，河床基本由砂卵石組成，工程建成后流速流態(tài)變化較小，不存在促使橋區(qū)河勢(shì)條件發(fā)生明顯改變的水動(dòng)力和河床邊界條件。大橋建成后橋區(qū)河段仍基本保持沖淤平衡狀態(tài)。

4.2 與船舶航跡線的適應(yīng)性

根據(jù)2020-03-04實(shí)測(cè)的橋區(qū)河段的船舶航跡線資料，測(cè)量船舶為蒲呂鎮(zhèn)船閘船，船長(zhǎng)24.8 m，型寬4.0 m，設(shè)計(jì)吃水0.8 m，如圖5所示。由圖5可知，左主墩（3^#）距最近的航跡線13 m，右主墩（4^#）距最近的航跡線16 m，擬建大橋通航孔包絡(luò)了上、下水航跡線，與船舶航線適應(yīng)性較好。

擬建大橋主橋采用連續(xù)剛構(gòu)橋方案，左主墩（3^#）在最高通航水位時(shí)涉水，右主墩（4^#）基本常年涉水，故存在一定的失控船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn)，需考慮柔性防撞設(shè)計(jì)。根據(jù)工程河段船舶現(xiàn)狀調(diào)查及規(guī)劃，建議擬建橋梁2個(gè)主墩按照橋區(qū)河段規(guī)劃最大50 t級(jí)船舶設(shè)防，100 t級(jí)船舶校核，并與大橋主體同步施工和投入使用。

橋梁通航安全是橋梁建設(shè)的重要問題。在進(jìn)行橋梁建設(shè)時(shí)，建設(shè)單位應(yīng)將施工組織設(shè)計(jì)報(bào)送相應(yīng)的主管部門，做好施工期水上安全管理工作。橋梁建成后，建設(shè)單位或管理單位應(yīng)對(duì)橋區(qū)施工水域進(jìn)行掃測(cè)，按通航要求及時(shí)清除水下礙航物，并將掃測(cè)報(bào)告上報(bào)相關(guān)航道主管機(jī)關(guān)審核及備案。

5 結(jié)論

建立工程河段平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，從最低通航水位、最高通航水位、通航尺度、橋梁通航影響分析等方面驗(yàn)證新建市郊鐵路璧山至銅梁線小安溪大橋航道通航條件。

1）建橋后流場(chǎng)改變，但只集中在橋位附近較小的范圍，對(duì)泥沙淤積及沖刷作用較有限，水動(dòng)力和河床邊界條件不足以改變橋區(qū)河勢(shì)條件，大橋建成后橋區(qū)河段河床仍基本保持沖淤平衡狀態(tài)。

2）擬建大橋建成后，橋區(qū)河段流速變化僅局限在橋墩附近，建橋后流速增大不超過0.30 m/s，變化較小，對(duì)橋區(qū)河段通航水流條件影響較小。建橋后橋區(qū)河段的平面形態(tài)和深槽位置不會(huì)有較大變化，灘槽格局穩(wěn)定，未對(duì)橋址河段河勢(shì)產(chǎn)生明顯不利影響。

3）小安溪航道等級(jí)低，無航道整治工程及航道整治規(guī)劃，建橋前暫無航道建設(shè)和維護(hù)工程，擬建大橋未對(duì)小安溪航道整治工程產(chǎn)生影響。

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Influence analysis of navigation condition of

track bridge over mountain river

PAN Li

Chongqing Monorail Transportation Engineering Co.， Ltd.，Chongqing 400084，China

Abstract：In order to analyze the navigation condition of the Xiaoanxi Bridge waterway of the new suburban railway from Bishan to Tongliang line， a two-dimensional mathematical model of water and sediment in the engineering reach was established to analyze contrastively with measured data， and the parameters such as the lowest navigable water level and the highest navigable water level， the navigable dimensions， and the influence analysis of bridge navigability are demonstrated. The demonstration results show that， the river bed and river regime of the bridge reach are basically stable in recent years， and the river evolution analysis shows that there will be no main channel translocation or river bed transformation near the bridge location， and the river regime and riverbed of bridge are stable. After the construction of the bridge， the flow field limited to a small range around the bridge site is changed， and the range of sediment deposition and erosion is limited. There are no hydrodynamic and riverbed boundary conditions that change the river regime conditions in the bridge area. After the construction of the bridge， the riverbed of the bridge reach is still basically in a balanced state of scouring and silting， the plane shape and deep groove position of the bridge reach change slightly， and the shoal channel pattern is stable. The bridge construction has no adversely affected on the river regime of the bridge site. The highest navigable water level of the designed channel is 258.53 m， and the lowest navigable water level is 255.01 m， and the navigable clearance height is 14.36 m， and the single hole one-way navigable clear width is 29.50 m， and the single hole two-way navigable clear width is 51.00 m， which meet the specification requirements.

Keywords：navigation condition; mountain river track bridge; navigable clearance dimension; navigable water level

（責(zé)任編輯：王惠）