鹦鹉洲大桥对航道整治工程的影响及解决措施

陈 述 ，陈 立 ，胡 勇 ，刘 金

（1.武汉大学，武汉 430072；2.中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430056）

鹦鹉洲大桥对航道整治工程的影响及解决措施

陈 述1，2，陈 立1，胡 勇2，刘 金1

（1.武汉大学，武汉 430072；2.中铁大桥勘测设计院有限公司，武汉 430056）

为研究解决鹦鹉洲大桥对航道整治工程的影响问题，通过整体模型与局部模型试验相结合的手段，对建桥前后桥区河段局部河床冲淤变化情况、局部防护范围及防护措施效果进行了研究。试验结果证明，桥墩局部冲刷会对航道整治工程的稳定性产生影响，因此必须研究并采取防护措施。通过防护方案的实施，大桥建设不会对航道整治工程效果造成明显不利影响。

局部冲刷；防护；模型试验；航道整治

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

鹦鹉洲大桥位于武桥水道河段，该水道上起汉阳杨泗庙，下至武汉长江大桥，全长约5 km。该桥位于武汉长江大桥上游约2 km（图1）。武桥水道为长江中游重点碍航水道，是长江航道发展规划中重点治理水道。交通运输部委托相关单位对改善武桥水道枯水期通航条件进行了研究，经研究提出在潜洲上实施长顺坝结合鱼骨坝的整治方案。2006年交通运输部对该工程进行了工可批复，目前整治工程尚未实施［1-3］。为解决鹦鹉洲大桥对航道整治工程的影响问题，进行了物理模型试验研究。结果表明在一系列工程措施的实施前提下，鹦鹉洲大桥与武汉长江大桥之间及上、下游通航环境能够满足各方面要求。

图1 武桥水道河势图Fig.1 River regime of Wuqiao waterway

1 航道整治工程概况

武桥水道枯水期碍航与汉阳边滩的发育程度直接相关。汉阳边滩与潜洲左、右相邻，互为消长，特别在汛后水流出白沙洲左汊后，穿过潜洲上半部，在其下部和汉阳边滩头部开始向右岸武昌深槽过渡。当潜洲完整高大时，汉阳边滩窄长；反之，汉阳边滩宽大。潜洲与汉阳边滩形态相对应的状态，是洲滩互为消长的结果。水流自潜洲下部起由左岸向右岸过渡，其尾部位置对汉阳边滩的发展有一定的制约作用，潜洲尾部上提，由左岸向右岸过渡的斜向水流随之上提，就使得汉阳边滩更向江中突出。在汉阳边滩淤积较严重时，桥区上段航槽偏离武汉长江大桥设计通航孔，由此造成航槽过于弯曲，危及通航和桥墩安全。

为解决上述碍航问题，经研究提出在潜洲上实施长顺坝结合鱼骨坝的整治方案。即沿潜洲脊线布置一道长顺坝，并在其左侧布置5道鱼骨坝（图2）。该方案目的是通过维持较完整的潜洲，遏制汉阳边滩的淤长、淤宽，使航道稳定于武汉长江大桥通航孔区域，保持左主汊通航［3］。

2 鹦鹉洲大桥工程概况

鹦鹉洲大桥是主跨为（200 m+2×850 m+200 m）的三塔四跨悬索桥。两侧边塔墩均靠岸布置，中塔墩（2号桥墩）布置在潜洲尾段，位于航道整治工程的长顺坝上（图2）。

图2 拟建鹦鹉洲大桥与航道整治工程关系示意图Fig.2 Relationship between Yingwuzhou bridge and waterway regulation projects

中塔（2号墩）为钢混叠合塔，叠合面在桥面、下横梁以下。基础采用低桩分离式承台，承台顶标高+7.5 m，下设封底混凝土，基础按照嵌岩桩设计。一个塔柱下采用20根Φ2.5钻孔灌注桩，对应承台平面尺寸为32.2 m×25.2 m。

为研究解决鹦鹉洲大桥对武桥水道航道整治工程的影响问题，进行了整体变态和局部正态物理模型试验研究。

3 整体动床模型试验

采用整体动床模型试验的方法，研究鹦鹉洲大桥附近河段的河床、洲滩的稳定性和冲淤变化规律，以及桥墩附近冲刷对航道整治工程效果的影响等。

3.1 模型设计及验证

整体模型范围上起蛤蟆矶，下迄武汉长江二桥，全长约21 km（图3）。

图3 武桥水道整体模型示意图Fig.3 Model of Wuqiao waterway

模型选用重率为1.05 t/m3的塑料沙作为模型沙，该模型沙可以满足起动相似。考虑到桥址河段的泥沙运动以悬移质为主，影响河床冲淤变化的主要是悬移质中的床沙质部分，故将沙质推移质放在床沙质中一并考虑。根据模型试验相关规程要求，拟定模型比尺（表1）。

表1 模型比尺参数表Tab.1 Parameters of model scale

为检验动床模型的相似性，采用实测资料进行了水面线、断面流速分布及河床冲淤变化的验证。结果表明，模型设计符合相关规程规定。

3.2 试验条件

（1）典型年。考虑三峡工程影响，典型年应尽量选取三峡蓄水以后的洪、中、枯水期代表性年份。本次选取的典型水文年分别为1998年、2003年和2006年。

（2）系列年。考虑三峡工程影响，武汉河段的来水来沙条件与建库前相比已经发生了较大变化，系列年采用 2003、2004、2006、1993～1999 的来水来沙过程。

3.3 试验结果分析

（1）典型年。建桥前后的工程局部冲刷深度见表2。

表2 各典型年不同工况下局部冲刷深度统计表Tab.2 Depth of local scouring in typical years m

由表2可知：大、中、小水年建桥前后等局部冲深变化规律基本一致；大水年冲刷深度较大，且建桥后冲刷深度多大于建桥前；建桥后由于桥墩的扰流作用，造成顺坝尾部左侧以及4#、5#鱼骨坝附近局部冲刷深度的增加。

（2）系列年。武桥水道枯水期碍航与汉阳边滩的发育程度直接相关。通过试验得出，虽然建桥后潜洲尾部冲刷蚀退，但由于长顺坝尾的保护作用，有效阻止了潜洲尾部冲刷的进一步发展，因此建桥前后汉阳边滩宽度变化幅度不大，均不致碍航。

3.4 实施冲刷防护的必要性

研究结果表明：如果鹦鹉洲大桥后于航道整治工程实施，大桥不会影响汉阳边滩处的水流动力条件，对航道整治工程的整治效果影响较小。但由于桥墩的绕流作用，桥墩周围发生了局部冲刷，大水年和中水年4#、5#刺坝附近的局部冲刷较大，可能会影响到航道整治工程的稳定性；如果大桥先于航道整治工程实施，会使得潜洲尾左缘以及尾段发生明显冲刷，届时会增加拟建航道整治工程的工程量。

图4 桥墩局部冲刷坑形态示意图Fig.4 Sketch of local scour hole

4 局部冲刷模型试验

通过整体模型试验研究，无论大桥建设是否先于航道整治工程实施，都必须采取防护措施，控制桥墩周围的局部冲刷。经研究决定采用局部正态模型试验，对2号墩局部冲刷范围进行研究。

4.1 模型设计及试验条件

局部正态模型试验预测局部冲刷坑深度是常用且有效的研究方法，但受模型试验设备的限制，模型存在着比尺选择和选沙的困难。本次研究采用系列模型延伸方法［4-6］，拟定的几何比尺为 80、120、160 和 200。试验中选取 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）的流量作为水流条件。

4.2 局部试验结果分析

（1）冲刷坑形态。

分析不同流量条件下系列模型试验结果，2号墩冲刷坑形态基本相同（图3），并具有以下特点：冲刷坑平面形状横向呈马蹄形，纵向呈前深后浅的勺状形态；中前部及两侧泥沙在水流作用下运动至墩后流速减小区内落淤；墩后桩群掩护区内出现淤积沙梗，沿程逐渐变缓，直至与河床齐平；冲刷最深点位于桥墩头部。

（2）冲刷坑深度及范围。

根据试验成果，采用冲刷深度（冲刷深度记为负值）反映桥墩局部冲刷的影响范围。由表3可知，局部冲刷坑的范围和深度均随流量的增加而增大。

表3 2号墩不同深度冲刷坑范围统计表Tab.3 Size of scour hole in different depth

5 局部冲刷防护试验

基于整体动床和系列模型试验研究成果，采用局部正态模型试验，进一步对2号墩局部冲刷防护措施进行研究。

5.1 试验方案

根据系列模型试验成果，确定桥墩防护范围为193 m×147 m。

2号墩基础冲刷防护采用护底抗冲措施，平面布置根据各部分所处位置和功能作用，将整个防护区域分为核心区、永久防护区和护坦区3个部分。其中，核心区为局部冲刷范围的中心区域，也是防护重点区域。范围为承台周边区域10 m，防护结构为软体排与150 cm厚抛石；永久防护区为核心区外围，防护结构为软体排；护坦区设置在永久防护区外围，为能适应河床变形，保护永久防护区的外围防护区，防护结构为软体排与120 cm厚抛石（图5）。

5.2 试验结果分析

桥墩在实施局部防护后，在防护范围以外发生了普遍冲刷，防护区域内基本没有发生变化，而且防护范围与未防护范围相接处未出现明显的局部冲刷。试验结果表明防护方案有效且稳定性可靠。

图5 局部冲刷防护方案布置示意图Fig.5 Project of protection engineering

6 结论

（1）整体动床模型试验结果表明，鹦鹉洲长江大桥的建设会对武桥水道航道整治工程产生影响，因此必须对局部区域采取防护措施，控制桥墩周围的局部冲刷，以确保大桥及航道整治工程的顺利实施。

（2）系列模型结果表明，各种试验条件下，冲刷坑形态相似性较好，冲刷坑平面形状横向呈马蹄形，纵向呈前深后浅的勺状形态，冲刷最深点发生在墩前。综合考虑，最终确定桥墩防护范围为193 m×147 m。防护工程包括核心区、永久防护区和护坦区3个部分。

（3）局部冲刷防护试验结果表明，桥墩在实施局部防护后，防护区域内基本没有发生变化，即防护方案是有效的，工程稳定性是可靠的。

（4）通过局部冲刷防护工程的实施，鹦鹉洲大桥建设后对航道整治工程效果基本无不利影响。加之本桥采用主跨2×850 m的大跨度桥型方案，左侧主孔能够跨越左主汊通航水域，右侧主孔跨越了潜洲右汊，在防护工程相继实施的前提下，通过对桥区河段整体配标、联合进行航道维护及安全监督管理，认为本桥与武汉长江大桥之间及上、下游通航环境能够满足各方面要求。

［1］夏薇，毛北平，王驰.武汉鹦鹉洲长江大桥工程河道演变分析［R］.武汉：长江水利委员会水文局，2009.

［2］王志军，李文全，肖庆华.武汉鹦鹉洲长江大桥通航净空尺度和技术要求论证研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2009.

［3］陈建.长江中游武桥水道碍航成因分析及治理方案设想［J］.中国港湾建设，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.

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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

陈述（1983-），男，江西省人，工程师，主要从事桥渡水文设计研究。