长江菜园坝桥群河段通航条件试验

赵志舟，陈明栋，林 巧，陈 明，蔡汝哲

(重庆交通大学，重庆400074)

有的通航河流在距离已建桥梁较近处再建桥梁，与单座桥梁碍航相比，两座及以上桥梁组成的桥群对通航安全影响更大［1］。因此桥梁建设时控制桥梁间距与桥跨布置是保护航道资源、降低船撞等安全隐患的重要工作之一，有必要对桥群河段的通航条件、桥群的选址与桥跨布置进行深入研究［2］。重庆主城区菜园坝河段建有多座跨江大桥，桥址河段弯曲分汊，通航环境复杂，笔者通过模型试验，分析菜园坝桥群建设对该河段通航环境的影响，并提出相应的通航安全保障措施。

1 河段概况

1.1 河势特征

该河段为典型的弯曲分汊型河道(图1)，中枯水期河道主流经螃街子过九口缸逐渐右弯，此时江面较为狭窄，谢家碛弯顶处河宽仅200 m左右。谢家碛弯顶下游河道展宽，河心珊瑚坝江心洲长约1 900 m、宽约800 m，坝面高程164～179 m;中枯水期将河道分成南北两槽:南槽较深，为主航槽;北岸副槽床面较高，在流量为8 000 m3/s左右过流，全年均不通航。菜园坝桥轴线处洪、枯水期江面宽度分别约975 m和380 m。下游南纪门—朝天门两江汇合口为一反向微弯河段，左右两岸均修建了滨江路，河岸规顺，河宽300～600 m，弯道曲率半径约2 500 m。该河段碛坝、石梁众多，自重庆长江大桥起，右岸分布有珍珠碛、老鹳碛大边滩，鸡翅膀、笔架石、塔子梁、野猫石和夫归石等众多石盘石梁;左岸在珊瑚坝尾有龙碛子石盘，以下有猪儿碛、月亮碛边滩。

图1 重庆菜园坝河段河势Fig.1 Sketch of the Caiyuanba reach in Yangtze River

1.2 桥梁布置

菜园坝长江大桥与上游鹅公岩大桥相距3.8 km，与下游重庆长江大桥间距仅1.2 km左右。复线桥与原长江大桥并列而建，两桥中心距25 m，净距5 m。在建东水门长江大桥位于交汇口上游1.2 km。菜园坝长江大桥为中承式刚构钢箱系杆拱组合结构，主要跨径为(88+102+420+102+88)m，主通航孔跨径为420 m，净宽约为393 m。重庆长江大桥采用双孔单向通航型式，桥型为带挂梁预应力混凝土T型刚构桥，跨径为(86.5+4×138+156+174+104.5)m，桥墩编号从北岸至南岸依次为1～9#，6#主墩直立河心。复线桥大桥正桥总体桥跨与旧桥一致，除6#墩外，其余桥墩与旧桥一一对应。

1.3 水文、泥沙

研究河段位于长江嘉陵江交汇口上游，朝天门下游约6 km处为长江寸滩水文站，其多年平均水量3 513亿m3，其中上游干流和嘉陵江水量占79.8%和20.2%;悬移质多年平均输沙量为4.61亿吨，平均含沙量为1.31 kg/m3，干流和嘉陵江输沙量分别占 67.7%和 32.3%。

嘉陵江和长江的枯水期基本相同，两江径流量集中在汛期，汛期水位陡涨陡落。天然情况下嘉陵江与长江汇流比对交汇河口水位有明显影响［3］。受三峡工程影响，研究河段水沙条件发生明显变化，其运行方式也影响交汇河口水位［4］，由于三峡水库处于175 m试验蓄水阶段，其影响有待继续观测分析。

2 河床演变

汛期冲沱淤滩，中低水时则刷滩淤槽。一般年份由此种原因引起的淤厚约0.3～1 m，最厚可达3 m，多年冲淤基本平衡［5］。

珊瑚坝河段1979年、2007年的河床横断面变化表明，谢家碛尾河床无明显变化，菜园坝大桥16#主墩下方有淤积体，珊瑚坝头—石板坡大桥上游右侧碛翅高程有明显降低。

三峡水库按175 m方案运行后，汛后水库提前至10月份蓄水，破坏了天然河道的走沙期，使该河段汛期淤落的泥沙汛后得不到完全冲刷，从而出现累计性泥沙淤积，淤积较为严重的部位为桥址上游的黄沙碛、谢家碛和下游珊瑚坝尾部［6］。

3 模型设计与试验流量

3.1 模型设计

模型设计为1∶150正态模型。模型范围长江鹅公岩大桥—大佛寺大桥全长约15 km，嘉陵江大溪沟—朝天门石门全长约2.4 km。

根据现行船队调查，单船虽1 500～3 000 t船数量较多，但大型化发展趋势明显，3 000～5 000 t船型发展潜力巨大，船撞导致的破坏性也较大;船队的大型化发展还将经历较漫长的过程，但是因尺度较大，且较单体货船和集装箱的船速慢，船舶的操纵性能较差，撞击几率较大。由此，选择了2 640 HP+2×1 000 t甲板驳顶推船队作为代表船型。

船模按代表船型按比尺1∶150缩制，上水航速为5 m/s、下水航速为4 m/s、舵角为左35°～右35°无级比例操舵。

3.2 试验工况与流量

三峡正常运行阶段，蓄水期研究河段水位壅高，改善了桥群通航条件，因此选择通航条件相对较差的消落期研究桥区河段的通航条件，6级试验流量组合见表1。

表1 试验流量组合Table 1 Test discharge and control parameters

4 建桥前后的通航条件分析

4.1 建桥前的通航条件

1)中枯水期流量时桥群河段航道窄、弯、浅，主航道流速大，流态紊乱，船舶上下行时舵角、漂角较大，上行最小航速较小，航行难度较大。

上行阻力较大的区域是黄桷渡—储奇门段下游段、牛头溪—白鹤梁扫弯段，Q=10 000 m3/s时上行航线阻力相对较大，牛头溪—白鹤梁段最大流速2.93 m/s，相应比降1.22‰;黄桷渡—储奇门段最大流速 3.07 m/s，相应比降 0.54‰。

中枯水期流态紊乱，左岸珊瑚坝脑部有出水，坝翅外有斜流，其下有夹堰和回流;右岸苏家坝至白鹤梁水流扫弯，王爷庙有出水。Q=10 000 m3/s时上、下行最大舵角分别为18.35°和 14.30°，上行最小航速为 1.21 m/s。

2)中洪水期通航条件优于枯水期。但遭遇出现频率不大的嘉陵江顶托作用相对较弱的流量组合Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=10)时，航行难度增大，黄桷渡附近最大流速达3.53 m/s，相应比降0.54‰。

随着中洪水流量的增加，珊瑚坝逐渐淹没，水流分散，北汊分流量增加，主流移向河心，南岸牛头溪—王爷庙段主槽流速趋缓，随水位上升夹堰泡漩逐渐减弱。王爷庙—龙碛子段航行阻力较大，长江主汛期常见流量Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=3.3)时谢家碛尾—牛头溪段最大流速2.48 m/s，相应比降0.21‰;王爷庙—龙碛子段最大流速达2.99 m/s，相应比降0.44‰，此时上、下行最大舵角分别为14.16°和 13.46°，上行最小航速为 2.08 m/s。

4.2 桥群建成后的通航条件

4.2.1 石板坡长江大桥的影响

1)6#主墩附近产生强烈的紊动现象，两侧水流绕流下泄流速增大，Q=10 000 m3/s时增加约0.2 ～0.3 m/s。

2)通航净宽尺度不足。论证表明，长江大桥及复线桥建库前和建库后应满足最小单向航宽上行143.3 m、下行 153.5 m，双向航宽 290.2 m 要求［7］。但6#主墩直立于枯水河心，三峡水库消落期通航条件接近天然情况，海关水位9 m以下时，5#和6#桥墩间通航宽度仅有92 m，6#和7#间下行桥孔通航净宽约141 m，净宽尺度不满足要求。

与天然无桥情况相比，石板坡大桥修建后上下行航道变得狭窄、弯曲，枯水流量下船舶用舵更加频繁，操舵幅度增大。如Q=10 000 m3/s时，建桥前后上行最大舵角分别为18.35°和21.05°，下行分别为14.30°和 20.02°，航道边缘的安全距离小，下行船舶航速大于6 m/s，增加了船舶撞击桥墩的机率。

4.2.2 长江大桥复线桥的影响

长江大桥复线桥由于与原长江大桥并列而建，主通航孔一跨过中枯水通航水域，对水流条件与船舶航行影响不大。复线桥若选择与老桥同跨度、同墩位的方案，将形成“巷道效应”桥，会减小船舶的水平通视角，增加驾驶员的心理压力，且局部水流条件复杂，航行安全度降低。

4.2.3 菜园坝大桥的影响

菜园坝桥址右岸枯水河槽为各级流量下主流位置，中枯水期水流与桥轴线法线夹角大，水流紊乱，且为上水船舶过江位置，因此江心不宜建墩。

1)水流条件

Q=10 000 m3/s，Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=10)两级流量组合下的流速分布见图2，流场分布规律仍与天然情况相似。Q=10 000 m3/s时菜园坝桥16#主墩挑流，导致苏家坝—白鹤梁段珊瑚坝翅斜流稍有所增强。3桥建成后Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=3.0)时，菜园坝大桥通航孔桥16#墩右下方宽约100 m、沿水流方向长度约200 m水域范围流速约增大0.1 ～0.15 m/s，流向略右偏 2°～4°;复线桥上游200 m—石板坡大桥轴线下游300 m河段5#～6#通航孔上下游水域流速约减小0.05 m/s，6#～7#通航孔距6#墩30 m以外的近岸侧水域流速增大约0.05 ～0.10 m/s，流向右偏约 1°～2°。

3桥建成后中洪水上水航线水流条件见表2，遭遇出现频率不大Q=27 400 m3/s(Qc/Qj=10)流量组合时航行阻力仍最大，黄桷渡—储奇门段最大流速达 3.61 m/s，相应比降 0.55‰。

表2 3桥建成后中洪水上水航线水流条件Table 2 Flow condition on the upstream navigation route after the three bridges completion

图2 桥群建成后流速分布Fig.2 Flow field after the bridges completion

2)航线布置与航行难点

中枯水、中洪水流量下的参考航线布置见图2。

①船舶通过石板坡长江大桥左右通航孔时需注意桥墩附近紊流流态对船舶航行的影响，在此不宜操大舵，需采用频繁操小舵的方式克服流态对船舶航行的影响，保持航向的稳定性。

②由于间距较近，下行船舶在通过菜园坝大桥后应及时调整航向和船位，以便顺利通过石板坡长江大桥桥区河段。

③枯水流量时桥群河段航道浅、窄、弯曲，流态紊乱，更须谨慎驾驶。菜园坝大桥主通航桥跨距为270，320，370，和420 m时4种工况的船舶下行的最大舵角分别为 20.84°，20.19°，18.54°和 17.89°，跨距的减小将增加船舶调整航向和船位的难度。

4.3 通航安全保障措施

1)合理配布桥涵标及桥柱灯，并根据水位变化及时调整，正确引导桥区航道。

2)建议在该桥群河段安装CCTV视频监控系统，既可以为海事部门监管桥区水域服务，也有利于航道部门对航标设施的监控［8］。

3)船舶失去动力后的漂移、船撞模拟试验表明，船舶撞击菜园坝16#墩或引桥、石板坡大桥6#墩、东水门大桥南岸主墩的几率较大。此外，航道内、沿岸港口码头船舶密布，失控后的船舶容易发生严重的海事事故，造成重大的经济损失。建议在本桥群河段设置大型应急施救船舶，制定合理应急预案措施，以应对突发事故。

5 结语

石板坡长江大桥对桥群河段的通航条件的影响相对最大，航道变得狭窄、弯曲，通航净宽尺度不足，桥群河段的通航条件较差;菜园坝大桥主通航孔虽然一跨过通航水域，但与石板坡间距较近，下行船舶在通过菜园坝大桥后应及时调整航向和船位，并采取适宜的通航安全保障措施。

［1］ 陈焰.浅谈长江大桥桥区水上交通安全管理［J］.中国水运，2001(10):36-37.

Chen Yan.Analysis on water traffic safety management of the Yangtze River bridge district［J］.China Water Transportation，2001(10):36-37.

［2］ 陈明栋.桥群河段通航条件关键技术研究［R］.重庆:重庆交通大学，2011:15-52.

［3］ 陈稚聪，刘洪春，黑鹏飞.长江重庆九龙坡河段泥沙淤积规律初步分析［J］.泥沙研究，2009(4):7-11.

Chen Zhicong，Liu Hongchun，Hei Pengfei.Preliminary analysis on sedimentation in Chongqing Jiulongpo Reach of the Yangtze River［J］.Journal of Sediment Research，2009(4):7-11.

［4］ 倪晋仁，惠遇甲.嘉陵江入汇对重庆河段水力特征影响的水力学分析［J］.泥沙研究，1991(2):29-38.

Ni Jinren，Hui Yujia.Hydraulic analyses of the effect of inflow of JialinJiang on flow characteristics of Chongqing Reach［J］.Journal of Sediment Research，1987(4):29-38.

［5］ 栾春婴，郭继明.三峡水库重庆主城区河段走沙规律研究［J］.人民长江，2004(5):9-11.

Luan Chunying ，Guo Jiming.Research on the sediment transport in main urban reach of Chongqing in the Three Gorges Reservoir［J］.Yangtze River，2004(5):9-11.

［6］ 赵世强.三峡工程变动回水区重庆河段泥沙模型试验研究［R］.重庆:重庆西南水运工程科学研究所，2000:21-30.

［7］ 陈明栋.重庆石板坡长江大桥加宽改造方案通航净空尺度和技术要求论证研究［R］.重庆:重庆西南水运工程科学研究所，2003:24-34.

［8］ 梁锡龙，尤敦强.内河水道通航安全调查［J］.珠江水运，2010(7):46-47.

Liang Xilong，You Dunqiang.Survey on the safety of inland waterway navigation ［J］.Pearl River，2010(7):46-47.