沪通长江大桥桥墩布设水动力特性试验研究

杜德军，夏云峰，闻云呈，王晓俊

（1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210024）

沪通长江大桥桥墩布设水动力特性试验研究

杜德军1，2，3，夏云峰1，2，3，闻云呈1，2，3，王晓俊1，2，3

（1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210024）

沪通长江大桥横跨长江河口段的南通水道和天生港水道，该河段收径流和潮流共同作用，水流条件复杂。采用物理模型研究了工程河段水流特性，并重点分析了桥位断面流速、流向及单宽流量等。研究表明：桥位断面最大流速出现在南主墩所在的主槽附近，上游流量越大、下游潮汐越强，桥位断面处流速愈大；平常水文条件如98大洪水下条件下的水流不会对桥梁产生大的不利影响。但如果出现100 a、300 a一遇极端水文条件，南主墩附近最大落潮、涨潮流速在3.7 m/s和1.3 m/s以上，在这种较强的双向水流作用，南主墩处会出现较大局部冲刷，同时施工时巨型钢围堰受到的水流作用远较桥墩要大，这对桥墩布设及其防护、施工围堰的设计和围堰安全提出了很高的要求。

流速分布；单宽流量；桥轴线；长江河口段；模型试验；沪通长江大桥

沪通长江大桥位于澄通河段十三圩港附近、锡澄高速预留桥位处，上距江阴长江大桥约45 km，下距苏通长江大桥约40 km，是沪通铁路及连接南通—苏州—嘉兴的通苏嘉城际铁路的控制性工程。采用公铁合建，总长11.3 km，主跨1 092 m，主塔高353 m，主墩尺寸为42 m×68.4 m，主墩施工钢围堰尺寸为60 m×90 m，相当于1个足球场大小，建成后将是世界上最大跨度和首座主跨超千米的公铁两用斜拉桥［1］。本河段地处长江河口段，受径流及潮汐共同作用，水流复杂，本文通过多种水文条件来研究大桥附近的水动力特性，从流速、流向和单宽流量等水动力特性进行深入研究，为桥墩布设及其防护、施工围堰的设计和围堰安全等提供参考。

1 河道及水文泥沙条件

1.1 河道概况

工程地处如皋沙群段下段，横跨南通水道、横港沙和天生港水道，其上游为福姜沙河段，下游为通州沙河段。

上游福姜沙汊道上起江阴，下至护漕港，为稳定性较好的双分汊河道，左汊顺直为主汊，长约11 km，分流比约80%，右汊福南水道为鹅头型弯道，长约16 km，分流比约为20%。至护漕港附近由双涧沙分为福北和福中水道。

如皋沙群段上起护漕港，下至十二圩，为多分汊河道。河道内沙洲罗列，目前分布有双涧沙、民主沙、长青沙、泓北沙及横港沙。其中双涧沙及民主沙将河道分为两汊：如皋中汊及浏海沙水道上段，两股水流汇合后进入浏海沙水道下段。如皋中汊为左汊，长约10 km，分流比为30%左右，右汊浏海沙水道为主汊，分流比约为70%。如皋中汊水流至老海坝下侧九龙港一带汇入浏海沙水道。其后长江主流紧贴南岸，经九龙港至十二圩港，脱离南岸过渡到南通姚港至任港一带，主流紧贴左岸顺南通水道下泄。

而另外三个沙体——长青沙、泓北沙及横港沙已连为一体，其南侧为长江主槽浏海沙水道下段和南通水道，落潮分流比可达99%，涨潮分流比约98%。北侧为靠涨潮流维持的支汊——天生港水道，上口接如皋中汊，下口在通吕运河附近，长度约26.2 km；落潮分流比一般不到1%，涨潮分流比可达2%。天生港水道下段为本工程所在区域，左岸为固定边界，右侧为横港沙边滩，该段水道河势顺直，涨、落潮流动力相当，河床形态稳定均匀［2］。

通州沙河段上起十三圩，下至徐六泾，全长约39 km，进出口河宽相对较窄，中间放宽，最宽约10 km，为暗沙型多分汊河道，进口段长江被通州沙分为东、西水道，东水道是主流通道，分流比约90%，江中通州沙、狼山沙及新开沙等沙体发育。其中主槽南通水道上起十二圩，下至龙爪岩。

图1 澄通河段河势图Fig.1 River regime of Chengtong reach

图2 沪通大桥断面及桥墩布置示意图Fig.2 Sketch of Shanghai-Nantong bridge section and piers layout

1.2 水文条件

1.2.1 径流

据工程上游460 km的大通站1950～2011年来流资料统计，历年最大流量92 600 m3/s；历年最小流量4 620 m3/s。每年5～10月为汛期，径流量占全年径流总量的70.73%。多年平均流量为28 200 m3/s；2003年三峡水库蓄水前，年平均流量约28 620 m3/s；年径流量9 025亿m3；三峡蓄水后，年平均流量约26 010 m3/s；年径流量8 200亿m3，均较蓄水前有所减小。

1.2.2 潮汐

长江口为中等强度的潮汐河口，属非正规半日潮。工程河段处于长江河口段，落潮流为塑造河床的主要动力，潮流运动总体呈现往复流特性。据天生港站1985～2008年潮位资料统计，最大、最小潮差为4.01 m 和0 m（85国家高程，下同），平均潮差1.92 m。

2 水动力影响研究

2.1 工程概况

大桥位于长江澄通河段南通水道上段锡通公路过江通道处，北接南通、南连张家港，横跨天生港水道、横港沙和南通水道［3］（图3）。采用铁路四线、公路六车道的公铁合建方案，总长11.3 km。主航道桥采用主跨为1 092 m的两塔五跨斜拉桥方案［1］（见图2）。

2.2 模型概况和试验工况

试验在已有的长江河口段模型中进行，上起江阴水道天生港，下至长江南支吴淞口。模型水平比尺为655，垂直比尺100，长近300 m，建于2005年，经过多次验证。本次试验前，根据最新实测的地形及水文资料对模型进行了更新和验证，验证结果满足有关规程、规范要求。

为研究沪通长江大桥实施后的水动力特性，结合以前研究经验［4］，在前期河床演变分析和水文分析等研究的基础上［3］，选用8个试验水文条件进行研究：

①～③：洪季大潮、枯季大潮和平均流量大潮：上游流量分别采用平均洪季流量57 500 m3/s、枯季流量16 500 m3/s和多年平均流量28 500 m3/s，下游控制站潮型选用相应流量下潮差达到85%累计频率潮差的实测大潮潮位过程，代表本河段平常水情条件；

④～⑤：97风暴潮和98洪水大潮：上游流量分别采用1997年8月实测天文大潮时实测流量45 500 m3/s和1998年8月大洪水期实测流量82 300 m3/s，下游边界采用同期实测的大潮潮位过程作为控制条件，代表本河段风暴潮条件和大洪水条件；

⑥～⑧：20 a、100 a和300 a一遇水文条件：根据频率分析，20 a一遇水文条件下上游流量为85 000 m3/s，而100 a和300 a一遇水文条件的上游流量采用长江下游防洪设计最大流量100 400 m3/s。下游边界的控制潮型曲线则利用实测潮位进行频率计算分析，根据不同频率潮差、平均潮位、涨落潮历时三要素确定，代表本河段极端水文条件。

所选水文条件，涵盖了本河段平常水情条件、实测风暴条件、大洪水条件和基于频率分析而来的极端水文情况，代表了本河段各种水情条件，可以进行本工程的水动力特性研究。

2.3 建桥前后工程附近水流概况

工程地处横港沙，其南侧为浏海沙水道与通州沙东西水道交汇处，北侧为以涨潮流为主天生港水道。工程区在径流和潮流双重影响下，水流运动较为复杂。

由于受水流惯性的影响，边滩涨落潮出现时间均早于主槽。涨潮初期，沿岸潮位抬高，横港沙滩面及天生港水道水流先行起涨，而此时主槽水流受惯性影响仍处于落潮期。随涨潮流渐强，主流区邻近横港沙侧的部分逐渐转涨，继而整个水道全面转涨。在九圩港附近，进入横港沙的涨潮流一部分继续随天生港水道的涨潮流继续上溯，一部分则逐渐南偏，不断汇入浏海沙主槽，往上游南偏趋势愈加明显。涨潮流在东沙附近分流，东沙北侧水流进入天生港水道，南侧水流南偏进入浏海沙水道，南偏的水流在横港沙上形成明显的越滩水流（图3）。

图3 工程区涨潮流态图（枯季大潮）Fig.3 Flow pattern of project area（dry season spring tide）

图4 建桥前后桥位断面最大落潮流速分布变化Fig.4 Change of the biggest ebb velocity distribution before and after project at cross section of bridge site

表1 桥位断面表面涨潮最大流速及其流向统计Tab.1 The maximum velocity and direction of flood tide at cross section of bridge site

横港沙滩地上的落潮水流较涨潮水流要弱。落潮时，还是边滩和天生港水道先行转落。浏海沙水道为落潮主通道，落潮与涨潮时略有差别，分流至横港沙滩面的水流较少，这也使得落潮期横港沙滩面上的落潮流较弱。横港沙滩面北侧天生港水道，是以涨潮流为主的通道，落潮流分流比小于涨潮流分流比，相较涨潮流，落潮流较弱。在西界港附近，浏海沙水道的部分落潮流进入通州沙西水道，主流则在天生港—南通港一带接纳天生港水道的落潮流后流入通州沙东水道。

2.4 建桥后桥位断面流速及流向变化分析

平均流量大潮和20 a一遇水文条件下断面落潮最大流速分布见图4，建桥前后桥位断面表面涨潮最大流速及其流向统计见表1，落潮最大流速及其流向统计见表2。

表2 桥位断面表面落潮最大流速及其流向统计Tab.2 The maximum velocity and direction of ebb tide at cross section of bridge site

图5 建桥后桥位断面各水文条件下流速分布Fig.5 Velocity distribution of different hydrological conditions after project at cross section of bridge site

由图可见，建桥前后，断面最大流速分布没有明显变化，即建桥后主流位置变化不明显。但断面中流速大小及水流方向有不同的变化。在桥位断面处，北侧天生港水道涨潮最大流速为1.86 m/s（97风暴潮），各水文条件下，水流偏角在8°～16°间；南侧主槽南通水道，涨潮最大流速位于主通航孔南侧，主通航孔右侧附近最大，达1.75 m/s，主通航孔中水流总体偏北，偏角一般在10°内。

落潮最大流速发生在300 a一遇水文条件时，达3.97 m/s，偏角8°。100 a一遇水文条件、20 a一遇水文条件、98洪水大潮、97风暴潮、洪季大潮、平均流量大潮和枯季大潮的最大落潮流速依次减小，枯季大潮落潮最大流速同样出现在主通航孔右侧附近，为1.90 m/s。涨潮流向以主通航孔左侧为界，北侧偏南，南侧偏北，主通航孔右侧水流偏北3°～7°；落潮流同样以主通航孔左侧为界，不过，北侧水流北偏，南侧水流南偏，主通航孔右侧附近水流偏南5°～8°。

在主通航孔附近，建桥后，桥位断面处各统计测点处落潮最大流速都有不同程度的增加，如断面最大落潮流速由3.97 m/s增加到4.09 m/s（300 a一遇水文条件，主通航孔右侧，图5）。由于桥墩具有一定的导流作用，各落潮最大流速的流向与桥轴线法向的夹角减小1°～3°，北辅助通航孔、主通航孔左侧、主通航孔中部、主通航孔右侧和南辅助通航孔落潮偏角分别变为偏北5°、偏北2、偏南2°、偏南6°和偏南8°内。

在北侧天生港水道通航孔附近，受横港沙及其以北区域较为密集的桥墩阻流影响，建桥后涨潮最大流速有所减小，由1.86 m/s减小为1.81 m/s（97风暴潮），偏角则由16°减小到13°。南侧主槽中，由于跨度大，桥墩间距较远，建桥后涨潮最大流速有增加趋势，最大流速由1.75 m/s增加到1.78 m/s，出现在枯季大潮的主通航孔右侧附近。建桥后，涨潮水流的偏角减小1°～3°，主通航孔左侧、主通航孔中部和主通航孔右侧的涨潮偏角分别变为偏北4°内、7°内和6°～9°间。

2.5 建桥后桥位断面单宽流量变化

为分析建桥前后桥位断面处单宽流量的变化，涨潮最大单宽流量统计见表3；落潮最大单宽流量统计见表4。图6为部分水文条件建桥前后桥位断面单宽流量比较。

由图表可见，工程实施前，各水文条件下的涨、落潮最大单宽流量都出现在主通航孔间，大致在主通航孔中偏南的位置，该位置涨潮最大单宽流量在35 m3/s·m左右，落潮最大单宽流量以100 a一遇和300 a一遇水文条件较大，分别达84.9 m3/s·m和90.3 m3/s·m，其他水文条件下的落潮最大单宽流量在37～76 m3/s·m间。

工程实施后，由于桥墩对水流的挤压作用，南侧主通航孔以及天生港水道附近的涨潮最大单宽流量增加2%～8%，落潮单宽流量增加2%～5%；而横港沙滩地附近由于桥墩的阻水作用较明显，最大单宽流量流量减小。建桥后，涨潮最大单宽流量还是出现在主通航孔偏南水域，枯季大潮、平均流量大潮、97风暴潮和300 a一遇水文条件下，涨潮最大单宽流量分别为36.2 m3/s·m、36.1 m3/s·m、36.3 m3/s·m和28.6 m3/s·m，增幅1.1～2.8 m3/s·m间；300 a一遇水文条件下落潮单宽流量还是最大，达92.0 m3/s·m，较建桥前略有增加。可见，建桥后，桥位断面单宽流量大小有所改变，但主槽大于副槽、深槽大于滩地的单宽流量分布特征没有变化。

图6 建桥前后桥位断面最大单宽流量比较Fig.6 Comparison of the largest unit discharge at cross section of bridge site

表3 沪通大桥桥位断面建桥前后最大单宽流量比较（涨潮）Tab.3 Comparison of the largest unit discharge at cross section of Shanghai-Nantong bridge site（flood tide）m3/s·m

表4 沪通大桥桥位断面建桥前后最大单宽流量比较（落潮）Tab.4 Comparison of the largest unit discharge at cross section of Shanghai-Nantong bridge site（ebb tide）m3/s·m

综上分析可知，建桥前，各水文条件下的涨、落潮最大单宽流量都出现在主通航孔间，大致在主通航孔中偏南的位置。

建桥后，桥位断面单宽流量大小有所改变，但分布没有明显变化。主通航孔以及天生港水道附近的涨潮最大单宽流量增幅1.1～2.8 m3/s·m间；落潮单宽流量还是300 a一遇水文条件下最大，建桥后达92.4 m3/s· m，较建桥前增加2.0 m3/s·m左右，增幅约2%。

2.6 建桥后水动力影响范围分析

大桥上游3 km处，流速有所减小，减小幅度最大在3 cm/s，上游3.5 km处流速变化在2 cm/s内说明拟建大桥工程对上游水流的影响范围大致为3.5 km；大桥下游3 km处断面流速变化最大为3 cm/s，往下游，流速变化幅度逐渐减小，至5 km处，断面流速变化在2 cm/s内，说明拟建大桥工程对下游水流的影响范围大致为5.0 km左右。

3 结论

沪通长江大桥的研究始于2006年，先后经历了苏通长江大桥下游5 km方案、8 km方案和3 km方案的研究，最后考虑岸线综合开发利用、河床演变等因素，确定在现有的跨南通水道—横港沙—天生港水道的预留锡通通道方案。

研究表明，建桥后，主通航孔的涨、落潮水流与桥轴线法向的夹角由8°减小到5°内，夹角有所减小，说明建桥后桥墩具有一定的导流作用；主通航孔中流速增加0.10～0.20 m/s，即使是98大洪水时，桥位断面处最大流速约3 m/s，与苏通长江大桥类似，不会对桥梁建设和运行产生较大影响。

如果出现如100 a一遇的极端水文条件，南主墩附近为长江主鸿，水深达32 m，最大涨、落潮流速可达1.8 m/s和3.7 m/s，该区域并不是布置南主墩的理想位置。据此，有3方面值得重视，一是大桥预计工期达五年半，要经历6个洪水期［1］，而主墩和施工围堰体量均较大，引起的局部冲刷不可避免，需采取相应的防护措施；二是设计中，要充分考虑主墩附近可能出现的较大的落潮及涨潮水流双向水流作用；三是施工过程中，巨型钢围堰受到的水流作用远较桥墩要大，要密切关注上游来水和下游的潮汐情况，以便采取必要的应对措施。

［1］高宗余.沪通长江大桥主桥技术特点［J］.桥梁建设，2014，44（2）：1-5. GAO Z Y.Technical Characteristics of Main Bridge of Hutong Yangtze River Bridge［J］.Bridge Construction，2014，44（2）：1-5.

［2］杜德军，张胡，夏云峰，等.沪通长江大桥工程河段河床演变及桥位比选［J］.人民长江，2014（7）：52-56. DU D J，ZHANG H，XIA Y F，et al.Riverbed evolution and bridge site selection of Hutong Yangtze River Bridge［J］.Yangtze River，2014（7）：52-56.

［3］裴金林，李靓亮，赵维阳，等.沪通铁路长江大桥工程河段航道条件及桥墩布置方案［J］.水运工程，2012（3）：108-114. PEI J L，LI L L，ZHAO W Y，et al.Shanghai-Nantong railway bridge channel condition and bridge pier arrangement［J］.Port&Waterway Engineering，2012（3）：108-114.

［4］张胡，李伯海，黎国森.黄冈公铁两用长江大桥桥位选择及孔跨布置［J］.水道港口，2012，33（4）：310-314. ZHANG H，LI B H，LI G S.Selection of bridge site and span arrangement for Huanggang Bridge［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（4）：310-314.

Experimental study on hydrodynamic characteristics of layout of piers of Shanghai⁃Nantong Yangtze River Bridge

DU De⁃jun1,2,3,XIA Yun⁃feng1,2,3,WEN Yun⁃cheng1,2,3,WANG Xiao⁃jun1,2,3
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China;2.State Key Laboratory of Hydrology⁃Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing 210098,China;3.Key Lab of Port,Waterway and Sedimentation Engineering of the Ministry of Transportation and Communications,Nanjing 210024,China）

Shanghai-Nantong Yangtze River Bridge goes across Nantong waterway and Tianshenggang waterway in the reach of Yangtze River Estuary.Under co-action of runoffs and tidal currents,this reach is of complex flow conditions.Its flow characteristics were investigated by using physical model tests,and the flow velocity,flow direction and discharge per unit width were analyzed.The study shows that the maximum flow velocity of cross section at bridge site appears near the main channel where the south main pier is located.The larger the upstream discharge is,the stronger the downstream tidal current is,and the flow velocity at the cross section increases.Under normal hydrological conditions like"98 flood",the flows will not have large negative effects on the bridge.However, under the extreme hydrological conditions with return period of a-hundred-year or 3-hundred-year and flow velocity of ebb tide above 3.7 m/s and rising tide of above 1.3 m/s near the south main pier,large local scour will occur around the south main pier under the action of such intense bidirectional flows.The effect on heavy steel cofferdam of the flows is more than the pier during simultaneous construction.Accordingly,higher requirements to the layout and protection of piers and the design of cofferdam construction and the safety of cofferdam are needed.

velocity distribution;unit width flow;axis of bridge;Yangtze River Estuary;physical model test; Hutong Yangtze River Bridge

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2016）01-0012-06

2015-03-16；

：2015-07-29

江苏省水利科技项目（2015004）

杜德军(1970-)，男，湖南常德人，高级工程师，主要从事河口海岸泥沙研究工作。

Biography：DU De-jun（1970-），male，senior engineer.