洪潮水动力作用下闽江乌龙江大桥桥墩冲刷影响研究

罗淑钦

(福建省永川水利水电勘测设计院有限公司，福建 福州 350001)

闽江是福建母亲河，流域面积为60992km2，沙洲、边滩发育，通常分为上游河道、中游河道、下游河道三段。闽江下游是指水口电站—闽江入海口，进入淮安后分为南港和北港，其中闽江南港(乌龙江)为支流大樟溪汇合口下游至乌龙江大桥处，河道曲折游荡而宽浅，河道最宽处达3.7km左右，但在乌龙江大桥处，河道宽度最小仅460m，桥墩附近河道冲刷严重，河床下切。乌龙江大桥位于闽江南港河床最窄的位置，左右岸为清凉、金牛两山隔江对峙，地形陡峻，并长期受径流和潮流的双重影响，水沙交换频繁[1]，河槽冲淤变化明显[2]，导致桥墩周边水流结构和河床地形复杂多变。

为了满足两岸交通需求，1970年在闽江南港峡口处修建乌龙江大桥(本次研究桥梁)，2008年在乌龙江大桥上游220m处修建了福厦铁路乌龙江大桥，2012年在乌龙江大桥下游50m处修建乌龙江大桥复线桥，2019年在乌龙江大桥上游约180m处修建了福平铁路乌龙江大桥，目前正在修建的福厦高铁乌龙江大桥位于乌龙江大桥上游约70m处。五座桥梁位置如图1所示，乌龙江大桥横断面如图2所示。

闽江南港乌龙江大桥上下游300m范围内先后共建有五座桥梁，群桥建设使得乌龙江大桥桥墩周边水流结构发生变化，为了保证桥梁的安全运行，在洪潮水动力作用下对闽江乌龙江大桥桥墩冲刷影响研究[3- 6]是极为必要的。

1 数学模型构建

结合闽江南港河道水动力特性和特殊地形[7- 8]，数学模型[9- 13]范围从闽江下游竹岐至金刚腿河段，长约54km，乌龙江大桥桥位断面建桥时(1970年)与2015年实测桥位断面地形相差较大，建桥时的河床地面高程大多在-20m以上，目前地形除了桥墩处由于防护而保持较高外，其余位置地面高程均低于-30m。本模型参考刘发水[14]关于乌龙江大桥桥梁水流和冲刷特性试验研究，对乌龙江大桥上下游各1km河段地形进行概化处理，取河床地面平均高程-25m作为河床底，两侧以斜坡与河岸相连接，并以这种断面型式向上、下游延伸。

数学模型采用结构性三角形网格单元，根据工程区域桥梁建设情况及时间先后顺序，分别建立单座桥(乌龙江大桥)、5座桥群桥2个模型。模型网格采用相同的划分方法和控制尺度，2个模型单元数范围92976～93430个，节点数47091～47228个，网格最小尺度约1m，最小网格角度30°。泥沙输移模型采用恩格隆—汉森全沙公式计算。

2 洪潮水动力作用对乌龙江大桥影响

研究群桥建设对乌龙江大桥[15]的影响，数值模拟研究采用两种工况。

图1 乌龙江大桥及附近桥梁位置

图2 乌龙江大桥横断面

工况1：考虑单向径流作用影响，选取300年一遇径流洪水作为计算条件，乌龙江大桥桥位控制断面流量为31440m3/s，水深为30m，流速为2.50m/s[6]。

工况2：考虑径流和潮流双重作用下影响，选取2015年3月白岩潭站实测天文大潮流量过程和潮位过程线。

乌龙江大桥共有4个桥墩，分别为1#、2#、3#、4#桥墩，其中1#、4#桥墩位于岸滩上，故选取2#、3#桥墩作为典型进行分析，本次选取1#桥墩与2#桥墩中间断面、2#及3#桥墩左岸侧断面及3#桥墩与4#桥墩中间断面，4个断面研究水流流速变化及水位变化。1#桥墩与2#桥墩中间断面为A断面，2#桥墩左侧10m为B断面， 3#桥墩右侧10m为C断面，3#桥墩与4#桥墩中间断面为D断面。桥梁位置概化关系如图3所示，断面A、B与断面C、D流速分布如图4所示。

图3 分析断面与桥梁位置关系图

由图4可知，单座桥梁时，工况1、2流速分布趋势相同，但工况1变化幅度要比工况2大。在桥墩上游断面水流流速分布较为均匀，在乌龙江大桥桥位断面，特别是2#、3#桥墩的左右侧，由于水流的绕流作用，流速较上游平均流速有明显增大，桥墩下游断面点流速变化较上游断面大，主要是由于流场受桥墩的阻水作用，桥墩上下游流速均有明显减少，越靠近桥墩，流速减少越大。

图4 乌龙江大桥2#与3#桥墩周边流速分布

第二座福厦铁路乌龙江大桥位于乌龙江大桥的上游约220m处，由于福厦铁路乌龙江大桥桥墩的绕流作用，在乌龙江大桥上游100m处，流速较单桥时减少最多，主要是受福厦铁路桥桥墩的影响，在桥墩下游形成冯·卡门涡街，涡街内的流速减少。乌龙江大桥桥墩位于涡街内，在此情况下，乌龙江大桥桥墩对水流的挑流作用也减弱。根据模型计算，径流及潮流作用下乌龙江大桥的桥位断面2#和3#桥墩两侧的流速均有减小，就能验证这一点。受到福厦铁路乌龙江大桥建设的影响，在乌龙江大桥上游200m断面平均流速较单桥时有所增加，其他断面平均流速则有所降低，乌龙江大桥断面流速减小最大，桥墩处水流流速降低，越靠近桥墩，流速降低越多，断面上其它测点的流速小幅变化，整体上有所增加。乌龙江大桥桥墩周围水流受福厦铁路乌龙江大桥建设影响，其2#桥墩与3#桥墩之间流速较单座桥时流速减小，福厦铁路乌龙江大桥桥位在靠近岸坡侧流速增加，在桥孔中间处流速减小。

第三座桥乌龙江大桥复线桥于2012年建成通车，位于乌龙江大桥下游约50m处，模拟范围内也有4个桥墩，与乌龙江大桥桥墩成对口布置。乌龙江大桥复线桥建成后，对乌龙江大桥的影响主要有两个方面，一是水流由上游向下游流动时，由下游桥墩阻水产生对流场的影响而影响到乌龙江大桥桥位的流场。流场计算表明，建有3座桥与建有2座桥在桥位断面的流速分布基本相同，2#和3#桥墩两侧的流速略有减小，主流区的流速略有增加，离桥墩越远，流速增加值越大。二是当涨潮流时，原来由乌龙江大桥桥墩直接受涨潮流作用，在乌龙江大桥复线桥建成后，涨潮流首先作用于复线桥桥墩，在桥后形成卡门涡，乌龙江大桥桥墩处于此涡内，流速会减少，由于涨潮流流速较落潮流要小，故其对乌龙江大桥桥墩的影响程度较落潮流要小。

第四座桥福平铁路乌龙江大桥于2019年1月合龙，位于乌龙江大桥的上游约180m处，模拟范围内有3个桥墩，相对于乌龙江大桥桥墩为1#、2#、4#，并与乌龙江大桥桥墩成对口布置。福平铁路乌龙江大桥的建设对2#桥墩周边流速影响最大，其周边流速减小最多，3#桥周边流速略有降低，其他点流速均有增加。

第五座桥福厦高铁乌龙江大桥目前正在建设，位于乌龙江大桥的上游约70m处，模拟范围内有2个桥墩，相对于乌龙江大桥桥墩为1#、4#所在位置，并与乌龙江大桥桥墩成对口布置。由于模拟计算区是以乌龙江大桥的断面为参考构建的断面模型，福厦高铁乌龙江大桥的两个桥墩在模拟区中均在岸滩上，其上下游已建桥梁桥墩已对水流进行了调整，故福厦高铁乌龙江大桥建设后对乌龙江大桥流态的影响不大，由于桥墩的束窄作用，断面流速较4座桥时均略有增加。福厦高铁乌龙江大桥的建设对乌龙江大桥周边流速影响较小，其上下游流速略有增加。

通过数值模拟分析工况1(径流)、2(潮流)条件下，乌龙江大桥桥墩周围的水流特征，主要结论如下：

(1)为满足乌龙江通航要求，闽江南港群桥建设的桥墩为降低对乌龙江大桥的桥墩影响，均建成与其成对口布置，群桥建设后，导致行进水流对乌龙江大桥桥墩的直接作用有所下降，以乌龙江桥大桥墩2#为例，单向径流作用(工况1)，单桥时流速为2.90m/s，5座桥时流速为2.06m/s；潮流反复作用下(工况2)下，单桥时流速为1.82m/s，5座桥时为1.27m/s。计算结果表明，群桥建设后，改变了水流结构，使得乌龙江大桥桥墩周边的流速有所降低；由于其它桥梁桥墩的束水作用，断面其他测点流速略有增大，以乌龙江大桥桥孔中间为例，工况1条件下，单桥流速为2.69m/s，5座桥时流速为2.89m/s；工况2条件下，单桥为1.68m/s，4座桥时为1.79m/s。桥墩附近水流流速的变化差值与来流水量大小，桥墩形状、桥梁间距等因素均有关系。

(2)福厦铁路乌龙江大桥位于乌龙江大桥上游220m处，其建设相对其他桥梁建设对乌龙江大桥的影响最大，径流作用(工况1)下，乌龙江大桥2#桥墩附近流速从单桥为2.90m/s变为2.41m/s， 5座桥时为2.06m/s，3#桥墩附近流速从单桥为2.90m/s变为2.48m/s，与 5座桥时为2.53m/s时相近；复线桥位于乌龙江大桥下游50m，在潮流作用(工况2)下，乌龙江大桥2#桥墩流速由1.55m/s减小至1.50m/s，3#桥墩流速1.75m/s减小至1.55m/s，主要是由于涨潮时复线桥桥墩会阻挡水流对乌龙江大桥桥墩的直接作用，使其桥墩周围流速降低，由于桥墩的束窄，桥墩中间流速略有增加。福平铁路乌龙江大桥和福厦高铁乌龙江大桥位于福厦铁路桥与乌龙江大桥之间，它们的建设对乌龙江大桥影响相对较小。

综上所述，群桥建设改变了桥墩周边水流结构，径流与潮流对桥梁周边水流结构的影响规律基本一致，径流作用大于潮流作用。

3 乌龙江大桥桥墩河床冲刷

单座桥时桥墩周边流速大于5座桥时周边流速，单座桥时在单向径流作用下最大流速2.90m/s，径流和潮流双重作用下最大流速1.82m/s。本次选取流速较大的单座桥进行桥墩冲刷规律进行研究。河床冲刷研究取河床地面平均高程-25m作为河床底，1#、4#桥墩位置地面高程为0m以上，主要研究对象为2#、3#桥墩河床冲刷。模拟计算至冲刷稳定后，乌龙江大桥桥位处河床冲刷变化如图5所示。

在单向径流作用下，乌龙江大桥桥位断面的冲刷平均深度为4.52m，局部冲刷坑最大深度为12.52m；径流和潮流双重作用下，乌龙江大桥桥位断面的冲刷平均深度为1.77m，局部冲刷坑的最大深度为7.84m。

工况1、2条件下工程区局部冲刷深度随时间的变化如图6所示。

图6 乌龙江大桥局部冲刷深度随时间的变化

桥墩受到水流持续作用过程中，桥墩附近局部冲刷深度逐渐增加，速度先快后慢，直至趋于稳定。在径流作用下河床冲刷深度及冲刷区域范围均比在径流和潮流双重作用下要大。河床流速对冲刷坑的形成影响显著，流速愈大，对冲刷坑的深度及影响范围愈大。

4 结论与建议

(1)在径流和潮流双重水动力作用下，群桥建设改变了河道水动力条件，密集的桥墩使得工程区水流条件复杂、流态紊乱，群桥建设后，行进水流对乌龙江大桥桥墩的影响变小，其桥墩周边流速变小，越靠近桥墩，流速减少越多。单向径流作用比潮流作用降低减少值大，由于桥墩束窄了河道，在断面其他位置，流速则略有增大。

(2)径流与潮流对桥梁周边水流结构的影响规律基本一致，桥墩周边局部冲刷深度逐渐增加，速度先快后慢，直至趋于稳定，径流作用下桥墩冲刷深度要大于潮流作用下桥墩冲刷深度。

(3)模型分析的闽江南港河道洪潮水动力作用对桥梁工程的影响规律，可为闽江南港峡口段群桥桥墩及涉河建筑物的防护提供指导。建议对乌龙江大桥桥墩冲刷进行实时监测，并对监测结果进行分析，及时了解桥墩的冲刷情况，及时采取相应的防护措施，确保桥梁安全稳定运行。