重庆南纪门长江大桥桥区河段 通航水流条件模型试验

何进朝 李霞

摘 要：重庆南纪门长江大桥位于长江与嘉陵江汇合口上游约4.6km处，桥区河段既受三峡水库回水影响，也受嘉陵江洪水顶托影响，同时兼具山区河流特性，又位于瑚坝江心洲尾部分汊河段，且紧邻龙碛子滩险，通航条件十分复杂。为研究大桥建设对桥区河段通航水流条件的影响，通过定床物理模型对不同桥墩布置及桥梁跨度方案进行了试验研究，揭示了不同特征流量条件下水位、流速、流态等水力要素的变化情况，研究成果可为合理确定通航孔跨度及桥墩位提供技术支撑。

关键词：物理模型;通航水流条件;通航孔跨度

中图分类号：U443.22       文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）12-0124-03

拟建的南纪门长江大桥位于长江猪儿碛水道，下距长江与嘉陵江汇合口约4.6km，既有石板坡大桥及其复线桥下游约470m、菜园坝长江大桥下游约1.6km。桥区河段处于三峡水库变动回水区，既受三峡水库回水影响，也受嘉陵江洪水顶托影响，同时兼具山区河流特性，航道条件十分复杂。桥位受规划预留、两岸建筑、站点设置等因素限制，规划走廊仅有35m左右，桥位唯一;桥位处于珊瑚坝江心洲尾部分汊河段，且紧邻龙碛子滩险，同时桥跨受轨道专用桥刚性要求和两岸滨江路限制，无法一跨过江，必须依托水中墩柱，桥墩布置限制因素众多，通航环境非常复杂。为此，本研究通过物理模型试验来研究建桥对桥区河段通航水流条件的影响，以为合理确定桥梁跨度和桥墩布置提供重要技术支撑。

1桥型方案

结合桥区河段航道条件与通航环境特点，设计单位先期提出主跨450m的双塔斜拉桥初步设计方案，河床中布置2个主墩和4个边墩;依托模型试验结果，分析流速、流态并结合船舶航路航法等因素，先后提出了保持右主墩位置不变、主跨增至480m的修改方案一，以及主跨维持480m、左、右主墩在方案一基础上整体左移30m的修改方案二。

2 模型设计及验证

定床模型范围上起鹅公岩长江大桥，下至朝天门河口略上的玄坛庙，模拟河段长度约9km，平面比尺1：150的正态模型。经计算，模型试验最小流量Q=8720m3/s时，浅段最小水深8.0m，模型相应水深Hm=5.3cm>3cm，满足不受表面张力影响的限制条件。

定床模型采用2015年4月实测地形图制模，并采用同步观测的水面线、断面流速分布及流态等进行验证。验证结果表明，模型沿水面线、流速分布规律及大小以及流态与原型实测基本吻合，满足相关规程的要求。

3 通航水流条件模型试验

3.1 试验条件

从实测的水文资料来看，长江重庆段来流具有典型的山区河流特点，枯水期时间长，中水期不明显，洪水期陡涨陡落。受三峡水库回水影响期间，桥区河段流速一般较缓，建桥对通航水流条件的影响有限，因此本次重点研究脱离三峡水库回水影响期间大桥河段的水流条件，同时考虑主城区河段通航主要受铜锣峡管制影响、遇P=20%洪水以上时已基本封航等实际情况，确定本次模型试验工况如表1所示。

3.2 水位变化试验成果分析

大桥建成后，因桥墩的阻水作用会在上游河段的一定范围内产生壅水。表2统计了不同桥跨方案不同流量下水位壅高情况。

由表2可知，流量为8720m3/s时，大桥右主墩不涉水，左主墩位于珊瑚坝尾的缓流区，对流速、水位等通航水流条件基本无影响，分析其他4级流量的水位壅高值情况可知：工程后桥轴线上游1580m范围内水位壅高0.03m;桥轴线断面各试验工况下水位均降低了0.02～0.03m;随着流量的增大，桥位上游水位壅高值逐渐加大，壅水范围向上游延伸，当流量达到49700m3/s时，水位壅高达到最大值0.06m;在相同流量、水位条件下，桥跨增大、水位壅高程度逐渐减小，但差值不大。

3.3 流速变化试验成果分析

建桥后，由于桥墩对水流有阻水、绕流和导向作用，使桥位上游的流速较建桥前有所减小，桥位处及下游流速有所增加，主流流速较天然情况变幅-0.15～0.30m/s，其中桥轴线上、下游长约380m河段流速变幅最大。同一方案不同流量下，流量越大，流速增大越明显，其中设计方案在流量为49700m3/s时，流速增大0.34m/s;不同方案同一流量下，桥跨越大，流速增值减小，因此修改方案二各级流量下的流速增值均比其他两个方案的小。

3.4 流态变化试验成果分析

右主墩位于凹岸浅滩，河床较高，枯水期不涉水，中洪水期又位于石板坡大桥桥墩回水区域尾端，建桥前后流态无明显变化;左主墩位于珊瑚坝尾，不同流量下流态变化较明显，对拟建大桥附近河段通航条件影响更大。模型试验表明：当流量为8720m3/s时，左主墩位于珊瑚坝尾的掩蔽区，对主流基本无影响;当Q=25000m3/s时，设计方案左主墩位于主流和珊瑚坝坝尾回流的交替水域，流态较乱、斜流较强，修改方案一左主墩位于回流边缘、偶有挑流，修改方案二左主墩已位于坝尾的掩蔽区内，基本不受汇流的影响;当Q=35600m3/s～49700m3/s时，珊瑚坝淹没，主流逐渐趋直，修改方案一左主墩在石门大桥桥墩绕流带外，但部分水流会从支墩中间斜插入主流影响航道内的流态，修改方案二左主墩绕流基本都位于石门大桥桥墩掩蔽水域内，桥墩中无斜流产生，对主流几乎不产生新的影响。

综上，从水位、流速以及流态等因素的分析可知，修改方案二较其他两个方案对通航水流条件、通航环境及今后的航运发展的影响最小。

4 结论

（1）跨江大桥对通航水流条件的影响程度，取决于桥墩所处位置以及附近河段的流速分布、大小及流态等多个因素。拟建大桥对上游河道沿程水位有一定的壅高作用，在相同流量、水位条件下，桥跨越大、水位壅高程度反而减小，但总体差值不大。

（2）由于大桥的壅水作用，使橋位上游断面流速有所减小，下游流速则有所增大，且同一方案不同流量下，流量越大，流速增大越明显。

（3）拟建大桥最大限度地利用了中枯水期珊瑚坝尾的回流水域以及洪水期上游石板坡大桥桥墩的掩蔽水域，优化了主墩布置，减小了新建桥墩对工程河段通航水流条件的影响。

参考文献：

[1]辜莉娅，闫军，黄蓓蓓，等.武汉黄家湖长江大桥定床物理模型试验研究[J].泥沙研究，2015（6）：14-20.

[2]韩家沱长江大桥方案选择与通航问题的研究[J].水利工程，2010（12）：119-123.

[3]何进朝，李霞，左宁，等.重庆轨道交通十号线南纪门长江大桥工程桥区河段物理模型试验研究报告[R].重庆：重庆西南水运工程科学研究所，2015.