弯曲分汊河段桥区通航水流条件及通航孔调整净宽分析*

胡宝瑶，江 涛，邓 涯，马爱兴，胡 颖

(1.江西省港口集团有限公司，江西 南昌 330008；2.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；3.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；4.南京水利科学研究院，港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)

我国部分通航河流上的老旧桥梁在建设初期并未进行充分的航道通航安全影响评价论证，尤其是在弯道、分汊等河势与通航环境复杂河段。随着社会经济的不断发展，沿线航道等级逐渐提升，通航船舶日益大型化，此类桥梁往往成为关键的制约性节点和海事风险的高发区域。因此，复杂通航环境下老旧桥梁通航安全的改善一直是水运工程领域的关注热点之一。

在弯道河段，河道主流受离心力的影响，存在横向环流、二次流等复杂水流特性，尤其在连续性弯道或S形弯道，河道主流还存在由上一个弯道凹岸向下一个弯道凹岸偏移的趋势[1-2]，在中枯水期尤为明显。因此如此复杂水流环境的弯道河段一般不建议作为跨河桥梁的选址[3-4]。但受限于时代背景或线位走向、区域规划等因素，在弯道处也有建桥，关于其通航净宽的论证研究也很丰富，主要落脚于包含紊流[5]、水流与桥轴线法向交角等因素在内的净宽加宽值[6-8]。

分汊河段由于主流分成两汊或多汊，在中枯水期水流动力轴线出现较大的偏转[9-10]，导致水流与桥轴线法向出现较大偏角，航道范围内易形成横流，影响通航安全[11]。此外，未建设控制性倒流工程的分汊河段还可能存在周期性的主汊、支汊转换，也不利于航道条件的稳定。因此，也不是建桥的优良选址。许多学者对分汊河段桥梁净宽也开展了论证研究，主要集中于加宽值的论证[12-15]。

可见，弯道或分汊河段桥梁受复杂的水流环境，导致桥区航道内水流与桥轴线法向交角较大、横流明显，海事风险较高。因此，在桥梁已建的情况下，有必要针对改善桥区通航安全环境的措施进行探讨。

以修建于20世纪90年代初、位于弯道分汊河段的赣江丰城公路大桥为例，通过建立14.7 km二维水流数学模型，计算与分析河道水流特性、通航孔内和桥区内通航水流条件，探讨调整通航孔对改善桥区通航环境的可行性，为类似弯曲分汊河段老旧桥梁通航环境改善提供借鉴。

1 赣江丰城公路大桥概况

丰城赣江公路大桥位于江西丰城市境内，于1992年11月建成通车，全长1.21 km，设计四孔通航，目前为中间的1#(上行)、2#(下行)两孔通航，通航孔跨径70 m、墩宽2.5 m，见图1。桥址处于赣江高等级航道樟树—南昌段，航道规划等级为Ⅲ-(3)级，通航代表船型为1 000吨级。

图1 桥址附近河势及水文测验布置

受历史发展局限性所制，在桥梁建设时期并未充分开展航道通航影响评价论证工作。桥址处于弯道河段中间，下游水流分汊，受左汊吸流影响，在中洪水时期(5 000～8 000 m3/s)，1#和2#孔内桥轴线法线方向与水流交角较大(>5°)，实际桥跨70 m小于满足Ⅲ级航道跨河建筑物净宽要求的桥跨计算值(85 m和97 m)。同时，桥址上游670 m有一礁石(高程10.5～16.2 m)邻近主航道，在中水时期(3 000 m3/s左右)时隐时现，极易造成船舶触礁；桥址左侧上游150、270 m各有1处丰城电厂的排水口(流量40、44 m3/s)，进一步增加了1#和2#孔桥区附近水流条件的复杂性，导致海事风险偏高，近年来也造成多名船员伤亡和船舶翻沉事故。由于海事高发期主要在中水及中洪水期，而下游龙头山枢纽为径流式电站，且未竣工，因此需开展丰城公路大桥通航孔调整相关研究。

2 二维水流数学模型的建立与验证

2.1 模型的建立

考虑到丰城公路大桥桥区附近S形弯道、下游两级三汊的河势特征，以及龙头山枢纽(上距桥址10.1 km)回水的影响，所建立的二维水流数学模型上起丰城公路大桥上游4.6 km(丰城铁路桥上游2.9 km)，下至龙头山枢纽，全长14.7 km，模型范围见图2。

根据地形特征对计算域进行网格剖分，纵、横向网格尺寸分别为20、30 m，丰城公路大桥桥区内网格进行局部加密，纵向和横向均为5 m，所有涉水桥墩均采用出水边界处理，网格尺度在0.5～1.0 m。整个计算网格结点约111 605个，单元221 388个。

图2 二维水流数学模型范围

河道内糙率是个综合影响因素，需要考虑河床组成、床面形态以及边滩上植被覆盖情况等。根据实测水文资料，研究河段主槽内糙率在0.018～0.022，浅滩或边滩内的糙率在0.025～0.035，与赣江其他相似河段糙率的选取基本一致。

2.2 模型验证

采用2016年4月28日赣江实测中洪水期水文资料进行验证，测量期间上游来流较为平稳，流量为5 200 m3/s，下游丰城水位站实测水位为18.84 m。水文资料包括丰城公路大桥桥区范围及上下游的沿程5把水尺和4个断面流速分布，验证结果见表1和图3。

表1 沿程水位验证结果 m

图3 各测流断面流速分布验证

数学模型计算的沿程水位与实测资料基本一致，误差在±3 cm以内；沿程4条断面流速分布与实测资料符合较好，断面流量误差在±5%以内，均满足JTS/T 231—2021《水运工程模拟试验技术规范》[16]要求。

3 桥区通航水流条件分析

龙头山枢纽径流调节能力为日调节式，目前尚未竣工，考虑到未来枢纽回水的影响，研究工况分为枢纽运行前的天然状态和枢纽运行后两大类，6个特征流量的选取见表2，其中天然状态下枢纽坝址水位按历史水位流量关系确定，枢纽运行后按调度方式确定[17]。

表2 研究工况

3.1 河道流场、流速与流线

天然状态下，丰城公路大桥桥区河段主流流速在0.5～3.0 m/s(最小通航流量388 m3/s至天然最大通流量19 900 m3/s)，其中中枯水期(388～3 640 m3/s)桥区主流流速一般在0.5～1.5 m/s，洪水期(11 100～ 17 600 m3/s)桥区主流流速达2.0～3.0 m/s(图4)。

图4 天然状态不同流量下河道流速分布

桥区河段呈S形弯曲，主流自上游北侧凹岸向桥址南侧凹岸偏移，受下游两级三汊河势影响，中枯水期三汊分流、主流居中，桥轴线法向与水流交角相比上游加大，其中1#、2#孔受北汊吸流影响，交角明显大于南侧的3#、4#孔；随着流量增加，下游水位漫滩、主流趋直，桥区流线曲率半径增大、平顺，见图5a)。

下游龙头山枢纽运行后，桥区位于枢纽回水区段，在中枯水期枢纽高水位运行下中洲、新洲基本淹没，河道水流流速一般在0.25～0.50 m/s，下游流线也较为平顺；在洪水期，枢纽由控泄逐渐过渡为畅泄，桥区水流接近于天然状态，见图5b)。

图5 天然状态与枢纽运行后桥区流线特征(单位：m3/s)

3.2 通航孔内通航水流条件

根据桥区河道水流特性计算结果，选取桥1#～3#孔中心点，对各流量下通航水流特性(纵、横向流速和交角)进行分析，结果见图6。

1)天然状态下。随着河道流量增加，孔中心处纵、横向流速相应地呈增大趋势，南侧3#、4#孔增幅较小。在天然最大通航流量下1#、2#孔纵、横向流速值分别为2.93、3.02 m/s和0.31、0.19 m/s，而3#、4#孔内纵、横向流速值分别为2.73、2.53 m/s和0.01、0.08 m/s，3#、4#孔内更小。

1#～4#孔内水流与桥轴线法向交角则表现为随着流量增加而减小，同样，南侧3#、4#孔减幅较小。设计流量下1#、2#孔内交角分别为17.8°和14.6°，而3#、4#孔内分别为9.4°和4.9°，3#、4#孔内更小；在洪水期，3#、4#孔交角基本在7.5°以下，而1#、2#孔基本在8°以上。

整体而言，4个孔内的纵、横向流速和交角基本表现为由北向南依次减小的规律，3#、4#孔内通航水流条件优于1#、2#孔。

2)龙头山枢纽运行后。不同流量下4个通航孔内纵、横向流速变化趋势和幅度与天然状态相比基本相似；孔内交角无明显增大或减小趋势，与天然状态下递减趋势不同，基本维持在平均值上下小幅波动变化。

枢纽运行前、后差异主要在于中洪水期受枢纽回水影响，河道流速和流线曲率均有大幅减小，洪水期基本恢复到天然状态。

图6 天然状态与枢纽运行后桥孔内通航水流特性

3.3 桥区范围内通航水流条件

考虑到桥区河段弯曲、分汊，河势较为复杂，以南侧3#、4#孔为例，进一步对桥区内的通航水流特性进行分析，结果见图7。

在枢纽运行前后的各流量级下，南侧3#、4#孔所在中心线(上游4倍船长、下游2倍船长，代表性船队尺度为长160.0 m、宽10.8 m、吃水2.0 m)沿程纵向流速先增后减，峰值在桥址上游200 m，分别为2.95和2.63 m/s；横向流速和交角均表现为两头大、中间小的特征，3#、4#孔横向流速分别小于0.35、0.21 m/s，桥址上游500 m至下游100 m范围内交角不大于10°；枢纽运行前后差异也主要在中枯水期对横流和交角的改善上。

4 通航孔调整

根据《丰城赣江公路大桥改善通航条件研究报告》[18]，1#～4#通航孔最小净高为10.5 m，满足Ⅲ-(3)级净高不小于10.0 m的要求，4孔内航道水深在3.5～8.0 m，水深条件良好。因此，对通航孔调整的分析主要是结合航道水流条件分析桥梁的净宽满足情况。

在前文通航水流条件计算与分析的基础上，对相对较优的3#、4#孔通航净宽按照GB 50139—2014《内河通航标准》附录C进行计算与分析，横流引起的净宽增加值和交角取值跟据桥区通航水流特性计算结果确定(图7)。

图7 3#孔天然状态与枢纽运行后桥区通航水流特性

由于桥区河势弯曲，横流和交角均为两头大、中间小，因此对原航线进行首尾优化(图8)。在净宽增加值计算时，选取桥位上游2倍船长至下游1倍船长范围内的最大值。天然状态下，3#和4#孔的横向流速取值分别为0.15、0.1 m/s，交角为17.2°、15.8°；枢纽运行后，横流取值与运行前一致，交角为9.3°和11.8°。

图8 桥区原航路与优化后航线

经计算，天然状态下3#和4#孔的桥跨要求值分别为68.2和67.5 m，枢纽运行后桥跨要求值分别为64.9和65.8 m，均小于桥梁实际跨度70 m，也远小于1#、2#孔的要求值(85和97 m)，满足单向通航净宽要求。

可见，丰城公路大桥通航孔由北侧1#、2#调整为南侧3#、4#，通航水流条件明显改善，净宽也满足相关标准要求，可改善桥区的通航环境、降低海事风险。

5 结论

1)建设于S形弯道、多汊复杂河段的老旧桥梁，在中枯水下水流与桥轴线法向交角均较大，通航安全风险较高，在下游枢纽回水作用下将有所改善。

2)各级流量下，弯道凹岸侧下接主汊的南侧3#、4#孔内的横流和交角，均明显小于北侧下连左支汊的1#、2#孔，枢纽运行后交角小幅变化。

3)受弯曲河势影响，桥区范围内横流、交角沿程变化均表现为两头大、中间小，桥梁净宽计算时应结合弯道航线布置，合理确定横流和交角取值。

4)丰城公路大桥通航孔调整为凹岸侧3#和4#孔后，桥区通航水流条件明显改善，净宽尺度也满足相关标准要求，说明该调整方案可行。