跨北街水道特大桥防洪评价物理模型试验分析

　　江珠高速北延线跨北街水道特大桥位于西江干流北街水道古猿洲下游 0.74km 处（拟建工程地理位置如图 1 所示），拟建桥梁上游 1.2km 处为北街水道与江门水道分流口，下游 2.0km 处为北街水道与西江干流汇入口。西江北街水道是珠江三角洲主要的泄洪通道，排洪流量大且流路变化复杂，北街水道古猿洲右岸岸线转折处即为历史险段。江珠高速北延线跨北街水道特大桥共有 4 个桥墩坐落于北街水道河段内（主墩 2 座、边墩 2 座），桥墩轴线与水流方向呈 30°夹角。受桥墩绕流影响，桥墩阻水效应较为明显，桥墩对河道局部流态及河道动力轴的改变也较为显着，桥墩对水流会造成挑流作用，将河道主流挑向岸边，造成河岸堤围的冲刷。此外，拟建桥梁靠近左岸主墩与左岸堤脚的最近距离仅 45m，靠近右岸边墩与右岸堤脚最近距离仅 5m，桥墩贴近河岸易挤压水流，使靠近桥墩附近的岸边流速急剧增加，引起堤脚的强烈淘刷，直接威胁堤围安全。为了避免北街水道特大桥的建设对北街水道防洪安全、河势稳定及堤围安全造成较大的不利影响，开展江珠高速北延线跨北街水道特大桥防洪评价物理模型试验研究十分必要，以此评估拟建桥梁对河道防洪安全、河势稳定及堤围安全的影响，并提出相应的补救工程措施，为水行政主管部门决策提供科学依据。【图1】

　　1 河道河势及跨河桥梁概况

　　1.1 河道河势
　　拟建桥梁所在的河道属西江干流北街水道，工程所在的北街水道属弯曲河道，工程所在的北街水道属弯曲河道，在古猿洲上游河段相对顺直，河宽约 950m，主槽水深在 5m~8m 之间，左岸滩地发育，滩面高程在 2.2m 左右，滩面宽达 150m ；古猿洲洲头处右岸为江门水道分流口，古猿洲将河道分为两汊，其中右汊河道较窄，水深较大，河道右岸迎流顶冲形成险段，左汊河宽约为 360m，平均水深约为 7m，水流较为平顺，出古猿洲，河道放宽，进入向右弯曲河道，主流偏于右岸，拟建北街特大桥即位于该河段，河宽约 640m，主槽水深在 8m 左右 ；至江门电厂河段，河道束窄，河宽仅 300m 左右，两岸凸起岸线形成卡口，河段右岸处深泓逼岸，水深超过 15m，河岸淘刷严重，出狭口河道顺直微弯，主槽水深超过 10m，右岸有一大型码头平台，河段往下游汇入西江干流。

　　1.2 跨河桥梁概况
　　北街水道特大桥位于北街水道与江门水道分流口下游 1.5km 位置，北街特大桥线路基本为东北—西南走向，桥轴线与水流方向斜交，桥墩轴线与水流约成 30°夹角，桥址断面河宽约530m-620m。主桥下部结构共有 4 个桥墩落于北街水道河道内，1#、2# 桥墩为主墩，3#、4# 桥墩为边墩。主墩承台采用 2 级承台设计，下级承台采用矩形设计，承台尺寸为 31m×28m×5m，上承台采用变截面矩形墩，承台高 4m。下部截面尺寸为 24m×22m，上部截面尺寸为 20m×18m。边墩承台采用方形设计，承台尺寸为 9.1m×9.1m×4m。

　　主墩下级承台出露河床约 4m，边墩承台位于河床高程以下。主墩桥墩下缘高程为 6.547m，高于300 年一遇设计洪水水位。边墩桥墩为矩形设计，边墩尺寸为 4.5 m×3.0m，边墩下缘埋于河床面以下约 0.5m。

　　2 物理模型设计
　　
　　根据试验研究的目的、内容和要求，以及模型试验的相似理论，按 Froud 准则设计模型为变态模型，考虑到模型的糙率易于满足相似条件，模型的变率不宜过大。此外，还需考虑到试验场地、供水等条件 , 选取模型的平面比尺 ，垂直比尺，变率 e=2，流速比尺 ，流量比尺 ，时间比尺 。

　　根据相关规程，研究河段上、下游的过渡段为河宽的 3~5 倍，大桥处河宽约 550m，由此确定模型模拟范围为上边界截取至桥址上游约 3.7km处，下游边界截取至桥址下游约 2km 处。

　　模型依实测地形图按几何相似制作，用水泥沙浆磨面。试验河段布置 14 个主要测流断面，在1#、2# 桥墩处分别布置 8 个水位监测点（如图 2所示）。模型验证试验表明，在各级流量条件下，通过糙率调整，模型实测水位误差均在 6% 以内 ;平面流速分布形态与原型相似，最大流速误差在5% 以内。因此，模型率定结果较好，符合河工模型试验规程要求。【图2】

　　
　　3 工程对河道水位变化的影响
　　
　　物理模型试验结果显示 ：兴建北街水道特大桥后，共有 4 个桥墩位于北街水道过流断面内，其中 2 个主墩和 2 个边墩，且桥轴线与水流方向斜交，这些桥墩由于占用河道行洪过流面积，对桥墩上游河道一定范围内产生阻水作用，减小了桥位断面河道的过水断面面积，使桥位上游的局部区域内水位壅高，其下游水位则有所降低。不同水文条件下，上、下游水位的变化在定性上是一致的，定量上则有所不同。

　　当上游洪水频率为 300 年一遇时，工程上游1.5km 处古猿洲已大部分被淹没，工程修建后桥墩上游近区出现较为明显的阻水和绕流现象，表 1为工程兴建前后桥墩上游壅水统计结果，结果显示，桥位断面上游壅水最大值为 0.12m，位于 2#桥墩墩前 10m 处，1# 桥墩桥前近区最大壅水值略小，为 0.11m（墩前 10m 处），向上游壅水值逐渐降低，桥墩上游 100m、200m 处壅水值分别为 0.05m和 0.03m，至桥墩上游 500m 处水位已无变化。【表1】

　　当上游来流分别为 100 年、50 年、30、20 年一遇频率洪水时，拟建北街特大桥桥墩影响范围内水位壅高值随着流量的减小呈减小的趋势，并且向上游随着与工程距离的增大而逐渐减小，壅水影响在桥位上游 500m 范围内。
　　
　　4 工程对河道流速流向变化的影响

　　由于桥址所在的河段为弯曲河道，且桥墩轴线与水流方向成 30°左右的夹角，从不同水文条件下工程前后河道流速变化看，存在以下规律 ：

　　首先，兴建大桥工程后，两桥墩束窄了河道行洪过流面积，改变了墩前水流流向，桥墩上游近区出现较为显着的阻水和绕流现象，墩头冲刷，桥墩尾部一定范围产生低流速涡流区；其次，由于桥墩挤压水流，桥墩之间水域流速增加，主墩之间水域流速大幅增加，左岸 1# 桥墩离左岸河岸较近，桥梁兴建之后，左岸岸边流速显着增大 ；第三，桥址位置位于河流弯道，由于桥轴线与水流方向斜交，桥墩将水流挑向凹岸，主流略向右岸偏转，而桥墩下游右岸近区受桥墩的遮蔽作用，贴岸流速有所减小，而右岸下游稍远的河道右岸流速有所增加，这主要是由于斜交桥墩的挑流作用与桥墩对下游近区弯道凹岸的遮蔽作用的叠加，改变了弯道水流特性，导致弯道凹岸顶冲点向下游移动。

　　物理模型试验结果（表 2）显示，洪水工况下，工程后面、底流速增加最大值分别为 0.78m/s、0.63m/s（P=0.33%），位于 1# 桥墩贴近左岸处 CSV桥轴线 -1 点，面流向变化最大值为 23°，位于2# 主墩上游正上方②测点位置，底流向变化最大值为 30°，位于 1# 主墩右侧近区⑤测点位置。表2 为工程后面、底流速变化最大值及其位置。【表2】

　　从流速变化的影响范围看，洪水工况下，最大流速变化 0.10m/s 范围集中在桥轴线附近的上游约 170m（CSV7）～下游约 280m（CSV11）之间区域，最大流向变化 10°范围集中在桥墩近区 50m 范围内。

　　工程后由于 1# 桥墩对水流的挤压作用，河道左岸桥轴线近区流速增加增幅较大，左岸桥轴线上游 50m 至下游 150m 岸边流速增幅幅度大多超过20%，左岸上游 50m 以外区域流速小幅减小 ；而桥轴线右岸位于弯道河段弯顶处，工程后由于 2#、3#、4# 桥墩的遮蔽作用，弯顶顶冲效应有所缓解，改变其弯道水流特性，弯道顶冲点下游，桥址附近右岸岸滩处面流速有小幅减小的趋势，而底流速则有所增大，但增幅亦在 10% 以内。

　　5 补救工程措施建议

　　拟建桥梁 1# 主墩及 4# 边墩距离两岸堤脚较近，其中靠近左岸的 1# 主墩距离左岸堤脚最近距离仅 45m，靠近右岸的 4# 桥墩落于右岸边滩之上，距离右岸堤脚最近距离仅 5m。桥墩（特别是桥墩尺寸较大的主墩）贴近河岸易挤压水流，使靠近桥墩附近的岸边流速急剧增加，引起堤脚的淘刷，直接威胁堤围安全。

　　根据试验结果，桥轴线左岸上游 50m 至下游150m 岸边流速增幅幅度大多超过 20% ；右岸桥址上下游 100m 范围内底流速也有所增加，增加幅度在 10% 以内 ；右岸下游 1000m 处江门电厂岸线转折处流速也有所增加，但增加幅度在 5% 以内。岸边流速的增加将加剧堤脚的淘刷，尤其是左岸桥址近区，贴岸流速增加幅度大，对左岸堤脚的淘刷作用将较为强烈。因此，为保证河段堤围安全，建议对桥轴线左岸上游 100m 至下游 150m 及右岸上下游 50m 范围采取堤围防护措施 ；此外桥梁施工期及桥梁兴建后，应加强桥址两岸上游 500m 至下游 1000m 区域范围内堤防稳定监测。

　　6 结论

　　采用物理模型试验方法，合理选取不同频率洪水对其在工程前后及建桥前后的水面线以及流速分布试验结果进行了对比分析，并评价了拟建桥梁对所在河段及堤防工程的影响，提出相对补救措施及建议，得出如下主要结论 ：

　　（1）工程前后水位变化显示，由于桥墩阻水，桥墩上游水位有所壅高，洪水工况下，工程后水位壅高最大值均位于桥墩上游墩前 10m 近区，最大壅高值为 0.12m，且水位壅高范围向上游迅速减小，工程建设对防洪水位影响不大。

　　（2）工程建设给桥址上下游一定范围内的流速和流态带来影响和改变，受到桥墩束水和桥墩挑流作用，两岸堤防附近的流速均有所加大，对桥址两岸堤防安全和河势稳定带来一定影响，须对堤防采取一定的工程措施，以减小对两岸堤防的冲刷和河势的影响。

　　（3）根据试验结果，左岸桥址近区，贴岸流速增加幅度大，对左岸堤脚的淘刷作用将较为强烈。为保证河段堤围安全，建议对桥轴线左岸上游 100m 至下游 150m 及右岸上下游 50m 范围采取堤围防护措施 ；此外桥梁施工期及桥梁兴建后，应加强桥址两岸上游 500m 至下游 1000m 区域范围内堤防稳定监测。

　　参考文献：

　　[1] 钱宁，张仁，周志德.河床演变学[M].北京：科学出版社，1987.
　　[2] 惠遇甲，王桂仙 . 河工模型试验 [M]. 北京：中国水利水电出版社，1999.
　　[3] 孙东坡，王後，王国栋 . 桥渡群壅水特性及对河势演变的影响［J］. 人民黄河，2007，( 11)：29-30.