基于物理模型的池州长江公铁大桥防洪安全研究.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 0 58-0 4陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023基于物理模型的池州长江公铁大桥防洪安全研究王思腾，魏为（长江水利委员会，湖北武汉4 3 0 0 10）【摘要跨河桥梁的修建对河道水流特性将产生直接影响，水流条件相较于无桥墩干扰时更为复杂，因此，有必要对跨河桥梁建设项目开展防洪影响评价。为评价池州长江公铁大桥建设对河道行洪带来的影响，按相应比尺建立了物理模型，综合分析不同典型水文条件下，拟建工程对水位、流速、流场等河道行洪和防洪的影响，可为优化工程设计方案和行政部门审批提供依据。【关键词物理模型；防洪影响；水力特性；跨河桥梁【中图分类号TV213文献标识码BStudy on Flood Control Safety of Chizhou Changjiang Highway and Railway BridgeBased on Physical ModelWang Siteng,Wei Wei(Changjiang Water Resources Commission,Wuhan 430010,Hubei)Abstract:The construction of cross-river bridges will have a direct impact on the flow characteristics of the river,andthe flow conditions are more complex than those without interference from bridge piers.Therefore,it is necessary to carry outflood control impact assessment for cross-river bridge construction projects.In order to evaluate the impact of the constructionof the Chizhou Changjiang highway and railway bridge on river flood discharge,a physical model was established accordingto the corresponding scale to comprehensively analyze the impact of the proposed project on river flood discharge and floodcontrol under different typical hydrological conditions.It can provide a basis for optimizing engineering design schemes andapproval by administrative departments.Key words:Physical model;flood control impact;hydraulic characteristics;river bridge在河道上修建桥梁后，桥墩不同程度上压缩了河道的行洪断面，水流的方向因此改变，桥墩之间的单宽流量相对增加，造成桥墩附近河床局部冲刷、水位雍高、流速分布不均匀等问题，使桥墩附近和河道内的水流流态、河床演变变得十分复杂。此外，桥下流速增大、流向变化，对河岸也会产生冲刷，这样的结果势必会对桥梁安全、河道防洪安全造成严重威胁。因此，研究桥梁工程对河道行洪影响具有重要的工程应用价值。物理模型试验是研究复杂的水工问题和水流现象及河道范围内修建跨河桥梁工程评价分析最常用的工具，相较于数学模型，是解决复杂的水流问题更为可靠的方法2。本文采用物理模型对池州公铁大桥防洪影响问题进行研究，为设计方案优化，提出减轻和消除行洪影响的措施以及行政审批提供科学依据。1工程概况池州长江公铁大桥位于江口港区下游，距离上游崇文洲洲尾约4.7 km，工程规模为公铁合建，按照4 线铁路+6 车道公路的标准建设，其中两线为合池高铁，两线为预留铁路，公路为6 车道高速公路，为南北高速路网连接线。通过对通航条件、两岸地形及相关规划进行分析，推荐采用江口桥位，以桥梁形式跨越长江。拟建桥址地理位置图见图1。长江贵池河道图1项目地理位置示意图池州长江公铁大桥大通站长江大通河道收稿日期2 0 2 3-0 6-0 5【作者简介王思腾（19 9 0-），男，湖北武汉人，工程师，主要从事质量监督工作。58.第10 期2023年10 月2模型设计相似条件根据本项试验研究的目的、内容和要求，河工模型按重力相似和阻力相似准则进行设计。2.1水流运动相似条件由水流运动方程：auuau+u+VataXoyaXaVaV+u+VataXoyyh可得：重力相似aw=w；阻力相似y=1/a,mHHVL水流惯性相似=；水流连续性相似o=；紊流1限制：Rem1000；模型变率限制:n=tlm(BIH),(610)式中：为平面比尺；为垂直比尺；v为流速比尺；n为河床糙率比尺；。为流量比尺；Rem为模型雷诺数。为保证模型和原体相似，模型水流处于阻力平方区，模型雷诺数Rem1000,根据场地及研究内容确定t=550,垂直比尺拟采用=110。2.2定床模型糙率天然河道糙率系数n=1/ADso，A=f（u l u.），对于长江y=1/6,通过对实测资料推算，天然河道糙率系数n,=0.020.025,取n,=0.023。2用2 cm的人工块体进行梅花形加糙，在验证试验时再作局部调整，以达到模型阻力相似条件要求。2.3模型比尺定床模型所采用比尺结果见表1。表1定床模型比尺表名称符号水平比尺垂直比尺变率流速比尺糙率比尺流量比尺起动流速比尺河床质粒径比尺床沙质粒径比尺床沙质沉速比尺含沙量比尺冲淤时间比尺2.4模型范围及量测系统模型地形采用最新实测地形，模型上起贵池水道新开沟，下至大通水道羊山矶，包含贵池水道和大通水道，模拟长江陕西水利Shaanxi Water Resources约4 2 km长河道。模型水平比尺采用1:550,垂直比尺采用1:110,变率为5。工程处于长江潮区界大通水道，水动力及河床冲淤完全受径流作用，模型试验采用恒定流控制，模型试验上游进水采用量水堰控制流量，下游由推拉尾门控制水位。模型布置见图2。由桥址水位推求尾门水位，建立尾门水位流量关系曲线，确定不同流量下尾门控制水位。模型试验量测系统包括：VDMS粒子流场测量系统；无线通信光电+g+gh=0V+g+gHQ0dd2No.10October,2023旋奖式流速仪；透射散射式含沙量测量仪；激光地形测绘仪；水位测针等。物理模型概貌见图3。=0殷家沟拖船沟扫帚沟新开淘武圣峡2.5试验水文条件定床水动力试验条件：枯水流量、平滩流量、防洪设计流量、二十年一遇流量、百年一遇流量、三百年一遇流量，数值见表2。550110510.50.978963452910.50.960.63.140.0941163河家场下拐铜陵长江大桥营房村羊山机画河枞阳湖东二站双惠闸九海龙闸大通水艾羊港闸梅龙镇下江口拟建池州长江公铁大桥长乐圩池口池州市N图2模型布置图图3 定床物理模型概貌表2 定床试验水文条件定床试验水文条件流量/(m/s)三百年一遇流量104500百年一遇流量96100防洪设计流量95400二十年一遇流量82700多年平均洪峰流量56400平滩流量46000枯水流量165002.6试验测点布置(1)水位测验模型自上而下游左右岸沿程共布置11个测站，测量沿程水位变化。物理模型中桥墩附近局部雍水采用静压管，根据虹吸原理，用测针读取局部雍水。.59.桥区水位/m15.8015.4315.414.7412.1210.14.24第10 期2023年10 月(2)流速测验流速测量共布置16 个测流断面，包括桥址局部上下游断面（桥上游2 km、上游1km、上游50 0 m、桥位、下游50 0 m、下游1km、下游2 km）以及上下游各汉道断面，测量工程前后断面流速及分流比变化。（3）表面流场、流迹线测验模型表面流场试验范围包括桥址上下8 km，表面流迹线试验包括桥址上游4 km至下游6 km范围。3试验成果分析3.1桥址及沿程水位变化工程前，各流量下拟建桥址上下游左右两岸沿程水位见图4 图8，表3 为各级流量下桥址处左右两岸水位。护岸殷家沟枞阳底带下江丰郭港M大通水文站梅九，梅龙闸梅龙镇河拟建池州长江公铁大桥池州市图4工程前枯水流量下桥址附近流态图护摩般家沟枞阳护底带下江丰站郭港闸大通水文站梅龙闸梅龙镇河拟建池州长江公铁大桥池州市图5工程前平滩流量下桥址附近流态图护摩股家沟枞阳滩带护底带池州市图6工程前2 0 年一遇流量下桥址附近流态护摩段家沟枞阳底带下江石丰州郭港M大通水文站儿梅龙闸华梅龙镇河3m/s拟建池州长江公铁大桥池州市图7工程前10 0 年一遇流量下桥址附近流态陕西水利Shaanxi Water Resources图8工程前3 0 0 年一遇流量下桥址附近流态图拟建桥址河段深槽居中近南岸，为单一河槽，上游为池州汉道汇流区，长沙洲左、右汉及凤凰洲右汉三汉汇流，其中凤凰洲右汉分流比5%左右，长沙洲左右汉分流基本接近，目前长沙洲右汉为主通航水道。由于三汉汇流影响，桥轴线上游沿程断面流速分布“M”双峰形态，随着水流交汇整，至天然：04km3m/s湖东二站天然：湖东二站3 m/s天然：04km湖东二站下江丰站邦港大通水文站九，梅龙闸华梅龙镇河+3m/s拟建池州长江公铁大桥天然：04km湖东二站No.10October,2023岸股家沟枞阳下江占江丰站郭港闸大酒水文梅龙闸梅龙镇河3m/s拟建池州长江公铁大桥池州市桥轴位置断面流速分布呈单峰形态，主动力轴线居中，桥轴线以下，主动力轴线略偏南岸。试验表明，工程河段顺直，南北岸水位差较小，二十年一遇洪水流量下两岸水位差约2 cm，百年一遇洪水流量下两岸水位差约3 cm。表3 桥址处各级流量两岸水位多年二十年百年一三百年枯水平滩流量平均一遇洪遇洪水一遇洪流量流量洪峰流量水流量流量水流量4km桥址北岸4.2010.1桥址南岸4.2010.11两岸水位差00.01试验利用静压管测量桥址上、下游沿岸水位变化，沿岸雍水结果见表4。各典型水文条件下，拟建池州公铁长江大桥工程前后南、北岸上下游沿程水位无明显变化，工程前后仅桥址上下游局部水位有所变化，工程对水位影响仅限于桥址上下游较小范围内。试验表明：主跨8 12 m方案工程引起的沿岸雍水主要在桥址上游3 0 0 m范围内，最大雍水位于桥轴线上游50 m位置附近。工程后二十年一遇流量下北岸沿岸最大雍水为2 cm，百年一遇洪水条件下北岸沿岸最大雍水为3 cm；二十年一遇流量下，工程后南岸沿岸最大雍水为1cm,百年一遇洪水条件下南岸沿岸最大雍水为2 cm。表4 主跨8 12 m方案工程后桥址附近沿岸雍水情况单位：m桥上桥上桥上流量/(m/s)位置300 m200 m50m北岸0.000.000.02 0.02-0.01二十年一遇流量南岸0.00 0.010.01北岸0.00百年一遇流量南岸0.00天然：0湖东二站12.1214.7412.1314.760.010.02桥轴线100 m200 m00.01-0.010.010.030.010.024kn15.4315.460.03桥下桥下00.02-0.010.02-0.01单位：m/s15.815.830.0300:60.参考文献第10 期2023年10 月3.2桥址上下游断面流速流向变化拟建桥址河段深槽居中近南岸，为单一河槽。上游为池州汉道汇流区，长沙洲左、右汉及凤凰洲右汉三汉汇流，其中凤凰洲右汉分流比5%左右，长沙洲左右汉分流基本接近约为4 7.5%，目前长沙洲右汉为主通航水道。表5为各级流量下，桥址上、下游断面最大表层流速统计，百年一遇流量下，桥轴线断面表层最大流速为3.6 m/s，最大垂线平均流速为3.4 m/s，三百年一遇流量下，桥轴线断面表层最大流速为3.8 m/s，最大垂线平均流速为3.6 5m/s。表5各级流量下，桥址上、下游断面最大表层流速统计单位：m/s枯水多年平平滩二十年一百年一三百年一断面位置流量均流量流量遇洪水遇洪水桥址上游2.0 km1.242.252.37桥址上游1.0 km1.152.07 2.08桥址上游50 0 m1.081.952.14桥址断面1.132.12.32桥址下游50 0 m1.132.152.36桥址下游1.0 km1.052.162.4桥址下游2.0 km0.971.932.24下江口以下，长沙洲左、中汉交汇水流逐渐进人单一顺直河段，桥轴线上游向上而下沿程断面水流向与桥轴线交角呈减小的趋势。桥轴线上下游2 km范围内各断面水流流向与桥轴线法向交角总体表现为桥区北侧流向略偏南，桥区南侧流向略偏北，但交角均较小，交角基本不超过5，主航道内交角不超过3。工程后，典型水文条件下主跨8 12 m方案流场见图9。由于桥墩阻水作用较小，工程后，桥区流向变化较小，仅限在主墩周边局部区域由于桥墩阻水绕流流向略有变化，桥区上下游主航槽内流向无明显变化。天然：0湖东二站郭港闸九下江口江丰站拟建池州长江公铁大桥图9 工程后典型水文条件下流场图陕西水利Shaanxi Water Resources试验表明，工程实施后由于桥墩阻水，南、北主桥墩下游掩护区内流速出现不同程度减小，水流受桥墩挤压，主跨及两侧边跨内流速有不同程度增加。南主墩位于南侧近岸五更矶下段，床面高程约-2.0 m，北主墩位于深槽近北岸侧，床面高程约-12.5m，根据单宽流量计算，北主墩阻水影响大于南主墩，北主墩对下游产生的影响范围大于南主墩对下游影响。工程河道顺直，百年一遇洪水流量条件下，工程后北主墩下游掩护区影响范围约为3 km，南主墩下游掩护区影响范围约为2 km。桥址下游2 0 0 m断面处北主墩掩护区速减小约0.15m/s，桥址下游2.0 km断面处桥墩掩护区流速减小约0.0 4 m/s。桥址下游2 0 0 m断面处南主墩掩护区速减小约0.10 m/s，桥址下游1.5km断面处桥墩掩护区流速减小遇洪水约0.0 3 m/s。工程后桥轴线以下主河槽内测点流速有所增加，桥址下游0.5km处主槽内测点流速增幅约0.0 4 m/s,随着工程2.893.272.683.022.633.113.213.593.163.533.193.632.883.344km大通水文站梅龙闸华梅龙镇河No.10October,20233.4影响逐渐减弱，桥址下游1.0 km处主槽内测点流速增幅约为3.250.02m/s。工程后南、北近岸流速稍有增加，幅度为0.0 2 m/s0.05 m/s。3.194结论3.8基于重力相似和阻力相似准则建立了池州长江公铁大桥3.78物理模型，研究了桥梁修建对河道水流形态的影响，得出如3.86下结论：(1)工程后沿岸雍水主要在桥址上游3 0 0 m范围内，最3.57大雍水位于桥轴线上游约50 m附近，北岸沿岸雍水值稍大于南岸沿岸雍水值。百年一遇洪水，工程后北岸沿岸最大雍水为3 cm,南岸沿岸最大雍水为2 cm。（2）工程后南、北主桥墩下游掩护区内流速出现不同程度减小，主跨及两侧边跨内流速有不同程度增加。工程后北主墩下游掩护区影响范围约为3 km,南主墩下游掩护区影响范围约为2 km。工程后桥轴线以下主跨及两侧边跨内测点流速有所增加，桥址下游0.5km处主槽内测点流速增幅约0.0 4 m/s，随着工程影响逐渐减弱，桥址下游1.0 km处主槽内测点流速增幅约为 0.0 2 m/s。（3)工程后由于主、辅助墩挤压作用，工程区上游10 0 m至下游4 0 0 m范围内北侧近岸边坡流速增加0.0 2 m/s0.05m/s，上游50 m至下游2 0 0 m范围内南侧近岸边坡流速增加0.0 2 m/s0.03 m/s o1李飞朝.北洺河大桥防洪安全试验研究D.邯郸：河北工程大学,2 0 2 0.2王德志，周彬，李常亮.物理模型试验研究J.大观周刊,2 0 12(35):122.61