跨北街水道特大橋防洪評(píng)價(jià)物理模型試驗(yàn)分析

1、跨北街水道特大橋防洪評(píng)價(jià)物理模型試驗(yàn)分析江珠高速北延線跨北街水道特大橋位于西江干流北街水道古猿洲下游 0.74km 處（擬建工程地理位置如圖 1 所示），擬建橋梁上游 1.2km 處為北街水道與江門水道分流口，下游 2.0km 處為北街水道與西江干流匯入口。西江北街水道是珠江三角洲主要的泄洪通道，排洪流量大且流路變化復(fù)雜，北街水道古猿洲右岸岸線轉(zhuǎn)折處即為歷史險(xiǎn)段。江珠高速北延線跨北街水道特大橋共有 4 個(gè)橋墩坐落于北街水道河段內(nèi)（主墩 2 座、邊墩 2 座），橋墩軸線與水流方向呈 30°夾角。受橋墩繞流影響，橋墩阻水效應(yīng)較為明顯，橋墩對(duì)河道局部流態(tài)及河道動(dòng)力軸的改變也較為顯著，橋墩對(duì)水

2、流會(huì)造成挑流作用，將河道主流挑向岸邊，造成河岸堤圍的沖刷。此外，擬建橋梁靠近左岸主墩與左岸堤腳的最近距離僅 45m，靠近右岸邊墩與右岸堤腳最近距離僅 5m，橋墩貼近河岸易擠壓水流，使靠近橋墩附近的岸邊流速急劇增加，引起堤腳的強(qiáng)烈淘刷，直接威脅堤圍安全。為了避免北街水道特大橋的建設(shè)對(duì)北街水道防洪安全、河勢(shì)穩(wěn)定及堤圍安全造成較大的不利影響，開(kāi)展江珠高速北延線跨北街水道特大橋防洪評(píng)價(jià)物理模型試驗(yàn)研究十分必要，以此評(píng)估擬建橋梁對(duì)河道防洪安全、河勢(shì)穩(wěn)定及堤圍安全的影響，并提出相應(yīng)的補(bǔ)救工程措施，為水行政主管部門決策提供科學(xué)依據(jù)。1 河道河勢(shì)及跨河橋梁概況1.1 河道河勢(shì)擬建橋梁所在的河道屬西江干流北街水

3、道，工程所在的北街水道屬?gòu)澢拥?，工程所在的北街水道屬?gòu)澢拥?，在古猿洲上游河段相?duì)順直，河寬約 950m，主槽水深在 5m8m 之間，左岸灘地發(fā)育，灘面高程在 2.2m 左右，灘面寬達(dá) 150m ；古猿洲洲頭處右岸為江門水道分流口，古猿洲將河道分為兩汊，其中右汊河道較窄，水深較大，河道右岸迎流頂沖形成險(xiǎn)段，左汊河寬約為 360m，平均水深約為 7m，水流較為平順，出古猿洲，河道放寬，進(jìn)入向右彎曲河道，主流偏于右岸，擬建北街特大橋即位于該河段，河寬約 640m，主槽水深在 8m 左右 ；至江門電廠河段，河道束窄，河寬僅 300m 左右，兩岸凸起岸線形成卡口，河段右岸處深泓逼岸，水深超過(guò) 15m

4、，河岸淘刷嚴(yán)重，出狹口河道順直微彎，主槽水深超過(guò) 10m，右岸有一大型碼頭平臺(tái)，河段往下游匯入西江干流。1.2 跨河橋梁概況北街水道特大橋位于北街水道與江門水道分流口下游 1.5km 位置，北街特大橋線路基本為東北西南走向，橋軸線與水流方向斜交，橋墩軸線與水流約成 30°夾角，橋址斷面河寬約530m-620m。主橋下部結(jié)構(gòu)共有 4 個(gè)橋墩落于北街水道河道內(nèi)，1#、2# 橋墩為主墩，3#、4# 橋墩為邊墩。主墩承臺(tái)采用 2 級(jí)承臺(tái)設(shè)計(jì)，下級(jí)承臺(tái)采用矩形設(shè)計(jì)，承臺(tái)尺寸為 31m×28m×5m，上承臺(tái)采用變截面矩形墩，承臺(tái)高 4m。下部截面尺寸為 24m×

5、22m，上部截面尺寸為 20m×18m。邊墩承臺(tái)采用方形設(shè)計(jì)，承臺(tái)尺寸為 9.1m×9.1m×4m。主墩下級(jí)承臺(tái)出露河床約 4m，邊墩承臺(tái)位于河床高程以下。主墩橋墩下緣高程為 6.547m，高于300 年一遇設(shè)計(jì)洪水水位。邊墩橋墩為矩形設(shè)計(jì)，邊墩尺寸為 4.5 m×3.0m，邊墩下緣埋于河床面以下約 0.5m。2 物理模型設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)研究的目的、內(nèi)容和要求，以及模型試驗(yàn)的相似理論，按 Froud 準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型為變態(tài)模型，考慮到模型的糙率易于滿足相似條件，模型的變率不宜過(guò)大。此外，還需考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地、供水等條件 , 選取模型的平面比尺 ，垂直比尺，

6、變率 e=2，流速比尺 ，流量比尺 ，時(shí)間比尺 。根據(jù)相關(guān)規(guī)程，研究河段上、下游的過(guò)渡段為河寬的 35 倍，大橋處河寬約 550m，由此確定模型模擬范圍為上邊界截取至橋址上游約 3.7km處，下游邊界截取至橋址下游約 2km 處。模型依實(shí)測(cè)地形圖按幾何相似制作，用水泥沙漿磨面。試驗(yàn)河段布置 14 個(gè)主要測(cè)流斷面，在1#、2# 橋墩處分別布置 8 個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖 2所示）。模型驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在各級(jí)流量條件下，通過(guò)糙率調(diào)整，模型實(shí)測(cè)水位誤差均在 6% 以內(nèi) ;平面流速分布形態(tài)與原型相似，最大流速誤差在5% 以內(nèi)。因此，模型率定結(jié)果較好，符合河工模型試驗(yàn)規(guī)程要求。3 工程對(duì)河道水位變化的影響物理

7、模型試驗(yàn)結(jié)果顯示 ：興建北街水道特大橋后，共有 4 個(gè)橋墩位于北街水道過(guò)流斷面內(nèi)，其中 2 個(gè)主墩和 2 個(gè)邊墩，且橋軸線與水流方向斜交，這些橋墩由于占用河道行洪過(guò)流面積，對(duì)橋墩上游河道一定范圍內(nèi)產(chǎn)生阻水作用，減小了橋位斷面河道的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，使橋位上游的局部區(qū)域內(nèi)水位壅高，其下游水位則有所降低。不同水文條件下，上、下游水位的變化在定性上是一致的，定量上則有所不同。當(dāng)上游洪水頻率為 300 年一遇時(shí)，工程上游1.5km 處古猿洲已大部分被淹沒(méi)，工程修建后橋墩上游近區(qū)出現(xiàn)較為明顯的阻水和繞流現(xiàn)象，表 1為工程興建前后橋墩上游壅水統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)果顯示，橋位斷面上游壅水最大值為 0.12m，位于 2#

8、橋墩墩前 10m 處，1# 橋墩橋前近區(qū)最大壅水值略小，為 0.11m（墩前 10m 處），向上游壅水值逐漸降低，橋墩上游 100m、200m 處壅水值分別為 0.05m和 0.03m，至橋墩上游 500m 處水位已無(wú)變化。當(dāng)上游來(lái)流分別為 100 年、50 年、30、20 年一遇頻率洪水時(shí)，擬建北街特大橋橋墩影響范圍內(nèi)水位壅高值隨著流量的減小呈減小的趨勢(shì)，并且向上游隨著與工程距離的增大而逐漸減小，壅水影響在橋位上游 500m 范圍內(nèi)。4 工程對(duì)河道流速流向變化的影響由于橋址所在的河段為彎曲河道，且橋墩軸線與水流方向成 30°左右的夾角，從不同水文條件下工程前后河道流速變化看，存在以下

9、規(guī)律 ：首先，興建大橋工程后，兩橋墩束窄了河道行洪過(guò)流面積，改變了墩前水流流向，橋墩上游近區(qū)出現(xiàn)較為顯著的阻水和繞流現(xiàn)象，墩頭沖刷，橋墩尾部一定范圍產(chǎn)生低流速渦流區(qū)；其次，由于橋墩擠壓水流，橋墩之間水域流速增加，主墩之間水域流速大幅增加，左岸 1# 橋墩離左岸河岸較近，橋梁興建之后，左岸岸邊流速顯著增大 ；第三，橋址位置位于河流彎道，由于橋軸線與水流方向斜交，橋墩將水流挑向凹岸，主流略向右岸偏轉(zhuǎn)，而橋墩下游右岸近區(qū)受橋墩的遮蔽作用，貼岸流速有所減小，而右岸下游稍遠(yuǎn)的河道右岸流速有所增加，這主要是由于斜交橋墩的挑流作用與橋墩對(duì)下游近區(qū)彎道凹岸的遮蔽作用的疊加，改變了彎道水流特性，導(dǎo)致彎道凹岸頂沖

10、點(diǎn)向下游移動(dòng)。物理模型試驗(yàn)結(jié)果（表 2）顯示，洪水工況下，工程后面、底流速增加最大值分別為 0.78m/s、0.63m/s（P=0.33%），位于 1# 橋墩貼近左岸處 CSV橋軸線 -1 點(diǎn)，面流向變化最大值為 23°，位于2# 主墩上游正上方測(cè)點(diǎn)位置，底流向變化最大值為 30°，位于 1# 主墩右側(cè)近區(qū)測(cè)點(diǎn)位置。表2 為工程后面、底流速變化最大值及其位置。從流速變化的影響范圍看，洪水工況下，最大流速變化 0.10m/s 范圍集中在橋軸線附近的上游約 170m（CSV7）下游約 280m（CSV11）之間區(qū)域，最大流向變化 10°范圍集中在橋墩近區(qū) 50m 范圍內(nèi)。工

11、程后由于 1# 橋墩對(duì)水流的擠壓作用，河道左岸橋軸線近區(qū)流速增加增幅較大，左岸橋軸線上游 50m 至下游 150m 岸邊流速增幅幅度大多超過(guò)20%，左岸上游 50m 以外區(qū)域流速小幅減小 ；而橋軸線右岸位于彎道河段彎頂處，工程后由于 2#、3#、4# 橋墩的遮蔽作用，彎頂頂沖效應(yīng)有所緩解，改變其彎道水流特性，彎道頂沖點(diǎn)下游，橋址附近右岸岸灘處面流速有小幅減小的趨勢(shì)，而底流速則有所增大，但增幅亦在 10% 以內(nèi)。5 補(bǔ)救工程措施建議擬建橋梁 1# 主墩及 4# 邊墩距離兩岸堤腳較近，其中靠近左岸的 1# 主墩距離左岸堤腳最近距離僅 45m，靠近右岸的 4# 橋墩落于右岸邊灘之上，距離右岸堤腳最近

12、距離僅 5m。橋墩（特別是橋墩尺寸較大的主墩）貼近河岸易擠壓水流，使靠近橋墩附近的岸邊流速急劇增加，引起堤腳的淘刷，直接威脅堤圍安全。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，橋軸線左岸上游 50m 至下游150m 岸邊流速增幅幅度大多超過(guò) 20% ；右岸橋址上下游 100m 范圍內(nèi)底流速也有所增加，增加幅度在 10% 以內(nèi) ；右岸下游 1000m 處江門電廠岸線轉(zhuǎn)折處流速也有所增加，但增加幅度在 5% 以內(nèi)。岸邊流速的增加將加劇堤腳的淘刷，尤其是左岸橋址近區(qū)，貼岸流速增加幅度大，對(duì)左岸堤腳的淘刷作用將較為強(qiáng)烈。因此，為保證河段堤圍安全，建議對(duì)橋軸線左岸上游 100m 至下游 150m 及右岸上下游 50m 范圍采取堤圍

13、防護(hù)措施 ；此外橋梁施工期及橋梁興建后，應(yīng)加強(qiáng)橋址兩岸上游 500m 至下游 1000m 區(qū)域范圍內(nèi)堤防穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。6 結(jié)論采用物理模型試驗(yàn)方法，合理選取不同頻率洪水對(duì)其在工程前后及建橋前后的水面線以及流速分布試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，并評(píng)價(jià)了擬建橋梁對(duì)所在河段及堤防工程的影響，提出相對(duì)補(bǔ)救措施及建議，得出如下主要結(jié)論 ：（1）工程前后水位變化顯示，由于橋墩阻水，橋墩上游水位有所壅高，洪水工況下，工程后水位壅高最大值均位于橋墩上游墩前 10m 近區(qū)，最大壅高值為 0.12m，且水位壅高范圍向上游迅速減小，工程建設(shè)對(duì)防洪水位影響不大。（2）工程建設(shè)給橋址上下游一定范圍內(nèi)的流速和流態(tài)帶來(lái)影響和改變，受到橋墩束水和橋墩挑流作用，兩岸堤防附近的流速均有所加大，對(duì)橋址兩岸堤防安全和河勢(shì)穩(wěn)定帶來(lái)一定影響，須對(duì)堤防采取一定的工程措施，以減小對(duì)兩岸堤防的沖刷和河勢(shì)的影響。（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，左岸橋址近區(qū)，貼岸流速增加幅度大，對(duì)左岸堤腳的淘刷作用將較為強(qiáng)烈。為保證河段堤圍安全，建議對(duì)橋軸線左岸上游 100m 至下游