（水力学及河流动力学专业论文）桥位河段河床演变与航道整治研究.pdf

摘要 随着我国经济的迅速发展，现代交通网络的建设发展非常迅速，跨河桥梁、 公路桥梁和城市交通桥梁大量兴建，解决了陆路交通的跨河连接问题。由于河道 的特殊性，桥梁建成后改变了天然河道的水流条件，桥位附近的水位变化、河床 冲刷对水面线的影响、水流受桥墩压缩后引起的桥位河段水流的变化、主流沿程 流速的变化和桥孔流速分布等因素使桥位情况变得非常复杂，这样的结果是给安 全留下了很多隐患，可能对桥梁安全、通航安全、航道维护和建设造成严重的影 响，对桥位河段的碍航分析整治研究是具有重要现实意义的。 河床演变分析是桥位河段整治研究的基础，桥位河段的碍航分析可以从河段 的水位、流速，河段内的滩险，演变规律着手。引起桥位河段碍航的原因是复杂 的，可主要归结为：桥梁规划设计不当；斜流，环流等影响通航的水流因素，在 分汊河段和弯曲河段其对通航的影响尤为明显；桥梁建设所在河段的发展演变。 当前，河道工程问题研究的主要方法有：河床演变分析、物理模型试验和数 模计算。本文以武桥水道为研究对象，利用水力学和河流( 海岸) 动力学及相关学 科的理论，确定工程水域的水文、泥沙特征，分析河段的历史演变、近期演变和 演变趋势，分析其碍航特征，提出整治思路；从水流与泥沙运动方程出发，依据 相似原理，进行了本河段的模型设计，经定、动床的模型试验成果分析，对比各 整治方案的优劣，对方案进行优化。 关键词：桥位河段；航道整治；河床演变；河工模型试验 a b s t r a c t 、矾t ho u rc o u n t r y se c o n o m yd e v e l o pr a p i d l y ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h em o d e m t r a n s p o r t a t i o ni sm o r ed e v e l o p e d l o t so ft h eb r i d g e sw e r eb u i l tt os o l v et h ep r o b l e m o fo v e r l a n dc o m m u n i c a t i o nc r o s st h er i v e r b e c a u s eo ft h es p e c i a l i t yo ff i v e rc o u r s e ， t h ef l u e n tc o n d i t i o n so ft h en a t u r a lr i v e rc o u r s ew e r ec h a n g e d t h ec h a n g eo ft h e w a t e rl e v e l ，i n f l u e n c eo fr i v e r b e ds c o u r i n go nw a t e rs u r f a c ep r o f i l e ，t h ec h a n g eo ft h e f l u e n to ft h eb r i d g el o c a t i o nr e a c hc a u s e db yc o m p r e s s i o no ft h ep i e r s ，t h ev e l o c i t yo f t h em a i nc u r r e n tc h a n g e sa l o n gt h ew a y ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nn e a rt h eb r i d g es p a n a n dt h eo t h e rf a c t o r sm a k et h es i t u a t i o nb e c o m e sv e r yc o m p l i c a t e d t h e r ea r em a n y h i d d e nd a n g e r sd u et ot h e s er e a s o n s ，m a ya f f e c tt h eb r i d g es a f e t y , n a v i g a t i o ns a f e t y , w a t e r w a ym a i n t e n a n c ea n dc o n s t r u c t i o n i th a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h e b r i d g el o c a t i o nr e a c h a n a l y s i so fr i v e r b e de v o l u t i o ni sb a s i ct or e s e a r c ho nt h eb r i d g el o c a t i o nr e a c h ， t h en a v i g a t i o no b s t r u c t i o na n a l y s i so ft h eb r i d g el o c a t i o nr e a c hc a nb es e c t i o n so ft h e w a t e rl e v e l ，v e l o c i t y , r a p i d si nt h ew a t e r w a ya n de v o l u t i o nl a wt op r o c e e d t h e r ea r e m a n yr e a s o n sm a yc a u s en a v i g a t i o no b s t r u c t i o no fb r i d g el o c a t i o nr e a c h ，c a nb em a i n l y a t t r i b u t e dt o ：t h ep l a na n dd e s i g no ft h eb r i d g e ；o b l i q u ef l o w , c i r c u l a t i o na n do t h e rf a c t o r s a f f e c tt h en a v i g a t i o n ，i ti sp a r t i c u l a r l ye v i d e n ta tb r a n c h i n gc h a n n e l ；t h ee v o l u t i o no f t h er i v e r c u r r e n t l y , t h e r ea r et h r e ek i n do fm e t h o do nc h a n n e lr e g u l a t i o nr e s e a r c h ： a n a l y s e s o fc h a n n e lr e g u l a t i o n ，e x p e r i m e n to h p h y s i c a lm o d e la n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 。t l l i sa r t i c l et a k e sw uq i a or i v e ra st h er e s e a r c ho b j e c t t a k e a d v a n t a g eo ft h e o r yo nh y d r a u l i c s ，f l u v i a l ( c o s t a l ) d y n a m i c sa n di n t e r r e l a t e ds u b j e c t s ， f i x e dt h ew a t e ru n d e r t a k i n g sh y d r o l o g ya n ds i l tf e a t u r e ，e x p l o i tt e n d e n c yo fh i s t o r y , r e c e n ta n df u t u r ee v o l u t i o no ft o p o g r a p h y , a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a v i g a t i o n o b s t r u c t i o n ，p r o p o s ei d e a so fr e g u l a t i o n ；b e g i nw i t hm o v e m e n te q u a t i o no fw a t e ra n d s i l t ，a c c o r d i n gt ot h es i m i l a rt h e o r y , d e s i g nt h ec u r r e n tc h a n n e lm o d e l ，a n de x p e r i m e n t o ns t i l la n dm o t i o n a lr i v e r b e dm o d e l a n a l y z et h er e s u l to b t a i n e d ，c o m p a r ee a c h s c h e m ew i t hi t sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e ，a n do p t i m i z ee a c hs c h e m e k e yw o r d s ：b r i d g el o c a t i o nr e a c h ；c h a n n e lr e g u l a t i o n ；r i v e r b e de v o l u t i o n ；p h y s i c a l m o d e l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矽镶渺 日期：1 年月夕日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：训乏客似 指导教师签名：刎峪 r 期：纠7 年妒月7 r 冗期：弘1 年尹月7 日 。j 。l 。 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位论文作者签名：多u 龇 嗍：1 ”月夕同 指导教师签名： 闩期：砂呷年华月罗日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 我国幅员辽阔，江河纵横，湖泊棋布。流域面积1 0 0 平方公里以上的天然河 流有5 0 0 0 多条，总长度4 2 万多公里川。长江、黄河、松花江、珠江、淮河和海 河等水系，分布在我国各省，河流水量充沛。随着现代交通网络的发展，跨河桥 梁、公路桥梁和城市交通桥梁大量兴建，解决了陆路交通的跨河连接问题。但是， 由于对通航河流的认识不足，对河道水流特性、河床演变规律考虑不周，有些桥梁 工程桥址选择不理想、通航孔净宽不足，桥墩和桥跨布设不合理，使河道水流发 生了显著的变化，恶化了通航条件，增加了船舶航行难度，甚至引起船舶与桥梁 碰撞，发生船毁桥损的重大事故。内河通航标准( g b 5 0 1 3 9 - - 2 0 0 4 ) “3 要求桥梁 选址建在河床稳定、水深充裕、水流条件良好的平顺河段上；尽可能的避开分汊 河道、游荡河段和支流入汇河段，并充分考虑建桥后对上下游河道的影响。但是， 随着社会及经济发展的需要，或者出于经济、技术的限制，部分桥梁在选址规划 不能完全按照标准的要求，有时不得不在通航条件不好的河段选址。由于河 道的特殊性，桥梁建成后改变了天然河道的水流条件，桥位附近的水位变化、河 床冲刷对水面线的影响、水流受桥墩压缩后引起的桥位河段水流的变化、主流沿 程流速的变化和桥孔流速分布等因素使桥位情况变得非常复杂，这样的结果是给 安全留下了很多隐患，可能对桥梁安全、通航安全、航道维护和建设造成严重的 影响，给社会和环境造成极大的损害。如1 9 8 0 年，美国佛罗里达州横跨泰姆伯湾 的阳光大桥被一艘空载的3 5 0 0 0t 载重的散装货轮撞击而倒塌，事故中3 5 人丧生， 船舶价值13 0 0 万美元，阳光大桥的价值是2 5 0 0 0 万美元，损失巨大【2 】。19 9 3 年，美国 亚拉巴马州莫比尔附近横跨贝尤卡诺特的csx 铁路大桥，受一艘拖驳船队严重撞 击，使桥梁结构产生巨大位移，恰好几分钟后- n 旅客列车从桥上驶过，大桥即刻坍 塌，列车出轨，4 7 人丧生。2 0 0 1 年，美国南部德克萨斯州最长的跨海大桥“伊莎贝拉 皇后大桥”被一艘拖轮撕开一道长达7 2 m 的缺口，两个桥拱坍塌，5 辆桥上行驶的汽 车坠入大海，4 人死亡，桥下的电话线、自来水管以及银行通讯系统均遭到破坏，通过 该大桥与大陆连接的著名旅游胜地帕得里岛与外界的联系中断数日。2 0 0 2 年，美国 俄克拉荷马州阿肯色河，一艘拖轮顶着两艘运油的空驳船撞上一座有2 0 年历史的 公路桥的一个桥墩，造成公路桥坍塌，至少有1 7 辆汽车坠入河中，死亡1 7 人，这次事 故严重阻碍了横穿俄克拉荷马4 0 号州际高速公路的交通，修理并重新开放这座大 桥需要6 个月时间。 2 第一章绪论 在我国，船舶撞击桥梁事故也频繁发生。以长江流域的桥梁为例，仅武汉长江 公铁两用大桥自1 9 5 7 年通车以来，就发生了7 0 余起撞桥事故，其中直接经济损 失超过1 0 0 万的大事故就有十余起【3 1 。南京长江大桥已发生了近3 0 起撞桥事故【4 1 。 而被撞最严重的，据记载是白沙沱大桥，达到了上百次之多。由于这些事故，轻 者大桥桥墩被擦伤，重者大桥严重受损、船舶倾覆、人员伤亡。 桥区碍航及引发的一系列问题在全世界普遍存在，不仅影响通航安全，限制 了河段通航能力和航道等级的提高，对航道建设和维护造成许多困难，严重制约 着内河航运事业的可持续发展，而且造成巨大的经济损失，引发一系列的社会问 题。因此，研究对桥区的航道整治问题具有重要的现实意义。 在实际的桥区整治设计与建设过程中，有许多技术问题需要系统研究解决：桥 区航道的河床演变规律和演变机理，桥梁建设引起的河道河势、水力、泥沙等因 素的变化与桥区河道河床演变的关系，及其对通航的影响。对桥区的碍航进行系 统分析，在对这些基本问题认识的基础上，针对性的提出桥区航道整治的原则和 措旌。因而，桥区的整治技术需要进一步研究，特别是一些基本问题的研究更显 迫切。 、 1 2 研究现状 1 2 1 桥区碍航因素分析 通航河流上建设桥梁时，桥梁应建在河床稳定、航道水深充裕和水流条件良 好的平顺河段，远离易变的洲滩。但由于受到两岸道路、建筑物设施等环境限制 或其它种种原因，有时不得不将桥梁选址于滩险、汊道( 如北门滩【5 】、跑马滩【6 】 等) 弯道附近( 如石龟山大桥1 7 1 ) 。国内目前有许多的桥梁的存在着碍航现象，影 响桥位河段碍航的因素有很多，一般说来，对于不同河段和位置的桥梁具有不同 的碍航原因，但可主要归结为： 桥梁规划设计不当 包括桥梁选址，桥梁结构设计，通航净空等方面因素。受水位、水流流向、 流态的影响，船舶航行需要航道有足够的宽度、水深、弯曲半径和适航的水流条 件，通过桥区的航道还要求有一定长度的过渡直线段。桥位选择时须将路线走向 和桥梁的经济技术及航运因素综合考虑，有经常无法同时满足各方面要求而出现 各种碍航现象。如柳州柳江铁路桥【8 】，所处河段河面狭窄，流态不良，桥墩建在河 道主流区内，造成通航条件恶化。沅水桃源大桥【9 j 位于微弯分汊河段，洲头主汊一 侧是浅滩，滩上水浅流急，江心洲洲脊存在自左向右的漫滩水流，大桥距离分流 点近，分汉后的水流偏角较大，桥墩布置在航槽中间，恶化了桥下的水流条件， 第一章绪论 缩窄了桥位附近航槽宽度，船舶上行困难下行危险。红水河龙滩水电枢纽交通桥 【1 0 1 ，桥梁建在微弯急流河段上，桥墩座落在主洪线，通航孔布置不涵盖洪水航道， 且桥墩结构设计为双薄壁式混凝土柱式，中间可以过水，洪水期墩上水流十分湍 急，以致多艘船舶被水流吸人双薄壁墩内，卡死船舶，发生船毁人亡事故。 斜流，环流等为碍航的常见水流因素 通常分汊河段和弯曲河段航道区水面均存在斜流和环流，其变化和分布具有 多样性。其中斜流是引起海事的最常见的水流因素。当航道条件良好时船舶可通 过操控克服斜流，安全通航。但在跨河建筑物附近的航道中，斜流的影响成了重 要的限制。斜流对船舶航行的影响是通航水流条件研究的重要内容。如湖南澧水 石龟山大桥【7 j 水流方向与大桥轴线法线交角达2 4 - 3 3 ，大大超过了内河通航标 准中不得大于5 。的规定。在中洪水期 碍航流态产生，船舶避让操作时间不足， 河道河势演变而碍航 斜流流速较大，且伴随有扫弯水等不良 容易发生撞击桥墩事故。 河流总是处在不断的发展变化中，在河道上修建桥梁后，由于桥墩对河道的 挤压作用会产生上游河道水位壅高、流速变小、水流挟沙力降低等变化；原有的 边滩、心滩等成型淤积体在建桥后淤积范围内可能扩大，滩面高程可能有所抬高， 甚是出现碍航浅滩。这些演变反过来又会对水流起作用，使主流及河道变迁。如 弯曲河道，其外形迂回曲折，具有蜿蜒蠕动的动态特征；对于弯曲汊道有洲滩移 动和分合，河岸崩坝和弯曲，汊道兴衰交替的特点。弯道的演变导致河势的改变， 桥区河段的航道条件也相应变化。如荆州长江公路大桥【_ 7 】建于长江中游沙市弯曲河 段，受9 8 、9 9 年特大洪水影响，局部河势发生剧烈变化，原三八滩冲刷解体，成 为航槽，原设计的主通航口进口过渡段淤积严重，枯水无法通航。 1 2 2 桥区河道水流条件研究 桥梁的存在使桥区河道的水流条件相对于一般河道变得更为复杂，河道的水 位、流速，河床地形等在建桥后都会发生变化。很多学者对桥区河道的水流条件 进行过系统研究，取得了不少成果。 胡旭跃、张晓峰【l l 】等根据文根据广东肇庆西江大桥桥址河段的基本特性，研 究建立了水流平面二维数学模型，运用该模型对肇庆西江大桥复线工程建成后桥 区通航水流条件进行分析研究，在主流、河势、水位、流速分布等方面，模型计 算结果与实测结果均吻合较好。其所建数学模型其适用范围广，可用于研究河段 水流运动的数值模拟和计算，但由于该模型系根据定床计算，对动床情况下桥址 附近水流运动、河床演变以及防洪、航道等产生的变化没有进行深入研究，对此 类问题需进行进一步的研究。 4 第一章绪论 彭凯，张绪进，赵世强n 2 3 在对桥位附近水流的研究中发现，在河道中某些河 段具有明显的二维特征，即应用二维泥沙数模能够解决河段的整体冲淤问题。但 在这样的河段中有时需要修建人工建筑物( 如桥梁) ，在建筑物附近的局部冲淤， 二维数模的运用就受到了很大局限。若在整个河段使用三维模型或紊流模型，计 算量大，而且使问题复杂化。于是，将平面二维河道推移质冲淤数学棋型和桥位 局部冲刷经验公式有机地结合起来，计算整体河段泥沙冲淤和桥位局部地区泥沙 冲刷，既考虑了局部流态对整体流场的形响，又反应了整体流场对局部流态的影 响。 1 2 3 桥墩附近水流结构研究 桥墩周围水流属于复杂的三维水流，桥墩周围的水流结构主要包括墩前水面 涌波、桥墩迎水面向下水流和尺度很大的紊流区。紊流区包括在桥墩迎水面向下 水流和两侧绕流在床面附近形成的马蹄形漩涡、桥墩两侧边界层分离形成的尾流 漩涡、桥墩两侧和桥墩墩后由床面附近释放的小漩涡等。图1 1 为a j r a u d k i v i n 3 1 所绘制的桥墩附近水流结构图。 下 墩棱 图1 1 桥墩附近水流结构图 刘怀汉n 4 1 等在实验室通过水槽试验，用紫色高锰酸钾和白色膨胀性珍珠岩粉 示踪的方法，量测桥墩附近紊流的有关参数，对桥墩后侧紊流宽度范围做了研究， 分析桥墩后侧紊流现象的形成机理。欧阳飞n 副通过水槽试验对桥墩周围水流的研 究中，在水槽中通过投放高锰酸钾示踪剂和p v c 粉，观察桥墩周围的水流现象， 运片j 粒子成像速度场仪( p i y ) 。”“1 采集图象，通过系统分析，对桥墩周围的 流速，紊流宽度进行了系统研究，图1 2 为其水槽试验示踪照片。 罩鬻 图12 桥墩周围水流试验照片 近2 0 多年，国外亦对桥墩周围的压力分布进行过大量研究。z d r a v k o v ic h “” 通过对并列刚性双圆柱体周围流场的研究，认为：在( 1o t d e ：，水流有多余的能量( e 。一e 。) 从床面获取泥沙，将出现冲刷；当e 。 e ：，水流的 能量不能将泥沙全部带走，泥沙将落淤床面，出现淤积。河流的输沙不平衡主要 表现在以下方面： 河流的纵向水流条件与纵向来沙不适应将引起纵向变形。 0 河流的横向输沙不平衡将引起横向变形。 0 河流的局部输沙不平衡将引起局部变形。 河床演变的实质是冲积河流的水流与河床的相互作用河床的自动调整 作用。冲积河流的调整将使河流朝着一定的方向发展，这种调整的趋向性具体表 现为两个方面：平衡的倾向性，体系内部的能量消耗及分配。 冲积河流是一个开放系统，它与系统以外的环境不断有物质和能量的交换， 当整个系统达到平衡时，各个组成部分依然有一定的变化。而河床演变就是这个 系统中的一个组成部分。河床的演变也具有冲积河流自动调整作用的两个趋向 性。 输沙不平衡引起的河床变形，在一定条件下朝着恢复输沙平衡，使变形朝着 趋于使变形停止的方向发展，这就是河床的自动调整作用。 因而，河床自动调整作用追求的目标是：使变形停止或消失，但在不同的 不平衡输沙情况下，其作用形式各具特色。同时自动调整的因素很多，不单纯是 河床的淤积、冲深以及由此引起的河床比降的改变，还可能表现在河床组成、断 面形态和河相等诸多方面。 河床变形具有绝对、集中和滞后的特点。一般河流的来水来沙条件在不断 变化，床面上的沙坡处于缓慢的运动变化之中，河床自动调整到平衡状态是暂时 和相对的。输沙率与流量的2 3 次方成正比，因而滩槽的较大变形主要集中在汛 期，而且流的水流条件变化一般是较快的，而河床要通过冲淤变化才达到与水流 条件相适应，须经历定的时间，这样的时间并不总是有条件得到，因而河床变 形一般跟不上水流条件的变化。 第二二章桥区河床演变分析 2 2 河床演变分析方法 2 2 1 基本原则 要以河床演变学和河流动力学的基本理论为指导 要抓住主要矛盾 。应尽可能详尽地收集河段的有关资料 2 2 2 分析方法 ( 一) 现场查劫，调查研究 ( 二) 来水来沙条件分析 来水来沙条件是河床演变的动力来源，必须找出其本身的变化规律及其对 河床冲淤变化的影响，才能确定河床演变的原因和规律。来水来沙条件主要依据 河段和附近相关水文站的实测资料，主要做以下工作： ( 1 ) 定水文年类型和潮型 ( 2 ) 来水来沙条件年内和年际的变化特性 ( 3 ) 水沙过程 ( 4 ) 特殊水文年的造床作用 ( 三) 河床边界条件分析 ( 1 ) 地质资料分析 ( 2 ) 地貌资料分析 ( 四) 河床冲淤变化分析 ( 1 ) 河道的平面变化 ( 2 ) 河道纵向变化及冲淤估算 ( 3 ) 宏观演变与局部变化分析相结合 ( 五) 水流泥沙运动特征分析 ( 六) 总结演变规律，预报演变趋势 2 3 桥区河床演变影响因素 天然河流在水流、泥沙及河流流经河段断面形态的综合影响下产生自然演变 冲刷。修建桥梁后，由于多个桥构筑物压缩河床，使桥下过水面积减小，桥梁墩 台改变了天然河道的水流条件，干扰了桥下水流及泥沙的运行规律，破坏了原有 的平衡状态，在墩台周边形成了水流及泥沙运动的变异，改变原来的河床演变发 展趋势：桥梁上游河道会产生水位壅高、流速减缓、水流挟沙能力降低等变化。 建桥前原有的边滩、心滩等成型淤积体，在建起后淤积范围可能迸一步扩大，滩 第二章桥区河床演变分析 9 面高程可能会有所抬高；同时这些演变反过来又会对水流其作用，进一步使主流 及河道随之变迁。 影响桥区河段演变的因素是极其复杂的，主要的影响因素归纳如下： 桥区河段的来水来沙； 桥区河段所处的地质地貌条件； 河段出口的水位流量关系； 2 4 桥区水流特性分析 天然河流受桥渡建筑物压缩后的影响，桥位河段水流变化与原来水流相比， 主要表现在两个方面有明显不同，一是水流外表形态，如横、纵剖面变化状况； 二是水流内部结构，如流速、切应力、糙率以及能量与动量的大小和分布。 2 4 1 桥梁附近的水位变化 由于受桥梁墩台压缩水流，桥墩附近水流发生急剧变化。水流状况的变化主 要由边界变形( 如导流堤，桥梁墩台的形式等) ，桥孔对水流的压缩程度和水流 流态等因素决定。通过对河道水面线的分析可以研究桥梁附近的水位变化，桥梁 附近河道的水面线可以总结为以下几种： ( 1 ) 缓坡河槽，桥孔压缩和桥墩阻水都不过大。一般桥梁大都属于这种情况。 建桥后上游出现雍水，在较远处与天然水面相衔接；在最大雍水断面与桥孔之间， 水流急剧集中流入桥孔，水面急剧跌落；在桥孔稍下游处，出现宽度和水深最小 的收缩断面；再向下游，水流逐渐扩散直至与天然水面衔接。 ( 2 ) 缓坡河槽，桥孔阻水严重，或桥孔小而桥墩宽，或桥孔带闸门等，多见于 水利工程。桥梁上游雍水，水流临近桥孔急剧跌落或桥下为闸孔出流，桥梁下游 收缩断面水深很小，小于临界水深，收缩断面下游通过水跃与天然水面相衔接。 ( 3 ) 急流河槽，桥孔压缩水流，桥墩阻水不甚严重。峡谷河道或山区变迁性河 段可能出现这种情况。桥前不出现雍水曲线，但桥墩前迎水面激起很高的浪花或 局部冲高。 ( 4 ) 急流河槽，桥孔小，桥墩严重阻水或带阀门。桥梁上游水面壅高，上游 水面通过水跃与正常水面衔接，下游端水面急剧跌落流入桥孔，桥孔下游通过降 水曲线与天然水深衔接。 2 4 2 桥区河段流速变化 桥位水流内部结构变化中，最活跃的因素之一是水流流速，因为流速或比降 是水流能动作用的体现。突然河流的断面流速分布在各个位置不尽相同，但对于 l o 第二章桥区河床演变分析 缓变水流中距离不太大的断面，差别通常不显著。河上建桥以后，河段形成急变 流，无论沿纵向还是横向垂线流速分布同天然水流流速相比，都发生了巨大的变 化。 2 4 2 1 主流沿程流速变化 桥位附近主流为急变水流，流速沿程发生较大变化。桥轴线上游一定距离因 水位壅高水流流速减小，到桥轴线上游较近距离流速开始增大，桥轴线下游水流 突然压缩之后发生剧烈扩散，流速逐渐恢复天然状态。 2 4 2 2 桥孔流速分布 桥孔的水流变化直接影响到船舶的航行。桥孔位于河谷不同的位置，其断面 流速分布也不相同，主槽两侧河滩对称时，断面流速呈“山 字形分布；当两侧 河滩大小不等时，大河滩一侧流速峰值削弱；仅一侧有河滩时，河滩一侧的流速 峰值再次突起。三种情形中，断面最大流速都出现在主槽中，两侧河滩对称时靠 近两侧桥台的流速峰值同河槽中的最大流速相比差别并不显著，而一侧有河滩时 滩地上重新升起的流速峰对滩地桥墩冲刷十分不利。 2 4 2 3 滩槽流速分布 天然河道均匀水流的河滩与河槽平均流速，其相对分布关系按谢才公式为： 昔= 瓦n t i h 叫c ) x 式中：v c 、v t ：河槽与河滩的平均流速； 1 l c 、h t ：河槽与河滩平均水深； n c 、n t ：河槽与河滩糙率系数； x ：可变指数，x = o 6 7 0 7 5 拉笛申柯夫关于桥址断面水流压缩后的滩槽流速相对变化的研究： 等= 旦n 区p c h i 式中：v 举、v 彬桥孔内河槽与河滩平均流速； 1 1 c 、h t 、n c 、n t 、x ：同上式； s = 。( ) 。：( 6 0 。：桥下河滩过水面积；引天然水流河滩过水面积；) 桥孔河滩上的水流流速与水深增量显著大于河槽中流速与水深增量，水流通 过压缩己趋向均匀分布状态，压缩程度越强，整个断面的流速和水深分布愈均匀。 第二章桥区河床演变分析 1 i 2 5 研究河段河道概况 武汉河段位于长江中游湖北省境内，上起蔡甸区纱帽镇，下至新洲区阳逻镇， 全长约7 0 3 k m ，呈西南东北流向。该河段为顺直双分汊河道。河段左右岸有 四对节点，金口的大军山龙船矶，沌口的小军山杨泗矶，蛤蟆矶石 咀以及龟山蛇山，其中龟、蛇山处江宽最窄，仅1 l o o m 。节点之间的纵向间 距较短，对河道平面摆动的控制作用较强。蛤蟆矶和石咀、龟山和蛇山两对节点 将河段划分为上、中、下三段。上段纱帽山至沌口，全长约1 9 9 k m ，为铁板洲 顺直分汊段，左汊为主汉，右汊为支汊；中段从沌口至长江大桥，长约1 5 1 k m ， 为白沙洲顺直分汊河段，左汊为主汊，右汊为支汊；下段长江大桥至阳逻，长约 3 5 3 k m ，为天兴洲微弯分汊河段，目前右汊为主汊，左汉为支汉。 武汉河段上段为顺直分汊段，长期以来河床比较稳定。 武汉河段中段亦为顺直分汊段，白沙洲将河道分为两汉，左汊为主汊，右汊 为支汊。白沙洲尾有常年存在的潜洲，河段左岸有荒五里边滩和汉阳边滩，右岸 鲇鱼套以下是武昌深槽。1 9 5 7 年建成的武汉长江大桥横跨大江，连接龟、蛇两 山，1 9 9 7 年在白沙洲兴建了白沙洲大桥( 即武汉长江三桥) 。本河段上端节点处 河宽约1 4 5 0 m ，白沙洲中部河宽约2 0 0 0 m ，从鲇鱼套开始河宽急剧缩窄，至龟、 蛇山处河宽仅l l o o m 。武汉河段中段两对节点之问的纵向距离较短，约1 5 k m ， 对河道平面摆动的控制作用较强，加上两岸人工护岸工程，岸线稳定，但江中的 洲、滩仍频繁发生变化。图2 1 为武汉河段中段河势图。 武汉河段下段为天兴洲微弯分汊段，白天兴洲洲头和右缘守护后，河段也基 本处于稳定状态。 本文研究的河段武桥水道位于武汉河段中段下部，上起汉阳杨泗庙，下至武 汉长江大桥，全长约5 k m 。 该水道上口枯季河面宽度约2 0 0 0 m ，下口受左岸龟山和右岸蛇山对峙影响， 全年河面宽度均在ll o o m 左右，武昌深槽呈“倒套”型延伸至右岸鲇鱼套附近。 水道右侧有潜洲，高程较低，顶高在l o m 左右，枯季一般不出露；左岸有汉阳边 滩，由杨泗庙延伸至武汉长江大桥左侧桥头堡附近，年内演变规律表现为窄深水 道特性“洪冲枯淤”，枯季突入江心碍航，是影响武桥水道通航条件和维护困难 的根本原因。该边滩发育年际变化大，最严重时边滩延伸至大桥7 # 孔，严重影 响到行轮及大桥的安全，航道维护难度极大。 第二章桥区河床演变分析 2 6 水沙特性 2 6 1 气象 图2 1长江武汉河段河势示意图( 比例l ：1 0 0 0 0 ) 武桥水道地处华中地区亚热带温润区，具有大陆其后特色，雨量充沛，阳光 照射时间长。春季冷暖多变，阴雨绵绵，夏季高温闷热，秋季气候干燥天气凉爽， 冬季寒冷干燥，有霜冻和降雪，一年四季分明。气候特征值如下： 1 、气温 极端最高气温：4 1 3 。c ( 1 9 3 4 年8 月1 0 同) 极端最低气温：一1 8 rc ( 1 9 7 7 年1 月1 6 同) 历年平均气温：1 6 8 4c 2 、风 历年最大风速：2 7 9 m s ( 1 9 5 6 年3 月6 同和1 9 6 0 年5 月1 7r ) 历年最大j x l 力：9 级 3 、雨 年平均降雨量：1 2 0 0 m m 年最大降雨量：2 1 0 7 1 m m ( 1 8 8 9 年) 年最小降雨量：5 7 6 4 m m ( 1 9 0 2 年) 降雨量年内分配不均匀，5 1 0 月降雨量约占年雨量的7 0 8 0 。 4 雪 第二章桥区河床演变分析 1 3 降雪多发生在1 2 月中旬至次年3 月上旬，年平均降雪日数为1 3 天，最大积雪厚 度2 3 0 m m 。 5 、雾 年最多雾日：5 7 天 年最少雾日：1 0 天 年平均雾同：2 8 4 天 2 6 2 水文泥沙 武桥水道水、沙主要来自上游长江干流，水量丰富，输沙量大。武汉长江大 桥下游2 k m 处有汉江入汇，仙桃水文站位于汉江河口上游l5 2 k m ，汉江口以下 1 5 k m 为武汉关，此处设有汉口水文站，仙桃水文站和汉口水文站控制了武汉河 段的来水来沙。 汉口水文站多年平均径流量7 3 7 9 亿m 3 ，年最大径流量为1 0 1 3 0 亿m 3 ( 1 9 5 4 年) ，年最小径流量为5 6 7 0 亿m 3 ( 1 9 7 2 年) 。径流量年际变化相对较小，年内分 配不均，洪、枯变化较大，5 1 0 月为洪季，径流量为5 4 1 6 亿m 3 ，占全年的7 3 3 。 参见表2 1 。最高水位、最大流量发生在7 - 一8 月，最低水位、最小流量发生在1 2 月，汉口站多年月平均水位统计见表2 2 。 表2 1 汉口站多年月平均水位值统汁表 月份1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月 水位 1 2 0 41 2 0 01 3 2 51 5 5 61 8 2 71 9 8 32 2 3 02 1 3 42 0 6 61 9 0 11 6 2 91 3 4 6 备注 系列年限为1 9 5 2 2 0 0 3 年，当地航行基面为9 9 1 m ( 黄海) 表2 2 汉口站水文泥沙特征值 历年最大历年最小 项目多年平均时间时间统计年份 ( 高)( 低) 水位( m ) 1 9 1 82 9 7 31 9 5 4 8 1 81 0 0 8l9 6 5 2 4l8 6 5 2 0 0 2 流量( m 3 s )2 2 5 4 57 6 1 0 01 9 5 4 8 1 44 8 3 01 9 6 3 2 719 5 4 2 0 0 3 输沙量( 亿t )3 9 3 85 7 91 9 6 41 6 52 0 0 3l9 5 4 2 0 0 3 含沙量( k g m 3 ) 0 5 5 4 4 4 2 1 9 7 5 8 1 40 0 3 619 5 4 8 2 7l9 5 4 2 0 0 3 武汉河段多年平均输沙量为3 9 4 亿t ，多年平均含沙量为0 5 5 4 k g m 3 ，年最 1 4第二章桥区河床演变分析 大输沙量为5 7 9 亿t ( 1 9 6 4 年) ，年最小输沙量为1 6 5 亿t ( 2 0 0 3 年) ，极值比为 2 4 8 ；输沙量年内分配比径流量更加不均，5 1 0 月输沙量占全年8 7 5 。参见 表2 3 。 表2 3 汉口站多年径流量、输沙量年内分配表 项目 l2345 67891 01 11 2 全年 径流量( 亿方)2 0 31 9 02 9 04 0 4 6 4 27 6 61 0 6 8 1 0 3 89 1 77 9 05 2 03 0 07 1 2 8 年内分配( ) 2 8 4 2 6 5 4 0 85 6 79 0 21 0 7 41 4 9 9 1 4 5 71 2 8 71 1 0 8 7 2 94 2 0 输沙量( 万t ) 3 4 53 1 75 9 41 3 6 3 2 7 3 8 4 1 4 5 9 4 4 7 8 2 9 26 0 8 64 1 4 2 1 6 6 46 6 83 9 8 0 1 年内分配( )0 8 7 0 8 01 4 93 4 26 8 81 0 4 12 3 7 3 2 0 8 3 1 5 2 9 1 0 4 04 1 81 6 8 统计年份 1 9 5 4 2 0 0 2 年 2 6 3 河床边界 本河段发育在扬子准地台上，河道走向受淮阳地盾和江南古陆控制，在武汉 以上为男西北东向，武汉以下转折成北西南东向。水道两岸地貌主要为冲积平原， 间有山丘阶地和湖泊，第四系和前第四系间断分布，前第四系基岩零星出露，第 四系各期松散沉积物两岸均有出露。 河岸组成具有二元结构特征，上层为粘土、亚粘土等河漫滩相细颗粒物质组 成，厚度4 3 0 m ，平均厚度1 2 3 m ；下层为河床相粗颗粒物质组成，主要为细沙 和中沙，厚度4 - 2 9 m ，平均厚度2 0 4 m 。洲滩主要由粉质壤土、中细沙或含砾中 沙所组成。局部为裸露的基岩山体和抗冲性较强的土层，对河道有较强的控制作 用。 河床发育于疏松的沉积物上，河床表层由中细沙组成，下层为砂砾层( 厚度 约2 3 5 m ) ，其下为基岩。 床沙中值粒径为o 1 5 0 2 0 m m 。床沙粒径随时间变化不大，但在洪水期的 主流带粒径明显变粗。 图2 2 为整治工程河段的纵向地质剖面图，河段区域河床底质相当一定厚度 范围内为粉细砂，上部均存在一层松散状态粉细砂，为近期沉积而成，土层分布 不稳定，厚度随长江水流冲刷或沉积而变化；底部为中密密实状态粉细砂层， 该层分布稳定，具有强度较高，压缩性能较低的特点，不易北江水冲刷或迁移， 可构成稳固的河床。 墨三! 堕坠塑堕堕壅坌堑 ! i 2 7 河床演变分析 2 7 1 历史演变 幽2 2 武桥河段纵向r 程地质剖面 图妫 固撕 匾) 嘲黼 i 晰 田h 乒一韭l 江 圈w 啪自h 据历史文献记载，本河道历史上江心洲众多，其中以龟、蛇山以上水道的叹 洲和鹦鹉洲最为著名。早期的鹦鹉洲靠近武昌，而不是现在的汉阳，洲尾g e 离蛇 山黄鹤楼不远，鹦鹉洲玉武昌之间的夹江称“船官浦”( 现潜洲右侧的鲇鱼套) 。 至明洪武( 公元1 3 6 8 年前后) 时，鹦鹉洲并岸，明末崇祯年间( 公元1 6 2 8 年前 后) 被冲刷。鹦鹉洲消失后，靠近武昌鲇鱼套又撒出白沙洲，至清乾隆年问，白 沙洲又被冲没。靠近汉阳又淤了新洲，复命名为鹦鹉洲。清中叶以后，鹦鹉新洲 复并岸，江中出现潜洲。现今的白沙洲是此后逐步淤成的。 历史上汉江是多口入江，每一时期又一个主要的入江口。其最早是在阳逻以 上沙口一带入江。三国时期至唐以前，汉水主要入江口上移至龟山以北。唐以后， 主要入江口改至龟山以南，至明成化时叉恢复到龟山以北。 自明末清初以来，沌口至长江大桥水道主流曾发生过两次大的变迁。十七世 纪以前即鹦鹉洲存在时期该段主流偏靠左岸，十七至十八世纪，主流自左岸摆 到右岸，十九世纪末- 十世纪初，该段主流又从右岸摆到左岸，一直持续至今。 主流的变迁不仅带来河势的改变也促使洲滩发生相应的变化。第一次主流摆动 使江中鹦鹉洲冲刷消失，第二次主流变迁，白沙洲和潜洲淤长形成，河道成为双 汉河道。 ! ! 堡：望壁些业生丝兰坌堑 2 7 2 近期演变 武桥水道两岸有大堤勺护，水道j ，r 游受两处天然甘点控制河床抗冲刷能 力较强其演变特征主要表现为水道内深泓年内摆动较大，洲潍、深槽问相互制 约，各洲滩遵循不同的冲淤变化规律。枯水期，受武昌深槽的吸流作用影响，水 流动力轴线明显落鹰，汉阳边滩处水流挟沙能力减弱，上游输移至此的泥沙在此 大量落淤，边滩向江心淤长侵占卜航楷，造成航道r i 大桥j f 常通航孔交角较= ， 船舶需通行非j 下常通航孔才能保障航道畅通，淤积严重的年份还需禁航疏浚施 工。 2 7 2 1 总体河势 武桥水道受堤防工程及上f 游节点控制，河岸抗冲性强，近几十年，整体河 井丰爿对稳定。主流走向规律上救有人的变化，在进口段主流始终维持在走岸沌几 附近，然后走白沙洲、潜洲左侧：洪水期主流居r f l 般直，在汉江几| 三c 下过渡到右 岸；枯水期主流在杨泅庙附近尢岸过渡到右岸武昌椿槽( 崮23 ( 1 ) ) 。白1 9 9 5 年以后，枯水期卜流过渡俺置有上提的迹象( 网2 ： ( 2 ) ) 。 一、矍一，一一- ：。 一一一：二：； 三专g l _ a m - m “l m m - m l 相札u 幽23 ( 1 ) 战桥水道深泓线、f 而变化i 划 塑= 空堡坚! ! ! 堕丝壅坌盟! ： 幽23 ( 2 ) 武桥水道深泓线半面变化幽 2 7 2 2 洲滩深槽演变 武桥水道内的洲滩深槽包括白沙洲、潸洲、荒五擎边滩、汉阳边滩和武昌深 槽，表2 - 4 为各洲滩的平面特征及多年变化情况。 表2 - 4 洲滩特征值统计采 面目向沙洲济洲舵 甲曲滩汉晦| 边滩 妊人值 数值 k 度 时间1 9 5 351 9 8 05 ( m ) 数值4 1 6 01 7 3 0 摄小值 时问t 9 3 221 9 6 0 1 1 蛀人值 数值 宽度 时问1 9 8 05l9 3 74 ( m ) 数值1 4 0 鳗小值 时问 1 9 6 0l l 虽人值 数值35 2 面机 时问 1 9 8 05 f k m 2 )数值20 2n5 9 蛀小值 时问 洲顶数值 2 38 昂人值 高脚时间 1 9 5 35 数信】 】86 8 2 昂小值 时间l 1 9 2 59 1 9 6 0l l 注：自沙洲、满洲分别以等高缱1 0 m 和8 m 范罔，荒五里、汉日l 边滩以5 m 蒋高线范同1 1 白沙州是比较稳定的江心洲，其面积、长度、宽度及高程变化都相对较小。 n 沙卅1 年内变化不大，一般是汛期淤长，汛后冲刷还原。但是遇到特殊水文年则 发生累积性淤积，致使洲头上延t 右汉萎缩。如】9 9 3 年、1 9 9 8 年右汉口门1 0 m 等高线与洲头连成。体，形成