武汉河段二七路长江大桥河工模型试验研究（张慧,黎礼刚,郑文燕,李三琪）

摘要: 武汉市二七路长江大桥拟建于武汉长江二桥下游约3.3km处。通过河工模型试验，重点研究了大桥建设前后桥址上游河段壅水、上下游河段水流流速与流向、桥址处单宽流量、下游天兴洲汊道分流比等变化，认为三塔斜拉桥和单主孔拱桥两种方案对工程河段河势及防洪没有大的影响，提出了加大左半江桥墩跨度，加强桥墩附近及右岸近岸流速影响较大的岸线防护等建议。该成果可为桥型比选及工程设计提供参考依据。

关 键 词: 过江大桥;河势;水位;流速;分流比

中图分类号: U442.3 文献标识码: A

1 概述

为建设和完善城市交通网络，促进城市社会经济快速发展，武汉市拟在长江二桥下游约3.3km处兴建二七路长江大桥。过江大桥有单主孔拱桥和三塔斜拉桥两个比较方案。单主孔拱桥方案设28个跨河桥墩，其中2～3号桥墩为主跨，跨径为616m;三塔斜拉桥方案设21个跨河桥墩，其中3～5号桥墩为两主跨，跨径为600m。为研究不同桥型方案对河势、防洪的影响，进行河床演变分析、河工模型试验。在此基础上，得出了两种方案对工程河段河势及防洪没有大的影响，且三塔斜拉桥优于单主孔拱桥的结论。

2 桥址附近河段河势及断面历年冲淤变化

2.1 桥址附近河段河势

桥址所在的武汉河段自沌口至阳逻，河道全长约47.8km。武汉河段进口有沌口矶与石咀节点控制，中段有龟、蛇两山约束，出口段受左岸十里长山与右岸青山制约，节点间河宽不一，最宽处在天兴洲，河宽近4000m。

河床演变分析表明，武汉河段近几十年来河势基本稳定，主流摆动不大。在上游来水、来沙及边界条件不发生重大改变的条件下，本河段仍将保持现有河势。其中工程附近的长江大桥至阳逻河段20世纪70年代主、支汊易位后，表现出左衰右兴态势，右汊进一步扩大，分流分沙比增大;左汊逐渐淤积萎缩，分流分沙比减小，目前变化速度已趋缓。

2.2 桥址断面历年冲淤变化

桥址断面位于天兴洲头前沿处，其变化受汉口边滩及天兴洲演变的影响较明显。断面从1959年的“W”型逐渐演变为2005年的扁“U”型，其中左侧最大纵向淤积25m，最大横向淤积即15m等高线边滩向江心淤长约465m;中部及右侧最大冲刷5m。1993年以来，断面冲淤变化相对较小，断面形态渐趋稳定（图1略）。

3 河工模型设计

3.1 模型设计

模型试验模拟范围上起长江大桥以上约2km，下迄阳逻，全长约31km。模拟河段包括了龟山、蛇山2个节点，武汉长江大桥和长江二桥、天兴洲汊道段以及汉江河口段等。

模型设计的相似条件主要包括几何相似、水流运动相似，模型设计选取平面比尺，垂直比尺，模型平面布置见图2（略）。

3.2 模型率定

模型分别进行了沿程水位、断面流速分布及左右汊分流比的率定。其中模型与原型水位最大误差值为0.06m，流速误差一般小于5%，天兴洲左右汊的分流比误差小于2.0%，均在规范允许的误差范围内。

4 试验研究及成果分析

根据试验任务和要求，二七路过江大桥的两种桥型方案试验在300a一遇洪水（P=0.33%）、100a一遇洪水（P=1%）、20a一遇洪水（P=5%）、造床流量、多年平均流量和枯水流量水文水资源勘测局2005年4月实测1/10000水道地形图制作。

4.1 桥址上游水位变化

建桥后，由于桥墩侵占了部分河槽过水面积并产生阻水作用，使桥位上游一定距离内产生壅水。当武汉关流量为6450～84000m3/s时，桥位上游4号断面，单主孔拱桥水位壅高值为1.2～6.9cm，三塔斜拉桥为0.7～5.7cm;上游2号断面，单主孔拱桥为0～2.0cm，三塔斜拉桥为0～1.7cm;愈往上游，水位壅高值愈小，壅高影响最远接近桥位上游5km处。试验成果表明，离桥位愈近，水位壅高值愈大;流量愈大，水位愈高，壅水上延，壅水值增大（表1）。

4.2 桥位上下游河段流速、流向变化

（1）主流线。建桥后，桥位附近河段枯水期主流线偏右，中水期居中、洪水期居中稍偏左，与建桥前相比各桥型主流线位置等6种水文条件下进行（相应流量见表1）。模型采用长江中游均没有明显的改变。

（2）流速。建桥后，桥位上下游河段垂线平均流速沿河宽分布没有明显改变，仅流速大小有所变化。当流量为84000m3/s时，桥位上游4号断面，单主孔拱桥流速一般减小7～20cm/s，三塔斜拉桥减小5～18cm/s;桥位下游5号断面，单主孔拱桥一般增加5～20cm/s，三塔斜拉桥增加5～19cm/s，愈往上游或下游，建桥前后流速愈趋于一致。其他各级流量下建桥前后流速变化规律也基本一致，流量愈小，变化幅度愈小;流量愈大，变化幅度愈大。枯水流量时变化幅度最小，且影响范围也最短。

（3）近岸流速。建桥后桥位上游一定范围内近岸流速有所减小，桥位下游河段近岸流速有所增加。当流量为84000m3/s时，单主孔拱桥下游5号断面距右岸堤外滩边200m处流速为2.31m/s，三塔斜拉桥为2.29m/s，分别比建桥前增加0.19、0.17m/s。其他各级流量时，流量愈小，近岸流速增幅愈小。

（4）流向。桥址断面主流区及右岸附近表面流向与桥轴线法线的夹角一般左为4°，右为5°，两种桥型主通航孔的偏角均不大。建桥对上下游水流流向的影响不大，变化幅度一般在5°以内（最大可达11°）。

4.3 桥址断面单宽流量变化

建桥前后单宽流量沿河宽的分布基本相同，最大单宽流量的位置也未发生变化。其中单主孔拱桥断面最大单宽流量的位置在3～6号墩，三塔斜拉桥在2～5号墩变动。对各级流量比较分析，三塔斜拉桥单宽流量变化值相对较小，单主孔拱桥变化值相对略大。

4.4 桥墩建设对天兴洲左右汊分流比的影响

天兴洲洲面过流时，建桥前后左右汊分流比无大的变化。天兴洲洲面不过流时，由于左岸桥墩较密，阻水作用较为明显，使得右汊分流比有所增大，其中单主孔拱桥分流比增加0.78%～1.22%，三塔斜拉桥增加0.66%～1.12%。

5 结语

（1）建桥前后壅水、流速、流向、分流比等变化表明，建桥对桥位河段河势、防洪没有大的影响，两种桥型基本可行，其中三塔斜拉桥型优于单主孔拱桥型。

（2）考虑未来河势发展趋势和尽可能减小建桥对天兴洲左汊的影响，建议进一步优化两种桥型桥墩的布置，加大左半江的桥墩跨度。

（3）建桥后，上游一定范围内水位有一定的壅高，下游一定范围内近岸流速有所增加，考虑到目前桥位附近左滩右槽的现状及武汉边滩的发展趋势，建议对桥墩附近及右岸近岸流速影响较大的岸线进行防护，并加强对大桥下游左岸的观测。

作者简介: 张 慧，女，长江水利委员会长江科学院河流研究所，工程师，硕士。