黄乐康1， 杨美良1， 黄伦超2， 游 涛2
(1.长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 410114；2.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114)
摘 要：沪昆下行线湘江特大桥改造布置方案受诸多条件限制。采用河工物理模型试验、遥控自航船模试验与数学模型计算相结合的方法，对桥位、桥跨、航线布置及旧桥桥墩拆与不拆等多方案进行多组合优化研究。研究结果表明：推荐方案从通航条件、施工条件及湘江航运发展要求等方面都是可行的。
关键词：桥位；桥跨；航线；通航条件
1.1 工程背景
既有沪昆下行线湘潭湘江特大桥于1953年建成通车。2008年沈阳铁路局吉林线桥检测设计所与广州铁路集团公司工务检测所对该桥进行了静、动载试验，认为“该桥主体的上承式钢桁梁在结构设计上不尽完善，疲劳累计损伤严重，梁体裂纹，结构功能严重劣化，已进入老龄期；部分桥墩横向刚度不足，部分钢梁的横向刚度严重不足，已不能满足安全运营的要求，建议将该桥彻底改造，重新建桥”[1]。
1.2 河段概况
1.2.1 航道规划
目前，湘江湘潭段为Ⅲ级航道，河段上通航船舶以1 000 t级船舶为主。但根据湘江航运规划，该河段为Ⅱ(3)级航道标准。根据内河通航标准[2]要求，Ⅱ(3)级航道单线直线段航宽40 m，双线直线段航宽75 m；代表船舶为一排二列、一顶二2 000 t级船队，船队尺度为182.0 m×16.2 m×2.6 m(长×宽×设计吃水)；过河桥梁双孔单向通航孔净空尺度为75 m×10 m(净宽×净高)，单孔双向通航孔净空尺度为150 m×10 m(净宽×净高)。
1.2.2 河段既有桥群概况
拟改建的沪昆下行线湘潭湘江特大桥[3]位于湘潭市市区，横跨湘江，拟建大桥桥址处有既有沪昆下行线湘潭湘江特大桥、沪昆上行线湘潭湘江特大桥及长株潭城际铁路湘潭湘江特大桥。这3座桥梁间距均为40 m；再往上游分别有湘潭三桥(460 m左右)、湘潭一桥(3 200 m左右)；往下游有莲城大桥(3 500 m左右)(如图1所示)。该河段桥群布置存在的问题有：
1) 桥梁净宽不能满足规划通航标准要求。既有沪昆下行桥、上行线桥及长株潭城际铁路桥跨越湘江的孔跨布置相同，桥墩也相互对应，通航孔跨径为75 m(净跨70 m)，未满足内河通航标准[2]净宽75 m的要求。
2) 桥位间距不满足通航标准要求。拟建大桥附近现有4座大桥，从上游往下游方向分别为：湘潭三桥、既有沪昆下行线桥、沪昆上行线桥及长株潭城际铁路桥(如图1所示)。根据内河通航标准[2]规定，对于Ⅰ～Ⅴ级航道，两相邻过河建筑物的轴线间距，不得小于代表船队长度加代表船队下行5 min航程之和。按下行船舶航速12 km/h计算，其间距不得小于1 182 m，湘潭三桥与下游桥梁间距(460 m左右)未满足内河通航标准[2]的要求。拟建沪昆下行线桥、既有沪昆下行线桥(新桥建好后拆除)、沪昆上行线桥及长株潭城际铁路桥分别靠近布置，相邻桥梁间距均为40 m，满足内河通航标准[2]规定的两过河建筑物相邻边缘应控制在 50 m 范围以内的要求。然而，拟建沪昆下行线桥建成后，既有沪昆下行线桥即被拆除，此时拟建沪昆下行线桥与上行线桥相邻边缘相距大于 50 m (约72 m左右)，相邻两桥边缘间距未满足内河通航标准[2]的要求。
图1 拟建大桥河段桥群布置情况示意
Fig. 1 Layout of the proposed bridge at the river section with other bridges
2.1 桥位选择的限制条件
拟改建的沪昆下行线湘潭湘江特大桥位于湘潭市市区，且工程河段桥梁众多，桥梁间距小，桥区通航条件较复杂，给桥位选择带来诸多限制：①如果改造方案桥位位于既有上行线桥梁下游，则造成沪昆铁路下行线与上行线在平面上交叉。此时，要改变下行线与上行线在平面上的交叉情况，则必须同时改造两岸站场和两岸较长铁路线，使得工程量大，同时两岸征地拆迁工程量也大。因此，改造方案桥位应位于既有上行线桥梁上游。②考虑两岸铁路线改造工程量和两岸征地拆迁工程量，改造方案桥位应位于既有上行线桥梁附近。③该河段桥梁众多，桥梁间距小，船舶在桥区通航条件较复杂，“巷道效应”明显。多座桥梁靠近布置，会导致桥墩纵向紧密排列而形成较长的桥洞，犹如一条“巷道”。船舶通过巷道航行时，由于桥墩的阻水作用，墩侧出现流速梯度较大的区域，则船舶受到的横向压力也较大，致使有效通航宽度减小。在船舶航行时，驾驶员既要克服水流条件的影响，又要驾驶船舶连续避让多座桥梁桥墩，加之通视角较小(平面视角和仰角均较小)，将承受较大的心理压力，极易诱发海损事故，这种现象称为“巷道效应”[4]。
2.2 桥位方案
根据桥位选择的限制条件，初步拟定3个桥位方案：①既有下行线桥上游40 m桥位方案。该方案两岸铁路线改造工程量和两岸征地拆迁工程量小，桥梁施工期对既有铁路运行影响小。该方案在大桥建成后，即使既有沪昆下行线桥被拆除，本河段的桥梁数量不增加，但桥洞纵深长度增加，“巷道效应”更加明显，诱发海损事故的几率会增加。②既有下行线桥与上行线桥之间桥位方案。该方案两岸铁路线改造工程量和两岸征地拆迁工程量相对桥位方案①更小。该方案在大桥建成后，既有沪昆下行线桥被拆除，桥洞纵深长度减小，“巷道效应”有所改善。但由于既有下行线桥与上行线桥之间距离仅为40 m，桥梁边缘间距约30 m，桥梁上部有机车牵引高压线，桥梁上部施工空间严重受限，施工会危及沪昆铁路的正常运行，同时，既有下行线桥桥墩于1938年建成，为扩大基础，且上部结构已属危桥，因此，桥梁桩基施工会危及旧桥安全。③既有下行线桥原址桥位方案。该方案不涉及两岸铁路线改造和两岸征地拆迁问题，但必须先拆除既有桥梁，严重影响沪昆铁路正常运行。通过比较这3个方案，作者推荐采用既有下行线桥上游40 m桥位方案(如图1 所示)。
推荐桥位方案的问题是桥洞纵深长度增加，“巷道效应”更加明显，桥区船舶通航条件更加复杂，诱发海损事故的几率会增加。因此，必须对桥跨布置方案和船舶通航条件进行深入研究。
3.1 桥跨布置方案
既有沪昆下行线桥、上行线桥及长株潭城际铁路桥的桥墩与桥墩一一对应，跨径均为75 m(净跨70 m)。由于下游的湘江长沙综合枢纽修建，该河段已位于湘江长沙综合枢纽的库区，桥梁各孔均满足船舶通航水深的要求，但由于既有沪昆下行线桥建成较早，只有第3,4孔(从右岸至左岸，下同)采用上承式钢桁梁结构，其他孔均采用下承式钢桁梁结构(净高不满足通航要求)，因此，目前通航孔为第3,4孔(其中：第3孔为船舶下行通航孔，第4孔为船舶上行通航孔)。考虑到该桥梁改造完成后，既有沪昆下行线桥被拆除，因此，通航孔的选择不再仅限于第3,4孔。根据几座桥梁桥跨布置现状，结合湘江航运发展要求，初步拟定2种桥跨布置方案：①拟建大桥与其他桥梁的孔跨布置相同，桥墩也相互对应。主跨采用(42+10×75+42) m预应力混凝土连续梁，通航孔跨径为75 m(净跨70 m)。②拟建大桥采用5孔150 m连续刚构，通航孔跨径采用150 m(净跨140 m)。
3.2 通航条件试验研究
采用河工物理模型试验、遥控自航船模试验与数学模型计算相结合的方法，对各种桥跨布置方案和通航孔布置等(包括既有下行线桥的桥墩拆与不拆、通航孔为第3，4孔或通航孔为第3～6孔等多种组合)进行研究。通过河工水流模型，观测桥区河段水流流向和流速分布等，分析各方案对现有水流条件的改变情况；通过船舶模型，观测船舶航迹线、舵角及漂角等参数，研究各方案船舶航行条件；通过数学模型，计算桥群局部水流 条件[1]。
3.2.1 模型设计与验证
1)河工物理模型：根据模拟河段的范围(长约5 km)，结合试验场地的大小和船舶模型试验的要求等，依据相似理论，进行河工物理模型设计[5-6]。物理模型设计比尺为：几何比尺λl=100，流速比尺λu=10，流量比尺λQ=100 000，时间比尺λt=10，阻力比尺λn=2.15。
2) 船舶模型：根据湘江航道规划，该河段为Ⅱ(3)级航道标准，但目前河段上通航船舶以1 000 t级船舶为主。因此，试验研究确定的典型船型和尺寸见表1。
表1 典型船舶尺寸
Table 1 Typical ship size
船型长度/m宽度/m吃水/m1000t机动船8510.82.02000t机动船9016.22.62×2000t级船队18216.22.6
船舶模型委托小尺度船模试验研究经验丰富的天津水运工程科学研究院制作和验证。按船模与实船各参数之间的比尺关系，得船舶模型比尺为：几何比尺λl=100，吃水比尺λT=100，排水量比尺λW=1 000 000，速度比尺λu=10，时间比尺λt=10。
3) 桥群局部水流数学模型：采用MIKE21水动力学模块，建立桥群局部水流模型。
物理模型和数学模型验证依据实测的两级流量资料(2010年11月11日观测平均流量Q= 571 m3/s， 2011年5月17日观测平均流量Q= 2 840 m3/s) 进行验证。验证结果表明：模型与原型水面线一致，断面流速分布吻合也较好，模型达到有关相似要求，符合相关技术要求[4]。对船舶模型的吃水、直航、航速及操纵性等参数进行了率定，率定结果表明：船舶模型直线航行平稳，吃水与实船相符，航速和操纵性符合相关的技术要求[4]。因此，所制作的物理模型、船舶模型以及建立的数学模型可作为沪昆下行线湘潭湘江特大桥改造工程通航条件模型试验研究的基础。
3.2.2 船舶航行状态判别标准
试验选取船舶模型的航行参数包括航线、舵角及漂角等[7]，并利用测控系统，观测不同试验工况中船舶上、下行的航行参数。考虑到船舶航行中一般情况下不会使用满舵，因此，船舶安全舵角控制在25°以内，漂角控制在20°以内。
单孔单向通航净宽[2]计算公式：
Bm=BF+ΔBm+Pd。
(1)
式中：Bm为单孔单向通航净宽，m；BF为船舶或 船队航迹带宽度， m；ΔBm为船舶或船队与两侧桥墩间的富裕宽度，m；Pd为下行船舶或船队偏航距，m。
在计算船舶或船队与两侧桥墩间富裕宽度ΔBm时，Ⅰ～Ⅴ级航道可取0.6倍航迹带宽度(即每侧0.3倍航迹带宽度)，船舶或船队航行漂角 Ⅰ～Ⅴ 级航道取6°。因此，在船舶模型试验中，船舶与桥墩之间的最小距离大于0.3倍航迹带宽度时，可认为船舶与桥墩之间安全距离满足要求。根据该条件，计算得到模型试验船舶与桥墩之间的最小安全距离要求，见表2。
表2 船舶与桥墩之间的最小安全距离要求
Table 2 Minimum safety distance requirement between the ship and the bridge pier
船型长度/m宽度/m漂角/(°)航迹带宽/m最小安全距离要求/m1000t机动船8510.8619.685.912000t机动船9016.2625.617.682×2000t级船队18216.2635.2210.57
3.2.3 试验结果与分析
3.2.3.1 水流条件
1) 河段整体流场情况
各方案对河段整体流场影响均较小(如图2所示)。拟建桥桥址位于河流2个反向弯道的过渡段末端(即下弯道上端)，过渡段顺直且较长(约4.4 km)，过渡段河道逐渐扩大，河道宽由上弯道出口的600 m左右逐渐扩大到下弯道进口的900 m左右。水流出上弯道后有向下弯道凹岸(右岸)过渡的趋势；在中枯水期，水流的这种过渡趋势相对明显，水流与通航孔夹角相对大些；在洪水期，由于过渡段较长，且下弯道河道较宽，下弯道进口洪水水流趋直下挫，因此，水流的这种过渡趋势相对不太明显，在拟建桥桥址仍然呈现断面中间流速大(第4～6孔)、两侧流速小的分布状态，水流与通航孔之间的夹角(≤4°)相对较小。
沪昆下行线湘潭湘江特大桥“改造工程”完成后，既有桥可拆除，此时，第5，6孔通航净高满足要求，通航孔可由第3，4孔改为第3～6孔，洪水时，第5，6孔与水流的衔接情况优于第3，4孔。
图2 推荐方案流场(Q=5 000 m3/s)
Fig. 2 Flow field of the recommended plan(Q=5 000 m3/s)
2) 桥群附近局部流场
各方案对桥群附近局部流场有一定影响(如图3所示)，但流速变化不超过0.10 m/s，水流角度变化很小；旧桥桥墩“拆与不拆”比较，旧桥桥墩不拆时桥洞内流速纵向更均匀。
3.2.3.2 船舶模型的航行条件
根据桥跨布置的2个方案分别分析船舶模型航行条件：
1) 桥跨布置方案1：①该方案使桥群与湘潭三桥的间距减小，湘潭三桥至原有下行通航孔(第3孔)的过渡距离减小，2 000 t级船队沿第3孔下行，船队与桥墩之间的最小距离仅5.32 m，安全距离不满足航行要求；2 000 t级船队沿第4孔上行时，各航行参数均可满足航行要求，船舶航行状态较好。②1 000 t级单船和2 000 t船队沿第5孔航线上行、第4孔航线下行时，各航行参数均可满足航行要求，船舶航行状态较好。
图3 桥群附近局部流场对比(Q=5 000 m3/s)
Fig. 3 Comparison of local flow fields near the bridge groups(Q=5 000 m3/s)
2) 桥跨布置方案2(如图4所示)：①该方案使桥群与湘潭三桥间距减小，湘潭三桥至原有下行通航孔(第3孔)的过渡距离减小，但由于拟建桥梁采用150 m跨径，跨越既有桥的第3，4孔，下行船舶有“挂高”沿第3孔航行的条件，各种船舶能沿第3孔挂高航线下行(不挂高航行时，2 000 t级船队在桥孔内与桥墩的安全距离不满足航行要求)。②各种船舶沿第4孔航线下行时，各航行参数均可满足航行要求，船舶航行状态较好。③各种船舶沿第5，6孔航线上行时，各航行参数均可满足航行要求，船舶航行状态较好。
3) 根据各方案水流条件、船舶通航条件、施工条件、现状条件及湘江航运发展要求综合分析，推荐桥梁布置方案(如图5所示)为：桥位在既有桥梁上游40 m，桥跨采用150 m跨径，航线布置为第3，4孔为船舶下行通航孔、第5，6孔为船舶上行通航孔，并且保留旧桥的3个桥墩(即既有桥第3孔、第5孔及第7孔的右侧墩)，拆除旧桥的其余桥墩。
图4 船舶航行轨迹(Q=5 000 m3/s)
Fig. 4 Ship navigation trajectory(Q=5 000 m3/s)
图5 推荐方案桥跨及航线布置(保留旧桥3个桥墩)
Fig. 5 The layout of bridge spans and navigation routes of the recommended plan (keeping 3 piers of the original bridge)
1) 沪昆下行线湘江特大桥改造布置方案位于多桥相邻的桥群河段，虽然通航净宽及与上、下游相邻桥的间距均不满足内河通航标准的要求，但通过桥位、桥跨、航线布置及旧桥桥墩拆与不拆等多方案多组合的优化研究，推荐方案从通航条件、施工条件及湘江航运发展要求等方面都是可 行的。
2) 在保证桥梁施工不危及旧桥结构安全和列车运行的情况下，桥梁应尽可能靠近既有桥梁布置，施工过程中应采取措施，保证旧桥结构安全。
3) 建议拟建桥的桥墩采用上、下尺寸一致，并尽量减小桥墩尺寸。
4) 建议对5个桥墩(拟建桥梁位于通航孔附近的3个桥墩、沪昆铁路上行线位于第3，4孔之间的1个桥墩及位于第5，6孔之间的1个桥墩)采取必要的防护措施。
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HUANG Le-kang1, YANG Mei-liang1, HUANG Lun-chao2, YOU Tao2
(1.School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science & Technology,Changsha 410114,China； 2.School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114,China)
Abstract：The renovation layout plan of the Xiangjiang large bridge in Shanghai-Kunming downline has been limited by many conditions.Utilizing the methods combined with the river engineering physical model experiment,the remote self-propelled ship model experiment and the numerical simulation are carried out.The obtained recommendation plan is reasonable and feasible from the viewpoints of navigation conditions, construction conditions and the navigation development of Xiangjiang river.
Key words：bridge location; bridge span; navigation route; navigation condition
收稿日期：2016-04-04
作者简介：黄乐康(1992-)，男，长沙理工大学硕士生。
文章编号：1674-599X(2016)03-0052-06
中图分类号：U61；U44
文献标识码：A
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