蘭江鐵路橋通航水流條件數值模擬

付旭輝，劉予希

(1.重慶交通大學，重慶 400074；2.國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

隨著錢塘江金華段航道的發展，蘭江鐵路橋通航尺度不能滿足三級航道的通航安全要求[1]，存在船舶碰撞隱患，因此本研究針對已建蘭江鐵路橋及橋梁防撞墩改造工程開展通航安全保障方案研究，在現有橋梁方案及防撞墩方案基礎上，提出安全管控措施[2]，為現狀航道及橋區通航安全提供參考。

1 工程概況

蘭江鐵路橋位于錢塘江金華段蘭溪市境內，蘭江大橋下游約700 m的蘭江航道上，上距金華江入匯口約2.1 km，距離錢塘江金華段航道起點約24.5 km。蘭江鐵路橋于1958年建成通車，全長564.2 m，現狀橋梁上游側布置4座防撞墩，下游側布置4座防撞墩。

工程河段屬典型的山區河段，工程場地西側緊靠蘭溪市區濱江路，東側靠蘭江大堤，交通條件十分便利(見圖1)。上游距蘭江大橋700 m，下游距金角大橋500 m，距蘭江與金華江交匯處2.1 km，江面寬度約400 m，洪水期平均流速為2～3 m/s，洪水期局部可達4 m/s，枯水期平均水深約為3～4 m。蘭江常水位(23.5 m)條件下，航道水深大于4.2 m，在設計最低通航水位(22.35 m)情況下，航道水深大于3.0 m，滿足天然和渠化河流三級航道水深要求。但是通航凈寬僅為25 m，小于三級航道規定的單向通航凈寬55 m的要求[3]。因此有必要進行蘭江鐵路橋橋區通航水流條件數值模擬研究。

圖1 蘭江鐵路橋衛星位置示意

2 工程布置

2.1 平面布置

蘭江鐵路橋為雙孔單向通航橋梁，結合目前現有防撞墩平面布置[4]，對其下行孔兩側橋墩迎船面及上行孔兩側橋墩迎船面的既有防撞墩進行提升改造，共計提升改建防撞墩4座。蘭江鐵路橋橋墩防撞工程平面布置示意見圖2。

圖2 蘭江鐵路橋橋墩防撞工程平面布置示意

防撞墩主體結構采用雙肢格構樁柱設計，單個防撞墩由兩根D220 cm鋼管混凝土復合樁組成格構樁柱，在撞擊力作用區段內，柱間設置管型水平橫撐，樁柱中距為4.5 m。復合樁均按嵌巖樁進行設計。套箱采用Q235B級鋼材焊接成型，橫橋向尺寸為9.5 m，順橋西尺寸為5 m，高度為4.5 m，設計吃水3 m。套箱與格構樁柱間設置有H400型橡膠護舷，鋼套箱內部也設有傳力鋼板及橡膠護舷。

2.2 結構布置

防撞墩結構形式為雙柱式格構樁柱+浮式鋼套箱的形式，單個防撞墩由兩根D220 cm鋼管混凝土復合樁組成格構樁柱，在撞擊力作用區段內，柱間設置管型水平橫撐，樁柱中距為4.5 m，復合樁均按嵌巖樁進行設計(防撞墩斷面示意見圖3)。套箱采用 Q235B 級鋼材焊接成型，橫橋向尺寸為9.5 m，順橋西尺寸為5 m，高度為4.5 m，設計吃水3 m。套箱與格構樁柱間設置有H400型橡膠護舷，可適應大的水位落差，且浮式套箱結構利于維修更換。

圖3 防撞墩斷面示意

該結構具有結構尺寸小，主體樁柱結構不增加阻水面積，后期管養便利，投資節約等諸多優勢。

3 自然環境

3.1 水域環境

錢塘江是浙江省的第一大河，上游有南源蘭江和北源新安江，在建德市梅城匯合后流經杭州市進入杭州灣。衢江是蘭江的主流，集水面積為11 477.2 km2，河流全長258 km，發源于安徽省休寧縣青芝埭頭北坡。源頭海拔為810 m(85國家高程，下同)，源頭溪流名龍田溪，自西北流入浙江省開化縣境稱齊溪，開化馬金以下稱馬金溪；南行納各支流至華埠與池淮溪匯合后稱常山港；再下行納各溪流經常山縣城后東流，至衢州市南郊雙港口匯合江山港后稱衢江。衢江沿東北方向下行，沿途接納了眾多支流，其中較大的有右岸的烏溪江和靈山港，左岸的銅山源、芝溪，先后經樟樹潭、龍游、洋港等地，至蘭溪市區的馬公灘與金華江匯合后稱為蘭江。

衢江位于浙江西部，由常山江、江山江在衢州匯合而成，流經龍游至蘭溪與金華江匯合成蘭江，為錢塘江南源蘭江的干流。衢江全長約80 km，其中：屬衢州市境內的衢州雙港口至金華洋埠長57.5 km，屬金華市境內的洋埠至蘭溪馬公灘長22.5 km，自上而下天然河道主槽底高程為50.0～19.0 m，河床比降約為4.0‰。衢江自上而下已建塔底、安仁鋪等6級梯級樞紐，其中衢江金華段已建游埠及姚家2座樞紐梯級。

蘭江起自蘭溪市馬公灘，經女埠、洲上、下埠頭至將軍巖往北入建德市境內，流經三河、麻車、大洋至建德梅城“三江口”(蘭江、新安江、富春江)，貫通蘭溪和建德兩市。蘭江全長約44 km，自上而下天然河道主槽底高程為19.0～13.0 m，河床比降約為2.5‰。模擬試驗研究范圍情況見圖4。

3.2 水文條件

衢江上游有衢州水文站，集水面積為5 424 km2，設立于1930年，觀測項目有水位、流量、降水、泥沙等；中、下游分別設有龍游、洋港水位站，在20世紀50年代，兩站均有短期流量實測資料。龍游水位站設立于1930年，集水面積為8 860 km2；洋港水位站設立于1951年，集水面積為10 732 km2。

蘭溪水文站設置在蘭江干流，是錢塘江中游控制站，國家重要水文站。該站于1930年設立，集水面積為18 102 km2，主要觀測水位、流量、降水、蒸發量、水質、泥沙等。

1)水位

錢塘江為浙江省第一大河流，主流發源于安徽省青芝埭尖，流域面積為11 393 km2。支流金華江發源于磐安縣大盤山，流域面積為6 840 km2，流經蘭溪馬公灘與衢江匯流后入蘭江，三江口下游1.6 km處設有蘭溪水文站，為錢塘江中游控制站也是富春江電站水庫入庫站，集水面積為18 233 km2。根據蘭溪水文站觀測資料，主要特征水位為：

歷史最高洪水位：33.49 m(1955年6月21日)；

歷史最低水位：20.66 m(1976年10月1日)；

歷史最低日平均水位：22.0 m；

多年日平均水位：23.3 m。

2)徑流

據相關資料統計，蘭溪站多年平均徑流量為169.5億m3。歷史最大徑流量為280.4億m3，發生于1973年；歷史最小徑流量為66.8億m3，發生于1979年。由于降水量的年際變化大，因此徑流的年際變化也很懸殊，其年最大徑流量與年最小徑流量的比值為4.2。

3)洪水

錢塘江流域大洪水的成因，主要為梅雨和臺風暴雨。其主要特點是：峰高量大、水量集中、漲落較快，洪水過程的主要時段一般集中于3 d左右。梅雨大洪水較多出現于4—6月，而臺風雨大洪水多數發生在8—9月間。

蘭溪水文站由于受到富春江大壩調度運用的影響，水位流量關系較為復雜，呈隨時間的動態變化趨特征。本次10年、20年、50年一遇洪水采用《錢塘江流域綜合規劃修編報告》里面的相應水位值，其余則根據浙江省蘭溪水文站提供的最新站點斷面水位流量關系(見圖5所示)，通過插值確定不同頻率洪水的相應水位值(見表1所示)。

表1 蘭溪水文站不同頻率設計洪水水位 m

圖5 蘭溪水文站水文頻率分析示意

4 水流結構分析

4.1 蘭江近期河床演變概述

蘭溪為山區河流，受人為采砂影響，河道地形復雜多變，近十多年來管理部門加強了采砂監管，改變了無序采砂的情況。根據調査，擬建航道段天然河床組成較粗，且兩岸均有堤岸控制河勢，形成了穩定的邊界條件，堤岸固化，河床已處于相對穩定狀態。

通過對比20世紀60年代至現狀影像資料可以看出，20世紀60年代，河道兩岸堤防尚未建設，河道灘地寬、高灘多，河道主槽不規則；至70年代，隨著工程段部分老堤逐步建設，洪水逐漸歸槽，灘地變少，外圩洲及溪灘背漸漸形成；至2000年左右，由于河道挖沙等原因，河道主槽加寬，灘地變少；近幾年，隨著河道禁止挖沙，河道兩岸堤防加高加固，河道兩岸岸線固定，從近期演變來看，河勢基本穩定。

4.2 2015—2021年衢江及蘭江金華段河床演變特征

2003年以后，受挖沙、建壩等人類活動影響，衢江河道變化較大。本文收集到2015年與2021年衢江洋埠～蘭溪將軍巖水下地形資料，分段繪制了河床沖淤和典型斷面變化(見圖6、圖7)。

圖6 典型斷面位置示意

圖7 典型斷面沖淤變化示意

2015年以來，受航道整治工程影響，新建游埠和姚家樞紐壩址處、錨地區及航槽內河床下切，非工程區有沖有淤，灘地以淤積為主(見圖8)。蘭江K10.0斷面航槽由左岸改至河道中間，挖除了礁石灘，下游側K12.5香女大橋和K15.0女埠避洪錨地斷面河道右側均進行了疏浚。

圖8 2015—2021年衢江 K57.5～K70.0 河床沖淤分布示意

4.3 水流分析結論

錢塘江金華段三級航道整治工程實施后，在蘭溪最高通航水位對應流量條件下，衢江金華段航槽內水流條件基本滿足縱向流速小于2.0 m/s、橫向流速小于0.3 m/s的要求。蘭江段鐵路橋橋區段航槽縱向表面流速普遍超過2.0 m/s，這主要是由于橋梁不達標與本段水位下切有關。

5 數學模型的建立與驗證

根據《錢塘江(杭州八堡-衢州雙港口)三級航道 整治工程金華段數學模型計算分析報告》的研究成果，采用Mike模型計算工程河段水流條件[5]。模型上起衢江金華段起點，下至將軍巖，包含本次航道工程45 km范圍段。采用無結構三角形網格，地形為2021年10月最新實測1∶2000資料，網格節點428 893個，網格852 527個。

數學模型采用實測水文資料進行驗證，水位和流速的計算值和實測值吻合良好，可以用來開展工程所在地河段的通航水流條件研究[9]。

6 通航水流條件計算與分析

6.1 試驗工況確定

綜合考慮樞紐調度和橋區航道通航條件，模擬試驗選取表2中的2個流量工況，不同流量的流場分布，主要靠橋區通航孔范圍內最大流速來確定(見圖9)。

表2 不同工況的流量組合 m3/s

a Q蘭江=1 800 m3/s

6.2 流場分析成果

在蘭江1 800 m3/s流量下，衢江對應流量為1 350 m3/s。蘭江鐵路橋與附近流速為0.32～1.5 m/s，最大流速為1.5 m/s?？傮w來說，蘭江鐵路橋附近流場分布均勻，流速與航道中心線夾角基本在10°以內。由此分析在蘭江1 800 m3/s流量下，因流速過大(大于1.5 m/s)導致通航風險較高，建議采取管控措施。

在蘭江1 250 m3/s流量下，衢江對應流量為1 000 m3/s。蘭江鐵路橋附近流速為0.26～1.0 m/s，最大流速約為1.0 m/s。由此分析在蘭江1 250 m3/s流量下，因流速大于1.0 m/s，相對于1 000 t級船舶，流速較緩，便于船舶控制并及時調整方向，可以通航且順利靠泊。

6.3 通航水流條件

由于河道束窄和橋梁通航凈寬不達標等原因[6]，再加上蘭溪水文站近區最高通航水位較原規劃值下降了1.0 m左右，在蘭江最高通航水位對應流量為5 340 m3/s的條件下，橋區段航槽內縱向表面流速普遍超過2.0 m/s，橫向表面流速在0.3 m/s以內[7]。

1)順流向流速

根據數模計算成果，參考船閘等限制水域通航條件[8]，橋區河段順流向流速應控制在2.0 m/s以內，橫向表面流速在0.3 m/s以內，對應蘭江流量為3 260 m3/s?？紤]橋區河段水流條件復雜，且流速漂角偏大，建議橋區安全通航流速控制在1.0 m/s范圍內，對應流量為1 250 m3/s。

2)橫流流速

根據《內河通航標準》(GB 50139—2014)[9]，天然和渠化河段橫流對船舶航偏距影響較大。對于三級航道，0.1 m/s橫向流速導致的偏航距為8 m，考慮代表船型寬度10.8 m，蘭江鐵路橋通航孔凈寬僅25 m，因此橋區河段橫向流速應小于0.1 m/s。

3)相鄰跨河工程間距根據《內河通航標準》(GB 50139—2014)，兩座相鄰水上過河建筑物的軸線間距，一級～五級航道應大于代表船隊長度與代表船隊下行5 min航程之和。對于本工程的蘭江鐵路橋距離蘭江大橋約700 m、距離下游金角大橋僅420 m，不滿足上述相鄰跨河工程間距要求，因此應在考慮通航安全時預留更多安全富余值。

6.4 運營期通航安全保障措施

1)根據蘭江鐵路橋通航孔最大流速控制航道通行[10]

在蘭江1 250 m3/s流量下，蘭江鐵路橋附近最大流速約為1.0 m/s；橋區河段可以在緩流條件下相對安全地通航。若流速較大，應采取限制性通航的管控措施，嚴格管控。建議當蘭溪水文站在流量大于1 800 m3/s時，橋區河段對于1 000 t級以上船舶進行風險提示及航行管控，500 t級船舶加強監測和風險提示，橋區按照單向通行管控。當蘭溪水文站在流量大于1 250 m3/s時，橋區河段針對1 000 t級船舶和空載船舶加強航行管控措施。

2)船舶漂角

為了保證橋區河段通航安全，規定上行船舶在距離蘭江鐵路橋200 m處、距離蘭江大橋400處，應對齊船舶航向。下行船舶在距離蘭江鐵路橋300 m處、距離蘭江大橋600 m處，應對齊船舶航向。

3)防撞墩設計[11]

為了保證橋區通航船舶安全，建議在防撞墩鋼套筒表面增加彈性變形的結構或者材質，以保證蘭江鐵路橋不受破壞，同時保證通行船舶的安全。

4)加強橋區河段的監控管理[12]

在蘭江鐵路橋河段布設視頻監控、高音喇叭等設施，嚴密監控橋區的流態、可視距離等相關參數，指導船舶通行。因為夜間視野受限，應禁止通航。同時，對橋區船舶的航行狀態實時監控，發現操作不當及偏航等風險時，及時警告、指令控制，如果發現事故苗頭及時制止。同時，管理部門按照應急預案緊急處置。

5)建議在橋區河段設置監督站管控引導橋區船舶

建議在橋區河段設置監督站管控引導橋區船舶，考慮到金角大橋下游100 m處有海事碼頭，可以利用該碼頭加強對橋區的監督管理；當遇大風、大霧、橫流較大等不利航行條件時，派遣大功率海事艇到橋區值守。當航行船舶遇到風險時，及時提供拖帶牽引服務，一旦出現海事事故，也可以及時處置。

7 結語

1)分析研究了工程河段的河道演變及水流條件。

2)采用平面二維水流方程建立了適用于工程河段的平面二維水流數學模型，計算結果和實測值吻合良好，表明所采用的方法能夠用來研究蘭江鐵路橋的通航水流條件。

3)通過計算蘭江鐵路橋橋區通航水流條件，評估了該工程河段航道的通航水流條件，并提出了運營期相關的安全保障措施，以保障船舶通航安全。在現有橋梁方案及防撞墩方案基礎上，提出安全管控措施，為現狀航道及橋區通航安全提供參考，對今后類似等級橋區航道的運營期管控措施有一定的借鑒作用。