兰江铁路桥通航水流条件数值模拟

付旭辉，刘予希

(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

随着钱塘江金华段航道的发展，兰江铁路桥通航尺度不能满足三级航道的通航安全要求[1]，存在船舶碰撞隐患，因此本研究针对已建兰江铁路桥及桥梁防撞墩改造工程开展通航安全保障方案研究，在现有桥梁方案及防撞墩方案基础上，提出安全管控措施[2]，为现状航道及桥区通航安全提供参考。

1 工程概况

兰江铁路桥位于钱塘江金华段兰溪市境内，兰江大桥下游约700 m的兰江航道上，上距金华江入汇口约2.1 km，距离钱塘江金华段航道起点约24.5 km。兰江铁路桥于1958年建成通车，全长564.2 m，现状桥梁上游侧布置4座防撞墩，下游侧布置4座防撞墩。

工程河段属典型的山区河段，工程场地西侧紧靠兰溪市区滨江路，东侧靠兰江大堤，交通条件十分便利(见图1)。上游距兰江大桥700 m，下游距金角大桥500 m，距兰江与金华江交汇处2.1 km，江面宽度约400 m，洪水期平均流速为2～3 m/s，洪水期局部可达4 m/s，枯水期平均水深约为3～4 m。兰江常水位(23.5 m)条件下，航道水深大于4.2 m，在设计最低通航水位(22.35 m)情况下，航道水深大于3.0 m，满足天然和渠化河流三级航道水深要求。但是通航净宽仅为25 m，小于三级航道规定的单向通航净宽55 m的要求[3]。因此有必要进行兰江铁路桥桥区通航水流条件数值模拟研究。

图1 兰江铁路桥卫星位置示意

2 工程布置

2.1 平面布置

兰江铁路桥为双孔单向通航桥梁，结合目前现有防撞墩平面布置[4]，对其下行孔两侧桥墩迎船面及上行孔两侧桥墩迎船面的既有防撞墩进行提升改造，共计提升改建防撞墩4座。兰江铁路桥桥墩防撞工程平面布置示意见图2。

图2 兰江铁路桥桥墩防撞工程平面布置示意

防撞墩主体结构采用双肢格构桩柱设计，单个防撞墩由两根D220 cm钢管混凝土复合桩组成格构桩柱，在撞击力作用区段内，柱间设置管型水平横撑，桩柱中距为4.5 m。复合桩均按嵌岩桩进行设计。套箱采用Q235B级钢材焊接成型，横桥向尺寸为9.5 m，顺桥西尺寸为5 m，高度为4.5 m，设计吃水3 m。套箱与格构桩柱间设置有H400型橡胶护舷，钢套箱内部也设有传力钢板及橡胶护舷。

2.2 结构布置

防撞墩结构形式为双柱式格构桩柱+浮式钢套箱的形式，单个防撞墩由两根D220 cm钢管混凝土复合桩组成格构桩柱，在撞击力作用区段内，柱间设置管型水平横撑，桩柱中距为4.5 m，复合桩均按嵌岩桩进行设计(防撞墩断面示意见图3)。套箱采用 Q235B 级钢材焊接成型，横桥向尺寸为9.5 m，顺桥西尺寸为5 m，高度为4.5 m，设计吃水3 m。套箱与格构桩柱间设置有H400型橡胶护舷，可适应大的水位落差，且浮式套箱结构利于维修更换。

图3 防撞墩断面示意

该结构具有结构尺寸小，主体桩柱结构不增加阻水面积，后期管养便利，投资节约等诸多优势。

3 自然环境

3.1 水域环境

钱塘江是浙江省的第一大河，上游有南源兰江和北源新安江，在建德市梅城汇合后流经杭州市进入杭州湾。衢江是兰江的主流，集水面积为11 477.2 km2，河流全长258 km，发源于安徽省休宁县青芝埭头北坡。源头海拔为810 m(85国家高程，下同)，源头溪流名龙田溪，自西北流入浙江省开化县境称齐溪，开化马金以下称马金溪；南行纳各支流至华埠与池淮溪汇合后称常山港；再下行纳各溪流经常山县城后东流，至衢州市南郊双港口汇合江山港后称衢江。衢江沿东北方向下行，沿途接纳了众多支流，其中较大的有右岸的乌溪江和灵山港，左岸的铜山源、芝溪，先后经樟树潭、龙游、洋港等地，至兰溪市区的马公滩与金华江汇合后称为兰江。

衢江位于浙江西部，由常山江、江山江在衢州汇合而成，流经龙游至兰溪与金华江汇合成兰江，为钱塘江南源兰江的干流。衢江全长约80 km，其中：属衢州市境内的衢州双港口至金华洋埠长57.5 km，属金华市境内的洋埠至兰溪马公滩长22.5 km，自上而下天然河道主槽底高程为50.0～19.0 m，河床比降约为4.0‰。衢江自上而下已建塔底、安仁铺等6级梯级枢纽，其中衢江金华段已建游埠及姚家2座枢纽梯级。

兰江起自兰溪市马公滩，经女埠、洲上、下埠头至将军岩往北入建德市境内，流经三河、麻车、大洋至建德梅城“三江口”(兰江、新安江、富春江)，贯通兰溪和建德两市。兰江全长约44 km，自上而下天然河道主槽底高程为19.0～13.0 m，河床比降约为2.5‰。模拟试验研究范围情况见图4。

3.2 水文条件

衢江上游有衢州水文站，集水面积为5 424 km2，设立于1930年，观测项目有水位、流量、降水、泥沙等；中、下游分别设有龙游、洋港水位站，在20世纪50年代，两站均有短期流量实测资料。龙游水位站设立于1930年，集水面积为8 860 km2；洋港水位站设立于1951年，集水面积为10 732 km2。

兰溪水文站设置在兰江干流，是钱塘江中游控制站，国家重要水文站。该站于1930年设立，集水面积为18 102 km2，主要观测水位、流量、降水、蒸发量、水质、泥沙等。

1)水位

钱塘江为浙江省第一大河流，主流发源于安徽省青芝埭尖，流域面积为11 393 km2。支流金华江发源于磐安县大盘山，流域面积为6 840 km2，流经兰溪马公滩与衢江汇流后入兰江，三江口下游1.6 km处设有兰溪水文站，为钱塘江中游控制站也是富春江电站水库入库站，集水面积为18 233 km2。根据兰溪水文站观测资料，主要特征水位为：

历史最高洪水位：33.49 m(1955年6月21日)；

历史最低水位：20.66 m(1976年10月1日)；

历史最低日平均水位：22.0 m；

多年日平均水位：23.3 m。

2)径流

据相关资料统计，兰溪站多年平均径流量为169.5亿m3。历史最大径流量为280.4亿m3，发生于1973年；历史最小径流量为66.8亿m3，发生于1979年。由于降水量的年际变化大，因此径流的年际变化也很悬殊，其年最大径流量与年最小径流量的比值为4.2。

3)洪水

钱塘江流域大洪水的成因，主要为梅雨和台风暴雨。其主要特点是：峰高量大、水量集中、涨落较快，洪水过程的主要时段一般集中于3 d左右。梅雨大洪水较多出现于4—6月，而台风雨大洪水多数发生在8—9月间。

兰溪水文站由于受到富春江大坝调度运用的影响，水位流量关系较为复杂，呈随时间的动态变化趋特征。本次10年、20年、50年一遇洪水采用《钱塘江流域综合规划修编报告》里面的相应水位值，其余则根据浙江省兰溪水文站提供的最新站点断面水位流量关系(见图5所示)，通过插值确定不同频率洪水的相应水位值(见表1所示)。

表1 兰溪水文站不同频率设计洪水水位 m

图5 兰溪水文站水文频率分析示意

4 水流结构分析

4.1 兰江近期河床演变概述

兰溪为山区河流，受人为采砂影响，河道地形复杂多变，近十多年来管理部门加强了采砂监管，改变了无序采砂的情况。根据调査，拟建航道段天然河床组成较粗，且两岸均有堤岸控制河势，形成了稳定的边界条件，堤岸固化，河床已处于相对稳定状态。

通过对比20世纪60年代至现状影像资料可以看出，20世纪60年代，河道两岸堤防尚未建设，河道滩地宽、高滩多，河道主槽不规则；至70年代，随着工程段部分老堤逐步建设，洪水逐渐归槽，滩地变少，外圩洲及溪滩背渐渐形成；至2000年左右，由于河道挖沙等原因，河道主槽加宽，滩地变少；近几年，随着河道禁止挖沙，河道两岸堤防加高加固，河道两岸岸线固定，从近期演变来看，河势基本稳定。

4.2 2015—2021年衢江及兰江金华段河床演变特征

2003年以后，受挖沙、建坝等人类活动影响，衢江河道变化较大。本文收集到2015年与2021年衢江洋埠～兰溪将军岩水下地形资料，分段绘制了河床冲淤和典型断面变化(见图6、图7)。

图6 典型断面位置示意

图7 典型断面冲淤变化示意

2015年以来，受航道整治工程影响，新建游埠和姚家枢纽坝址处、锚地区及航槽内河床下切，非工程区有冲有淤，滩地以淤积为主(见图8)。兰江K10.0断面航槽由左岸改至河道中间，挖除了礁石滩，下游侧K12.5香女大桥和K15.0女埠避洪锚地断面河道右侧均进行了疏浚。

图8 2015—2021年衢江 K57.5～K70.0 河床冲淤分布示意

4.3 水流分析结论

钱塘江金华段三级航道整治工程实施后，在兰溪最高通航水位对应流量条件下，衢江金华段航槽内水流条件基本满足纵向流速小于2.0 m/s、横向流速小于0.3 m/s的要求。兰江段铁路桥桥区段航槽纵向表面流速普遍超过2.0 m/s，这主要是由于桥梁不达标与本段水位下切有关。

5 数学模型的建立与验证

根据《钱塘江(杭州八堡-衢州双港口)三级航道 整治工程金华段数学模型计算分析报告》的研究成果，采用Mike模型计算工程河段水流条件[5]。模型上起衢江金华段起点，下至将军岩，包含本次航道工程45 km范围段。采用无结构三角形网格，地形为2021年10月最新实测1∶2000资料，网格节点428 893个，网格852 527个。

数学模型采用实测水文资料进行验证，水位和流速的计算值和实测值吻合良好，可以用来开展工程所在地河段的通航水流条件研究[9]。

6 通航水流条件计算与分析

6.1 试验工况确定

综合考虑枢纽调度和桥区航道通航条件，模拟试验选取表2中的2个流量工况，不同流量的流场分布，主要靠桥区通航孔范围内最大流速来确定(见图9)。

表2 不同工况的流量组合 m3/s

a Q兰江=1 800 m3/s

6.2 流场分析成果

在兰江1 800 m3/s流量下，衢江对应流量为1 350 m3/s。兰江铁路桥与附近流速为0.32～1.5 m/s，最大流速为1.5 m/s。总体来说，兰江铁路桥附近流场分布均匀，流速与航道中心线夹角基本在10°以内。由此分析在兰江1 800 m3/s流量下，因流速过大(大于1.5 m/s)导致通航风险较高，建议采取管控措施。

在兰江1 250 m3/s流量下，衢江对应流量为1 000 m3/s。兰江铁路桥附近流速为0.26～1.0 m/s，最大流速约为1.0 m/s。由此分析在兰江1 250 m3/s流量下，因流速大于1.0 m/s，相对于1 000 t级船舶，流速较缓，便于船舶控制并及时调整方向，可以通航且顺利靠泊。

6.3 通航水流条件

由于河道束窄和桥梁通航净宽不达标等原因[6]，再加上兰溪水文站近区最高通航水位较原规划值下降了1.0 m左右，在兰江最高通航水位对应流量为5 340 m3/s的条件下，桥区段航槽内纵向表面流速普遍超过2.0 m/s，横向表面流速在0.3 m/s以内[7]。

1)顺流向流速

根据数模计算成果，参考船闸等限制水域通航条件[8]，桥区河段顺流向流速应控制在2.0 m/s以内，横向表面流速在0.3 m/s以内，对应兰江流量为3 260 m3/s。考虑桥区河段水流条件复杂，且流速漂角偏大，建议桥区安全通航流速控制在1.0 m/s范围内，对应流量为1 250 m3/s。

2)横流流速

根据《内河通航标准》(GB 50139—2014)[9]，天然和渠化河段横流对船舶航偏距影响较大。对于三级航道，0.1 m/s横向流速导致的偏航距为8 m，考虑代表船型宽度10.8 m，兰江铁路桥通航孔净宽仅25 m，因此桥区河段横向流速应小于0.1 m/s。

3)相邻跨河工程间距根据《内河通航标准》(GB 50139—2014)，两座相邻水上过河建筑物的轴线间距，一级～五级航道应大于代表船队长度与代表船队下行5 min航程之和。对于本工程的兰江铁路桥距离兰江大桥约700 m、距离下游金角大桥仅420 m，不满足上述相邻跨河工程间距要求，因此应在考虑通航安全时预留更多安全富余值。

6.4 运营期通航安全保障措施

1)根据兰江铁路桥通航孔最大流速控制航道通行[10]

在兰江1 250 m3/s流量下，兰江铁路桥附近最大流速约为1.0 m/s；桥区河段可以在缓流条件下相对安全地通航。若流速较大，应采取限制性通航的管控措施，严格管控。建议当兰溪水文站在流量大于1 800 m3/s时，桥区河段对于1 000 t级以上船舶进行风险提示及航行管控，500 t级船舶加强监测和风险提示，桥区按照单向通行管控。当兰溪水文站在流量大于1 250 m3/s时，桥区河段针对1 000 t级船舶和空载船舶加强航行管控措施。

2)船舶漂角

为了保证桥区河段通航安全，规定上行船舶在距离兰江铁路桥200 m处、距离兰江大桥400处，应对齐船舶航向。下行船舶在距离兰江铁路桥300 m处、距离兰江大桥600 m处，应对齐船舶航向。

3)防撞墩设计[11]

为了保证桥区通航船舶安全，建议在防撞墩钢套筒表面增加弹性变形的结构或者材质，以保证兰江铁路桥不受破坏，同时保证通行船舶的安全。

4)加强桥区河段的监控管理[12]

在兰江铁路桥河段布设视频监控、高音喇叭等设施，严密监控桥区的流态、可视距离等相关参数，指导船舶通行。因为夜间视野受限，应禁止通航。同时，对桥区船舶的航行状态实时监控，发现操作不当及偏航等风险时，及时警告、指令控制，如果发现事故苗头及时制止。同时，管理部门按照应急预案紧急处置。

5)建议在桥区河段设置监督站管控引导桥区船舶

建议在桥区河段设置监督站管控引导桥区船舶，考虑到金角大桥下游100 m处有海事码头，可以利用该码头加强对桥区的监督管理；当遇大风、大雾、横流较大等不利航行条件时，派遣大功率海事艇到桥区值守。当航行船舶遇到风险时，及时提供拖带牵引服务，一旦出现海事事故，也可以及时处置。

7 结语

1)分析研究了工程河段的河道演变及水流条件。

2)采用平面二维水流方程建立了适用于工程河段的平面二维水流数学模型，计算结果和实测值吻合良好，表明所采用的方法能够用来研究兰江铁路桥的通航水流条件。

3)通过计算兰江铁路桥桥区通航水流条件，评估了该工程河段航道的通航水流条件，并提出了运营期相关的安全保障措施，以保障船舶通航安全。在现有桥梁方案及防撞墩方案基础上，提出安全管控措施，为现状航道及桥区通航安全提供参考，对今后类似等级桥区航道的运营期管控措施有一定的借鉴作用。