九圩港闸闸下兴建桥梁工程模型试验研究

杨程生，龙志勇

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

九圩港闸闸下兴建桥梁工程模型试验研究

杨程生，龙志勇

（南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

九圩港闸下新建桥梁工程，不能单独从泥沙问题来考虑其影响，还应考虑工程后对九圩港闸引、排水功能以及对闸上已有桥梁工程的影响。通过物理模型试验研究将较好地解决相关难题，为工程决策、设计提供科学依据。研究结果表明，桥梁工程方案实施后潮位最大壅高 0.028m，对流速影响较大的范围在桥轴线上下 100m 之内，对九圩港闸引、排水流量的影响在3%以内。

九圩港闸；桥梁工程；模型试验；引水；排水；流量

九圩港闸是南通市引江灌溉兼顾排涝的骨干工程，位于长江北岸、南通市西郊、九圩港河河口，距长江边 1.3 km。南通市长江北路西延工程是城市快速路网“一轴一环八射”中的一射，是沿江快速通道的重要组成部分，是城市对外出入口以及沿江产业与港口对外运输重要通道，它的建设将实现城市西进的快速化，完善南通市区西部的交通路网，对城市的发展具有重要的意义。而跨越九圩港的桥梁通道工程为本工程的关键节点。跨越九圩港通道工程推荐方案为中线方案，中线工程方案位于九圩港闸下游，距离九圩港闸250m 左右，距离闸上老城港路桥 680m。目前，国内学者对于闸下的研究主要集中在闸下的泥沙冲淤问题，如窦国仁对射阳河闸下淤积[1]、王宏江对泥质河口闸下冲淤特性及冲淤量的分析预报进行了 研究[2]， 史斌[3-4]和韩 海骞[5]分别对 曹娥 江 枢纽闸下冲刷进行了试验研究，此外徐群等[6]研究了射阳闸闸下电厂码头和取水工程淤积问题。国内对于闸下建设桥梁工程的研究比较少见。九圩港闸下新建桥梁工程，考虑到九圩港闸的功能，不能单纯的从泥沙问题来考虑，需考虑桥梁建成后对九圩港闸引、排水的影响，同时还应确定对闸上老城港路桥的有无影响。因此，通过物理模型试验研究将从定性和定量上来解决上述问题，为相关部门决策、设计提供科学依据。

1 九圩港基本情况

南通九圩港闸位于长江北岸、南通市西郊、九圩港河河口，距长江边 1.3 km，是南通地区的第一大闸，见图1。九圩港闸设计渠首泡田期灌溉平均流量 92m3/s，是一座以引江灌溉为主，兼顾排涝用途的大型水工建筑物。南通九圩港闸承担着如东县全部及南通市郊、海安、如皋、通州等市 （县） 部分地区的 2 300 km2（345 万亩） 农田引江灌溉；排涝受益面积范围 697 km2。

建筑物的主要结构：闸身为钢筋混凝土，共分 40 孔，每孔净宽 5.00m，总净宽 200.00m，连同闸墩总宽 236.55m。底板高程-2.00m （废黄河零点），胸墙底高程为 3.30m，顶高程 7.20m。闸上下游均设有消力塘，上游消力塘底高程为-2.40m，顺水流方向长度为 15.50m；下游消力塘底 高程 为 -2.60 m， 顺 水 流 方 向 长 度 为 15.50 m；消力塘末端有消力坎，坎顶高程-2.00m，坎宽2.00 m。上下游块石护坦顺水流方向长度均为45.00m，下接防冲槽，槽顶高程-4.40m，干砌块石厚度 1.1m，槽宽 6.50m，再往下约 20.00m 逐渐与河底相接，至河底-2.00m 高程。

设计最大引水流量为 1 540m3/s，实际最大引水流量 1 560m3/s；设计最大排水流量 1 900m3/s，实际最大排水流量 1 350m3/s 。

图1 九圩港闸附近 2012 年 11 月河势图Fig.1 The river regime near the Jiuw eigang bar riers in Nov.2012

九圩港下游港道为入江口门，其演变受长江潮流的影响一般呈淤积状态。但由于九圩港闸引排使用时间较多，对九圩港上、下游港道维护起一定的积极作用。下游港道断面总体变幅较小，呈微淤状态，年淤积量 0.4 万 m3。

2 中线桥位工程方案

中线工程方案距离长江约 1.0 km，距离九圩港闸 250m 左右，距闸上老城港路桥约 680m，由入江口门侧穿越九圩港；中线桥位涉水桥墩墩型结构型式一致，承台厚度 2.5 m，桩径1.5 m，单墩承台长度 10m，宽度 6.25m （图 2）。

3 物理模型概述

根据桥位区河床变化、研究内容以及试验场地条 件， 确定 九圩 港通道 工程 模型 为 正态 模型[7]，即模型的水平比尺和垂直比尺相等：λL=λH=40。模型长 60m，宽 10m，上、下游边界分别在九圩港闸中心线上游 900m、下游 1 300m 处，闸上游端尾门设置1台大功率的往复流泵；下游端设置旋转式翻板尾门，通过自动执行潮位过程和流量过程的计算机控制生潮系统和进出流系统，在模型内形成往复涨落水流，模型的外缘为回水通道，与水库连通构成进出水循环回路。目前，国内大部分学者针对河口闸下淤积问题，建立二维[8]、三维[9]数学模型进行研究 ，模型范围不包括闸上 河段。而本次物理模型研究范围包括闸上一定长度的河道，模型布置见图3。拟建工程的影响主要发生在九圩港闸引、排水期间，模型验证时主要考虑引、排水时段内的潮位及流量相似，有关物理模型设计、模型布置、验证试验及控制边界参数见文献 [10] 。

4 试验水文条件及测点布置

桥梁工程建设后的影响主要发生在九圩港闸引、排水期间。历史上九圩港闸最大排水量发生在 1969 年 7 月 7 日，排水量为 1 350m3/s，对应天生港最高潮位为 2.43m，最低潮位为 0.61m，最大引水量发生在 1973 年 7 月 3 日，引水量为1 560m3/s，对应天生港最高潮位为 3.70m，最低潮位为 0.72m。考虑到工程建设后最不利情况，以及模型的可操作性，模型试验只选取最大引、排水时间段进行工程方案试验研究。上、下游尾门边界控制水文条件见图 4～图 7。试验时布置了6个临时水位站及4个测流断面，水位站及流速测点布置见图8。

图2 中线桥位桥型及桥墩结构示意图Fig.2 M idline location bridge typeand pier structure

图3 九圩港通道物理模型布置示意图Fig.3 Physicalmodelarrangementof the port channels

5 试验研究成果

5.1 潮位变化

图4 最大排水时天生港潮位过程Fig.4 Tidalprocessof Tiansheng Port at themaximum d rainage

图5 九圩港闸最大排水时流量过程Fig.5 Flow processof Jiuweigang barriersat themaximum drainage

图6 最大引水时天生港潮位过程Fig.6 Tidalprocessof Tiansheng Por tat them aximum diversion

图7 九圩港闸最大引水时流量过程Fig.7 Flow processof Jiuweigang barriersat the maximum d iversion

图8 试验测点及水位站布置图Fig.8 Arrangementof testmeasure pointsand gauging stations

由试验成果可知，排水时桥上游潮位壅高，下游潮位降低，引水反之。排水量最大时潮位壅高约 0.028m，最高潮位壅高约 0.005m，平均壅高不超过 0.012m；大桥下游排水量最大时潮位降低约 0.031m，最高潮位时降低 0.004m 左右，平均降低不超过 0.013m。距大桥上游较远处的 1 号测站基本没有影响，对下游6号测站潮位略有影响，平均排水量时潮位降低不超过 0.005m。九圩港闸引水时大桥上、下游潮位变化小于排水，这是由于引水时潮位较高，工程后对潮位的影响相对较小，排水时潮位较低，工程后对潮位影响相对较大，见表 1、表 2。

表1 排水时工程前后潮位变化Table1 The tidal changeatwater drainagebefore and after the engineering m

5.2 流速变化

由试验资料可知，当九圩港闸排水时，工程前后桥上游的2号断面平均流速和最大流速变幅在 10%左右，1号断面一般小于 5%；3号断面平均流速最大变幅 12%左右，最大流速减小9.4%，对 4 号断面流速影响在 5%左右。当九圩港闸引水时桥上游的1号断面平均流速和最大流速影响小于 5%，2号断面小于 10%；3号断面平均流速和最大流速影响在 10%左右，4号断面最大影响在5%左右。引水时中线方案上、下游流速影响小于排水情况，各测流断面流速变化较大的测点变化情况见表 3和表 4，最大流速变化情况见图 9 和图 10。

表2 引水时工程前后潮位变化Table2 The tidalchangeatwater diversion beforeand after the engineeringm

表3 工程前后排水时平均流速和最大流速变化Table 3 Changesof themean andm axim um flow velocity atwater d rainage m·s-1

由上述分析可知，涉水桥梁工程上、下游100m 范围内对流速影响程度在 10%左右，200m以外对流速影响小于5%。

5.3 流量变化

中线方案实施后九圩港排水时平均和最大流量减小3%以内，引水时流量减小2%以内。虽然工程后引水流量减小幅度大于排水，但由于引水时潮位较高，工程后对引水时的影响小于排水。见表 5、表 6。

表4 工程前后引水时平均流速和最大流速变化Table4 Changesof themean andmaximum flow velocity atwater diversion m·s-1

图9 排水时工程前后各测点最大流速变化Fig.9 Changesofmaximum flow velocity in eachm easure pointatwater drainage

图10 引水时工程前后各测点最大流速变化Fig.10 Changesofmaximum flow velocity in each measure pointatwater diversion

表5 中线方案排水时流量变化Table 5 Flow changesatw ater drainage form id line location scheme m3·s-1

表6 中线方案引水时流量变化Table6 Flow changesatwater diversion form idline location schem e m3·s-1

6 结语

1） 中 线 桥 梁 方 案 实 施 后 潮 位 最 大 壅 高0.028 m， 对 流速 影响较 大的 范围 在桥轴线 上下100m 之内，对九圩港闸引、排水流量的影响在3%以内。工程后对排水的影响稍大于引水，同时对闸上城港路桥基本无影响。

2） 通过对九圩港闸下新建桥梁工程的研究，为今后类似工程提供了较好的借鉴作用。

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Study on the physicalmodel of bridge construction downstream Jiuweigang barriers

YANGCheng-sheng，LONGZhi-yong
（Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210029，China）

The study on the bridge construction downstream Jiuweigang barriers includes the sediment-related issues，and the effectson the barriers diversion and drainage，aswellas the exiting upstream bridge construction after the project imp lementation should be considered.The related problemswill be solved by the present physicalmodel，and the scientific basiswill be provided for the project policy decision and design.The results show that， after the implement of the bridge beams scheme，themaximum backwater isabout0.028m； themajor influence region iswithin the rangeof100m up and down thebridgeaxis； the later engineering influence on the diversion and drainage discharge iswithin 3%.

Jiuweigang barriers； bridge construction； physicalmodel； diversion； drainage； discharge

TV148

A

1003-3688（2014）02-0045-06

10.7640/zggw js201402009

2013-06-21

杨程生 （1982 — ），男，安徽怀宁人，工程师，主要从事工程泥沙问题研究。E-mail： csyang04@163.com