2012年3月 水运工程 Port&Waterway Engineering Mar.2012 No.3 Serial No.464 第3期总第464期 沪通铁路长江大桥工程河段航道条件 及桥墩布置方案 裴金林,李靓亮,赵维阳,许乐华 (长江航道规划设计研究院,湖北武汉430011) 摘要:沪通铁路长江大桥选址在澄通河段中段南通水道进口处,该航段为I级航道,此河段由于横港沙及通州沙等影 响,河道变化复杂,深泓易摆动,并且桥区河段深水航道稳定对沿江经济发展至关重要,因此桥墩布置方案必须结合深水航 道上延需求,充分考虑航道条件变化及通航要求。在充分考虑水文、河床演变、航道条件、航运等因素的基础上,合理布置 桥墩方案,以最大限度满足通航要求。 关键词:沪通铁路长江大桥;航道条件;桥墩布置 中图分类号:U 442.5 文献标志码:A 文章编号:1002—4972(2012)03—0108—07 Shanghai-Nantong railway bridge channel condition and bridge pier arrangement PEI Jin—lin,LI Liang-liang,ZHAO Wei—yang,XU Le—hua (Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute,Wuhan 43001 1,China) Abstract:Shanghai—Nantong railway bridge locates at the middle of Chengtong river,a class I chanhne1. The deepwater channel plays an important role to the economy along the stream and the river regime varies due to the influence of Henggang sandbar and Tongzhou sandbar.Thus,the consideration of a variety of channel conditions and shipping transportation for the bridge pier allocation is compulsory.The maximum satisfaction for river transportation could be reached by optimizing bridge pier allocation based on considerations of hydrology, luvial process,channel condition,shifpping transportation,etc. Key words:Shanghai—Nantong railway bridge;channel condition;bridge pier arrangement 沪通铁路大桥是上海至江苏南通城际铁路的 组成部分,也是我国沿海铁路的重要组成部分。 件,减小对深水航道的影响。 根据前期工作研究,沪通铁路过江通道倾向于桥 梁方案。众所周知,桥梁建设对航道及通航的影 响长达数十年甚至上百年,尤其在长江下游近河 口段,长江深水航道对沿江经济的发展具有至关 重要的作用,所以在不影响局部河势格局且不制 1河道及航道概况 1.1河道概况 拟建沪通铁路大桥位于长江下游澄通河段中 段的南通水道进口处,航道里程为108 km。南 通水道上起十二圩,下至龙爪岩,长约18 km, 为一向左弯曲河型,深槽傍左岸,目前分泄长江 水流达95%左右,水深条件较好。自西界港开 始,河道突然放宽,江面宽达10 km,使得水道 中暗沙纵横,冲淤消长,变化频繁。南通水道进 口左侧为横港沙,中段右侧水域有青天礁及通州 约深水航道布置的前提下,选取合适的桥位及桥 型方案十分重要。为此,开展沪通长江大桥工程 河段航道条件分析及桥墩布置研究,为大桥通航 技术要求研究与桥式方案设计提供技术支撑,合 理选择孔跨和墩位,以尽可能维持良好的通航条 收稿日期:2011-09—23 作者简介:裴金林(1967一),男,高级工程师,从事航道整治工程及通航论证工作。 第3期 裴金林,等:沪通铁路长江大桥工程河段航道条件及桥墩布置方案 ・109・ 沙,其中通州沙为最大的一个沙体,将该水道一 分为二,沿左岸而下的称为通州沙东水道,右汊 习称通州沙西水道,目前通州沙东水道为主汊, 碾砣港 分流比占90%以上,近年来通州沙东水道作为 主汊的地位进一步加强。拟建桥位工程河段河势 见图1。 图1 拟建桥位工程河段河势 1.2航道现状及发展规划 的思路,先期对通州沙、白茆沙水道进行治理, 使南通以下航道水深达到12.5 m。实施福姜沙、 仪征、和畅洲、口岸直等水道关键控制工程或航 道治理工程和后续完善工程,加大维护力度,力 争开通南京以下12.5 m深水航道。拟于2015年, 辅以疏浚措施,把长江口l2.5 m深水航道初通至 南京;至2020年,全面实施航道整治工程后,长 江口12.5 m深水航道上延至南京。 自2003年7月1日,长江江苏段实施船舶 定线制航路,航道维护尺度为10.5 m ̄500 m× 1 050 m(航道水深×航宽×弯曲半径,下同),水深 维护保证率为98%。为了进一步加强长江航道建 设,充分发挥长江水运优势,适应流域经济社会 发展对长江水运的更高要求,根据((长江干线航 道发展规划》,到2020年工程河段将与长江口深 水航道相适应,逐步改善通航条件,适应海船运 输的需要,通航5万吨级海船,通航由2 000 t或 5 000 t驳船组成的2万~4万吨级船队。 目前南京以下正着手开展12.5 m深水航道上 延工程前期研究,以部省共建方式,通过三期航 道整治工程建设,提前实现规划目标。长江下游 重点实施南京以下12.5 m深水航道建设工程,按 2桥址河段水文条件及河床演变特征 2.1水文条件 2.1.1潮汐 桥址河段处于感潮区内,潮汐为不正规半日 潮,潮差较小,水流基本为单向流,河床演变即 造床作用主要受上游径流控制。澄通河段江阴和 天生港2个主要潮位站的潮汐特征值见表1。 照“整体规划、分期实施、自下而上、先通后畅” 表1江阴、天生港潮位特征值 ・l10・ 水运工程 2.1.2径流 小流量:4 620 m3/s(1979—01—31);多年平均洪峰 流量:59 000 m3/s(1950--1998年)。 2.1.3泥沙 大通水文站是长江下游径流主要控制站,距 本河段约400 km,该站径流资料基本可以代表本 河段水文、泥沙特征,其特征值如下: 多年平均流量:8 962亿m (1950--2008年); 历年最大流量:92 600 m3/s(1954—08—01);历年最 根据大通站实测资料,长江来沙量丰富,多年 平均输沙量约为4.33亿t(表2)。2003年以来输沙量 降f晤±曾加,其中2008年的年平均输沙量为1.30亿t。 表2大通站近年年输沙量 年份 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 多年平均(195 l一200O) 年输沙量,,『乙t 2.76 4.33 2.2河床演变分析 2.2.1河床演变特征 南通水道上承浏海沙水道,中有天生港水道 水流入汇,下连通州沙水道,其演变过程具有如 下特点: 1)贴岸段深泓相对稳定,过渡段主流年际间 有一定的摆动。 不大。 2)10 m深槽全线贯通,总体较为稳定,但受 局部滩体的影响,局部深槽仍有变化。 浏海沙水道10 1TI槽全线贯通,平均宽度达 1 km以上。但浏海沙上段右岸的段山港附近为 凸岸,进口主流北偏,1980年以来右岸出现不 足10 m浅滩,1986年后开始下延,至2004年 已累计下延近6 km,浅滩尾部已到达七圩河口 长江主流自七圩、十一圩贴岸进入南通水道, 从十二圩开始受弯道离心力作用,主流逐渐偏转 左岸,过渡至河道右侧,贴左岸侧横港沙右缘下 行,在南通港附近紧贴凹岸下行,至末端龙爪岩 节点挑流过渡至河心,2O多年来深泓线总体变化 位置,10 rn深槽年际间变化相对较大,自七圩 一下,下段10 m深槽紧贴岸线而下,受两岸人 工护岸的实施,深槽冲淤少变,因此相对稳定 下来(图2)。 图2南通水道10 in等深线变化 3)横港沙下段仍表现缓慢后退,沙尾呈小幅 上提下挫。 主要崩退的部位为横港沙沙体下段。80年代至今, 表现为下段右缘伴随沙尾上提而逐步后退,但崩 退幅度明显减小,趋于稳定。 横港沙右缘总的变化趋势表现为缓慢后退, 第3期 裴金林,等:沪通铁路长江大桥工程河段航道条件及桥墩布置方案 ・11卜 4)通州沙沙头左侧沙体冲淤变化较大,目前 仍未完全稳定。 通州沙沙头演变相对较剧烈主要为与弯顶段 相对的凸岸,沙头冲刷后退,沙尾淤积下延,沙 体总体向南后退。2008年,沙头大幅度后退,与 2006年相比后退幅度达850 m,沙尾相应下延约 2005--2006年通州沙沙头左侧沙体后退约 450 m,相应暗沙向河心淤涨约200 m;20O6— 2008年,通州沙沙头左侧沙体继续后退约900 m, 暗沙下延约1.9 km,淤涨约300 m;2009年,通 州沙沙头左侧沙体继续后退约300 m,暗沙继续 下延约245 rn,且进一步向河心伸人。从历年来 300 m,2009年沙头仍后退约140 m。 5)横港沙右缘暗沙与通州沙沙头左侧沙体冲 淤呈明显的此消彼长关系,共同影响南通水道 13 m深槽的长期稳定。 的河床演变可以看出:通州沙沙头左侧沙体的后 退,导致河道左岸侧暗沙淤积下延,两者存在明 显的消长关系,两暗沙共同成为阻碍南通水道13 m深槽的卡口段,使深槽有所扭曲化,见图3。 图3南通水道13 m等深线变化 2.2.2桥址断面变化 淤积约125 m,之后冲淤幅度大幅度减缓;右岸侧 2000年以来桥址处横断面基本呈偏“w”型, 受人工岸线的保护,近期相对稳定。桥址处断面 左侧河床高程相对较高,且岸坡相对平缓,近几 年总体呈淤积状态,由年际变化(图4)可以看出, 2002--2003年淤积约3.2 m。2003--2006年横港 两岸岸线基本稳定。深槽靠右侧,主河道左侧岸 线受横港沙右缘冲淤变化影响,年际间呈冲淤交 替变化。2000---2002年横港沙5 m等深线向河心 15 10 一—5 O 5 点10 15 20 25 30 35 注:绘图基面为当地理论最低潮面。 图4桥址处横断面年际变化 ・112・ 水运工程 沙边缘附近仍表现淤积,尽管近深槽侧河床有所 长期稳定。 冲刷,刷深最大约3.3 m,但至2007年断面左侧 出现较大范围淤积,平均幅度约2.7 m,河底高程 综上所述,南通水道深水区域宽阔,10 m深 槽宽度一般在l km以上,13 m深槽宽度在700 m 以上,对于现行1O.5 lit深水航道而言,其航道条 最高仅10.9 m,尽管之后又有所冲刷,但是冲刷 幅度不大。目前拟建桥位北侧副通航孔区域河床 件较好。但由于横港沙右缘不足13 lIl的暗沙与江 坡度平缓,平均河底高程约为1 1.6 m。 3工程河段航道条件 3.1工程河段主航槽航道条件 大多数年份,南通水道拟建桥位处10 m深槽 宽度可达2.0 km,13 m深槽也可达1_3 km。南通 水道深槽的卡口段主要位于任港以下,由于受 通州沙沙体及左岸岸线的约束,深槽相对较窄, 10 m、13 m深槽均为南通水道全河段最窄处。下 面针对南通水道10 m与13 m深槽宽度变化及各 深槽内最小水深情况进行研究。 3.1.1 10 m航槽航道条件 多年来南通水道10 m等深线全线贯通, 1O.5 m深水航道宽度能一直满足目前500 m航 宽布置要求。在深水航道外侧的小型推荐航路 内,几乎所有年份总有不足10 m浅包,浅区一 般位于通州沙沙头位置,只有2007年,10 m浅 包接近深水航路中。总体来看,相对于目前维持 的1O.5 m深水航道,南通水道为长江南京以下 良好水道之一。 3.1.2 13 m航槽 受通州沙沙头左侧沙体的影响,13 m等深线 宽度一般仅能维持在700~1 000 m,个别年份13 m 深槽内有不足13 m暗沙。从目前深水航道布置情 况看,深水航路内时有不足13 m的浅区,尤其 2003年以来,横港沙右缘不足13 m暗沙的形成, 至2004年不足13 m的暗沙几乎横贯整个深水航 路,13 rn深槽在弯顶段最窄处仅维持700 m宽 度,为历史最差的一年。自此以后受横港沙右缘 暗沙与通州沙沙头左侧沙体的冲淤消长,13 m深 槽宽度时宽时窄,两个暗沙共同成为影响13 m深 槽宽度的不稳定因素。随着长江口12.5 m深水航 道的逐步上延,工程河段规划航道维护水深将提 高至12.5 1TI,而就目前工程区航道条件,局部13 m 深槽不太稳定,可能影响12.5 m深水航道布置的 中心滩的冲淤变化,且呈此消彼长的冲淤关系, 影响进口段13 m深槽的稳定,致使l2.5 m深水 航道条件不太稳定。 3.2工程河段航道趋势 1)长期以来南通水道为长江南京以下较稳定 航段之一,随着沿程人工护岸的不断实施,再加 上两岸岸线开发利用的同时也加强了河道边界, 南通水道的总体河势进一步稳定,因此随着总体 河势的稳定,南通水道将长期维持目前单一航道 格局。 2)受河道内局部洲滩的冲淤变化,深槽局部 调整仍较剧烈,但就10 m深槽来说,长时间内仍 将满足目前现行深水航道500 1TI的设标要求。 3)近期通州沙沙头左侧沙体的大幅后退 (1978--2009年后退达3.0 km),导致河道展宽而 水动力相对减弱,为河道内暗沙的形成提供空间 条件,2003年以后在十三圩对岸横港沙右缘出现 不足13 m的暗沙,使局部航道条件趋于多变化, 如果随着通州沙沙头的进一步后退,横港沙右缘 的暗沙将进一步向江中淤长,届时工程河段航槽 不仅宽度将可能较小,并且使走向可能进一步扭 曲化,会影响13 m深槽的稳定及12.5 m深水航 道条件;特别是遇到2004年9月滩槽形态,不利 于规划12.5 m深水航道布设。 4)工程实施后的航道条件变化趋势分析,需 借助物理模型动床试验及有关专题对滩槽变化趋 势研究分析后,才好加以分析判断。 4大桥选址及墩位布设 4.1大桥选址 单从河道与航道条件比较而言,浏海沙水道 优于南通水道,且在九龙港至十二圩间,桥址越 往上游越好,是建桥的较佳地点。若桥址选在南 通水道,则越靠进口处,其桥位稍好。比较参数 见表3。 第3期 裴金林,等:沪通铁路长江大桥工程河段航道条件及桥墩布置方案 ・ll3・ 4.2桥墩布置 2 30o l42.t,69 . 1 092 .z1t.q9 142 4.2.1布置原则 -2 ̄ 40 主航道桥 40+: 大桥孑L跨布置除了考虑对水利、防洪、航运 ■L ● 的影响外,还要考虑结构和经济的因素,重点是 龋黼鼎翳翳 鼹圈 _% 器 嘲 一 』l l。 适应航道变化。为了减小建桥对通航、防洪等方 面的影响,根据《内河通航标准》和《通航海轮桥梁 辅助通航孑【 主通航孔 辅助通航 I 360X62 891×62 360X62 通航标准》中对水上过河建筑物通航孔布置的有关 L—— 心商通航水位4.6 规定,结合桥区水域的航道条件,作如下考虑: 器最低通航水位一1 46 1)拟建桥河段处于经济发达的长江三角洲地 图5拟建桥位孔跨布置(单位:m) 区,长江航运发展迅猛,船舶通航密度较大,跨 越长江桥梁通航孔的布置应采用大跨度桥型方案, 结合桥区河段河道条件、航道条件、河床演 并满足多线通航的要求; 变分析及物理模型定床试验等研究成果,对该桥 2)以《长江江苏段船舶定线制规定))(2005)为 位的桥墩布置方案进行深入分析研究,综合多种 依据,以桥区船舶航行密度、港口发展规划、实 因素考虑,提出该桥梁桥墩布置意见如下: 测桥区表面流速流向及船舶航迹线为基础,既要 1)拟建桥址河段局部河床冲淤变化较大,但 满足现行船舶定线制的要求,同时也要兼顾沿江 桥位处历年13 m深槽宽度在1 300 m左右,所以 港口及专用航道发展需求; 考虑以北主墩尽量布设在13 m深槽变化的左边线 3)以桥区河道自然条件、航道发展规划及近 区域,尽可能覆盖河道左侧13 m深槽变化水域; 期桥区l2.5 Ill深槽变化情况为基础,同时考虑河 南主墩应避开迎流顶冲区,最大限度地跨越深槽 床演变趋势,桥梁通航孔布置应充分覆盖可通航 水域。 水域,并覆盖12.5 ITI深槽多年变化范围,同时满 2)桥区河段多年深泓贴右岸,局部深泓总体 足长江口12.5 m深水航道向上延伸的航路布设要 偏南,呈“扇形”摆动,近期摆动幅度有所减缓, 求。 而左侧横港沙尾部右侧总体呈冲刷态势,桥梁通 4)桥墩的布设不得影响通航,不得造成危害 航孔布置既要满足深槽南北摆动及深泓变化范围, 船舶航行的不良水流,且大桥轴线的法线方向与 也要满足由于左侧横港沙冲淤变化而引起的航道 水流流向的交角不宜超过5o。 条件变化要求。 4.2.2桥墩布设意见 3)在南侧布置大跨辅助通航孔,以满足右岸 拟建沪通过江铁路桥主航道桥采用:142 m+ 侧小型船舶习惯通道及进出通州沙西水道船舶通 462 m+l 092 m+462 m+142 m=2 296 m两塔五跨 航要求;在北侧布置大跨辅助通航孔,以适应桥 斜拉桥方案(图5)。针对本河段具体情况论证本桥 区河段航道条件发生变化后深水航道调整及船舶 单孔单向通航净宽为360 rn,单孔双向通航净宽 通航要求,可作为上行推荐航路。 为891 m。 综上所述,拟建桥梁采用主跨不小于1 092 m ・114・ 水运工程 桥型方案,主通航孔尺寸为891 m ̄62 m;两侧布 停泊区,其间距不满足《内河通航标准》的相关要 求,需拆除或搬迁。由于工程河段港口码头建设 发展迅猛,可作为大型海轮锚泊的深水区域越来 越匮乏,有关单位应充分考虑桥区锚地搬迁时的 锚址选择较困难的问题,若进入长江的船舶流量 置大跨辅助通航孔,尺寸为360 m ̄62 m,以满足 通州沙西水道开通后的船舶通航要求。 4.2.3存在问题及对策 1)建桥后桥墩引起的束水会导致河道内边界 变化,不利于桥区河段航道条件稳定。 河道边界稳定是维持航道条件的前提,也是 越来越大,而待泊锚地不够时,将会产生控制进 入长江船舶流的局面,值得地方高度重视。 桥墩优化布置的基础与条件。目前横港沙处于自 然状态,且沙体组成多为泥沙淤积体,若在沙体 上建大量桥墩后,河道过水断面将减少,引起桥 墩附近流速骤增,必然会引起横港沙沙体发生冲 刷,而横港沙长期积累性冲刷将必将引起工程局 部河势发生不利的变化,并可能影响通州沙沙头 的稳定。 相应对策如下: ①在建桥前对该桥位左右侧、上下游一定范 围内沙体和岸坡进行有效守护,具体守护范围、 强度、守护方式与时机,需通过动床模型及有关 专题进行研究确定。特另U需要指出的是:横港沙 对维持桥区航段航道条件稳定至关重要,建议抓 紧实施对横港沙守护工程,确保守护工程在大桥 建设之前或同期完成,为大桥建设提供较稳定的 河道边界条件。 ②目前的桥墩布置方案均是在横港沙处于自 然演变情况下提出的,如果对横港沙实施圈围守 护工程后,会引起局部河床有一定调整,甚至可 能影响到桥墩布置方案,因此建议同步进行相关 方面的专题研究。 ③在稳定河道左边界的同时,由于水流流路 的调整,势必会使原来漫滩横港沙的水流归束至 河槽或者偏向河道右侧,而河道右边界同样为不 稳定的江心暗沙,水流的顶冲势必会造成其冲刷 后退进而导致其不稳定,因此为保证桥梁建设或 横港沙圈围工程的实施不影响右侧主导边界通州 沙沙体的稳定,建议同步开展通州沙头部守护工 程研究。 ④进一步优化桥轴线走向,使其法线方向与 水流交角尽可能减小。 2)工程区深槽偏靠南岸侧,而此区域现设置 有张家港海轮锚地和南通港海轮过驳锚地及临时 3)拟建桥址区域暗沙多变,13 m深槽不太稳 定,加上江中建设桥墩后,一定程度上会加剧滩 槽变化,影响l2.5 m深水航道条件的长期稳定, 且由于桥孔约束了深水航道的走向布置调整,可 能会给今后的桥区航道维护带来困难,对此需引 起有关部门高度重视。 5结论 通过优化桥墩布设方案,沪通长江大桥的桥 孔布置已充分考虑了桥址河段河床演变、航道变 化的具体条件,在航道变动范围内尽量减少水中 墩,最大限度地满足了通航要求。 需要注意的是拟建桥位正好处于南通水道主 流由南至北的过渡段,年际间虽总体稳定,但仍 在一定范围内摆动;由于受桥址左侧横港沙右缘 暗沙和桥址下游通州沙沙头左侧沙体冲淤影响, 在南通港附近常年存在不足10 m的暗沙,影响 10 m深槽平顺贯通,而横港沙右缘在2003年以 后出现不足13 ITI的暗沙,两块暗沙此消彼长,对 深槽稳定带来不利影响,加上江中建设桥墩后, 一定程度上会加剧滩槽变化,成为影响桥区河段 深水航道长期维持稳定的不确定因素。而且由于 桥孑L约束了深水航道的走向布置调整,可能会给 今后的桥区航道维护带来困难,对此需引起有关 部门高度重视。 参考文献: 【1】GBJ 139--1990内河通航标准【s】. [2]JTJ 311—1997通航海轮桥梁通航标准【S】. [3]长江航道规划设计研究院.沪通铁路过江通道工程河 段航道条件分析与桥墩布置方案研究报告【R】.武汉:长 江航道规划设计研究院,2010. (本文编辑郭雪珍)