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摘要：简要介绍了武安市309国道武安绕城段改建工程桥梁设计变更中的物模研究概况。
关键词：桥梁设计变更 物模研究
中图分类号：TU997 文献标识码： A
309国道武安绕城段改建工程全长16.7公里。该项目采用双向四车道一级公路标准，设计速度100公里/小时，桥涵设计汽车荷载采用公路-Ｉ级，设计洪水频率采用1/100。
南洺河1号大桥中心桩号为K5+061，大桥平面位于直线上，纵坡为0。该桥原设计上部结构为22×25先简支后连续T梁，下部结构桥墩采用分幅式双圆柱墩，柱式桥台、桩基础，道路设计的中心线与河道交角为30°。在具体的工程实施中，根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004、《河北省河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制技术大纲》的相关规定，桥梁纵轴线宜与洪水主流流向正交。原设计方案影响河道行洪和上游西竹昌村的安全。因此业主方提出了變更设计，要求对南洺河1号大桥优化设计。新图纸使该桥12～17号墩变更后采用整体式双圆柱墩、预应力混凝土盖梁。等图纸出来后，结合水利部门经过专家讨论、数模、物模等相关试验论证，对该桥进行二次防洪评价。
2013年7月业主委托有资质单位对南洺河1号大桥建立物理模型，进行试验研究。
课题组先对武安区域范围内河流的情况进行分析，对气象水文、暴雨特性、地形地貌、现有水利工程及相关规划情况进行了解，然后分析河床演变特点、演变因素，研究河段1967年、1971年、1985年、1995年地形图，来预测河床演变趋势，建立河工模型进行验证。
1 、河道整体演变趋势
根据上游水库情况、结合该河段的历史地形资料，综合其历史及近期演变过程，在上游来水、来沙及边界条件不发生重大改变的情况下，该河段将基本维持现有河势，主河槽将保持稳定淤积。
2、 桥位河床演变趋势
计算桥梁与河道交叉断面位置处的冲刷深度，包括河道自然演变引起的冲刷、一般冲刷和墩台局部冲刷。
3、 河工模型的选择
河工模型试验主要研究拟建桥梁对河床的影响，采用动床正态模型试验。
4、 模型布置
试验河段为南洺河大桥上游1.2km至下游1.0km河段，模拟河道范围为2.2km。主要研究在百年一遇洪水情况下，桥梁工程对所在河段的影响。
（1）、模型设计依据的水文及河道地形资料
模型制作依据南洺河研究河道1:1000地形图，该图由邯郸水利水电勘测设计研究院于2013年春天测量，桥梁依据中交公路规划设计院珠海有限公司提供的桥梁及局部详细设计图进行缩放后制作。
该河段1963年和1996年的洪水调查资料，作为模型的水位流量资料。
通过实地考察以及结合该河段的河势等因素，对水流中的泥沙输移不进行模拟，仅对河床表面以下10m以内的河床质进行模拟。
（2）、模型中选用天然沙和石英砂对该河段的河床质进行模拟。研究河段河床构成以砾石为主，故模拟泥沙运动主要模拟推移质运动，不再考虑沉降相似。
5、 模型验证设计
模型验证试验所用数据为1996年8月的洪水调查资料，调查断面为弯道下游东洞铁路桥位置。根据其流量、水位，计算获得模型中尾端控制测针水位。计算后绘制水面线，
6、试验测次安排
试验主要是验证南洺河大桥修建后对南洺河西竹昌村河段的影响。根据资料，该河段防洪标准为20年一遇，桥梁设计标准为100年一遇，故试验放水选择100年一遇和20年一遇工况进行试验，采用大洺远水库在相应频率下的泄水过程。
试验分别对无桥、双桥桩和四桥桩情况进行模拟，并进行对比分析。以下从水位、冲刷、流速等方面进行分析桥梁修建后对河道的影响。其中四桥工况是指桥桩12至17排是一排两柱，其他都是一排四柱；双桥工况是指5到18排桩是一排双柱，其他是一排四柱。
桥梁修建后水位变化
根据绘制桥桩迎水面的水位线可以看出，与无桥情况相比，双桥与四桥桥桩迎水面的水位都有所壅高，四桥水位略高于双桥水位，但差距有限。从壅水值平均值来看，壅水值并不大。
桥梁修建后河道冲刷的变化
本次研究对桥桩附近的河段在发生百年一遇和二十年一遇洪水时冲淤变化进行了研究。
在无桥、双桥和四桥工况三种情况下，根据实验数据绘制百年一遇和二十年一遇工况下桥桩前后冲淤变化图。可以看到，四桥桩工况的冲刷大于双桥桩工况，百年一遇的冲刷要大于二十年一遇的情况。
（3）桥桩修建前后流速变化
本次试验观测了桥桩前在不同工况下流速变化。本次试验中桩前流速是位于模型中桥桩前2cm处观测，相当于原型中位于桥桩前2m的流量变化。
百年一遇不同工况桩前流速分布图
对比分析后认为桥梁修建后在桥桩前2m对于流速影响是有限的，更远距离下的影响应该更小。
7、结论
（1）由于上游水库的影响及河床质组成主要为卵石，使冲刷结果为泥沙显著粗化。
（2）根据地质资料分析，河道两岸地质构成为黄土状粉质粘土，抗冲刷能力强。这表明河道将总体保持稳定，河道不会在短期内在横向或纵向发生突变。
（3）根据分析来水特点，再结合稳定的边界条件推知河道仅能在现有的边界内发生局部变形，但变化幅度极小。
（4）桥梁修建后，桥桩前水位有一定的壅高，四桥桩工况和双桥桩工况的壅水值差别不大。
（5）与无桥工况相比，桥梁修建后，桥桩附近河床发生冲刷。
（6）桥桩修建后，桥桩前2m的流速较无桥桩工况，有所降低，四桥桩工况与双桥桩工况的流速分布差距有限。
8、建议
①工程施工过程中尽量减小对河道天然地质状态的扰动；
②桥墩的设计应尽量减小水流的阻力，同组桥墩布置应沿河道水流方向；
③在施工过程中及工程结束后应当对扰动地质部分配套建设保护设施；
④公路所涉及到跨河桥梁的工程施工安排在非汛期进行；
试验中考虑到上游有水库运行，洪水期漂浮物较少，未专门研究漂浮物对桥桩的影响。从实际经验来看，桥桩布置过密、与水流夹角过大，桥桩堵孔的风险较大，建议工程施工以及后续应用中充分考虑这个情况，汛前要及时清障，保证桥梁安全度汛。
关键词：桥梁设计变更 物模研究
中图分类号：TU997 文献标识码： A
309国道武安绕城段改建工程全长16.7公里。该项目采用双向四车道一级公路标准，设计速度100公里/小时，桥涵设计汽车荷载采用公路-Ｉ级，设计洪水频率采用1/100。
南洺河1号大桥中心桩号为K5+061，大桥平面位于直线上，纵坡为0。该桥原设计上部结构为22×25先简支后连续T梁，下部结构桥墩采用分幅式双圆柱墩，柱式桥台、桩基础，道路设计的中心线与河道交角为30°。在具体的工程实施中，根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004、《河北省河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制技术大纲》的相关规定，桥梁纵轴线宜与洪水主流流向正交。原设计方案影响河道行洪和上游西竹昌村的安全。因此业主方提出了變更设计，要求对南洺河1号大桥优化设计。新图纸使该桥12～17号墩变更后采用整体式双圆柱墩、预应力混凝土盖梁。等图纸出来后，结合水利部门经过专家讨论、数模、物模等相关试验论证，对该桥进行二次防洪评价。
2013年7月业主委托有资质单位对南洺河1号大桥建立物理模型，进行试验研究。
课题组先对武安区域范围内河流的情况进行分析，对气象水文、暴雨特性、地形地貌、现有水利工程及相关规划情况进行了解，然后分析河床演变特点、演变因素，研究河段1967年、1971年、1985年、1995年地形图，来预测河床演变趋势，建立河工模型进行验证。
1 、河道整体演变趋势
根据上游水库情况、结合该河段的历史地形资料，综合其历史及近期演变过程，在上游来水、来沙及边界条件不发生重大改变的情况下，该河段将基本维持现有河势，主河槽将保持稳定淤积。
2、 桥位河床演变趋势
计算桥梁与河道交叉断面位置处的冲刷深度，包括河道自然演变引起的冲刷、一般冲刷和墩台局部冲刷。
3、 河工模型的选择
河工模型试验主要研究拟建桥梁对河床的影响，采用动床正态模型试验。
4、 模型布置
试验河段为南洺河大桥上游1.2km至下游1.0km河段，模拟河道范围为2.2km。主要研究在百年一遇洪水情况下，桥梁工程对所在河段的影响。
（1）、模型设计依据的水文及河道地形资料
模型制作依据南洺河研究河道1:1000地形图，该图由邯郸水利水电勘测设计研究院于2013年春天测量，桥梁依据中交公路规划设计院珠海有限公司提供的桥梁及局部详细设计图进行缩放后制作。
该河段1963年和1996年的洪水调查资料，作为模型的水位流量资料。
通过实地考察以及结合该河段的河势等因素，对水流中的泥沙输移不进行模拟，仅对河床表面以下10m以内的河床质进行模拟。
（2）、模型中选用天然沙和石英砂对该河段的河床质进行模拟。研究河段河床构成以砾石为主，故模拟泥沙运动主要模拟推移质运动，不再考虑沉降相似。
5、 模型验证设计
模型验证试验所用数据为1996年8月的洪水调查资料，调查断面为弯道下游东洞铁路桥位置。根据其流量、水位，计算获得模型中尾端控制测针水位。计算后绘制水面线，
6、试验测次安排
试验主要是验证南洺河大桥修建后对南洺河西竹昌村河段的影响。根据资料，该河段防洪标准为20年一遇，桥梁设计标准为100年一遇，故试验放水选择100年一遇和20年一遇工况进行试验，采用大洺远水库在相应频率下的泄水过程。
试验分别对无桥、双桥桩和四桥桩情况进行模拟，并进行对比分析。以下从水位、冲刷、流速等方面进行分析桥梁修建后对河道的影响。其中四桥工况是指桥桩12至17排是一排两柱，其他都是一排四柱；双桥工况是指5到18排桩是一排双柱，其他是一排四柱。
桥梁修建后水位变化
根据绘制桥桩迎水面的水位线可以看出，与无桥情况相比，双桥与四桥桥桩迎水面的水位都有所壅高，四桥水位略高于双桥水位，但差距有限。从壅水值平均值来看，壅水值并不大。
桥梁修建后河道冲刷的变化
本次研究对桥桩附近的河段在发生百年一遇和二十年一遇洪水时冲淤变化进行了研究。
在无桥、双桥和四桥工况三种情况下，根据实验数据绘制百年一遇和二十年一遇工况下桥桩前后冲淤变化图。可以看到，四桥桩工况的冲刷大于双桥桩工况，百年一遇的冲刷要大于二十年一遇的情况。
（3）桥桩修建前后流速变化
本次试验观测了桥桩前在不同工况下流速变化。本次试验中桩前流速是位于模型中桥桩前2cm处观测，相当于原型中位于桥桩前2m的流量变化。
百年一遇不同工况桩前流速分布图
对比分析后认为桥梁修建后在桥桩前2m对于流速影响是有限的，更远距离下的影响应该更小。
7、结论
（1）由于上游水库的影响及河床质组成主要为卵石，使冲刷结果为泥沙显著粗化。
（2）根据地质资料分析，河道两岸地质构成为黄土状粉质粘土，抗冲刷能力强。这表明河道将总体保持稳定，河道不会在短期内在横向或纵向发生突变。
（3）根据分析来水特点，再结合稳定的边界条件推知河道仅能在现有的边界内发生局部变形，但变化幅度极小。
（4）桥梁修建后，桥桩前水位有一定的壅高，四桥桩工况和双桥桩工况的壅水值差别不大。
（5）与无桥工况相比，桥梁修建后，桥桩附近河床发生冲刷。
（6）桥桩修建后，桥桩前2m的流速较无桥桩工况，有所降低，四桥桩工况与双桥桩工况的流速分布差距有限。
8、建议
①工程施工过程中尽量减小对河道天然地质状态的扰动；
②桥墩的设计应尽量减小水流的阻力，同组桥墩布置应沿河道水流方向；
③在施工过程中及工程结束后应当对扰动地质部分配套建设保护设施；
④公路所涉及到跨河桥梁的工程施工安排在非汛期进行；
试验中考虑到上游有水库运行，洪水期漂浮物较少，未专门研究漂浮物对桥桩的影响。从实际经验来看，桥桩布置过密、与水流夹角过大，桥桩堵孔的风险较大，建议工程施工以及后续应用中充分考虑这个情况，汛前要及时清障，保证桥梁安全度汛。