內(nèi)河跨航橋梁復(fù)雜環(huán)境下通航凈空尺度專(zhuān)項(xiàng)論證

孫劉林 郭永生 孫鵬程

摘要：內(nèi)河跨航橋梁通航凈空尺度的確定，關(guān)系到所跨航道處船舶通行的安全性和水路交通的便利性。本文結(jié)合渦河航道青阜鐵路橋工程實(shí)際，對(duì)與上下游通航建筑物和彎道距離較近、闖坡限制橋梁凈高等復(fù)雜通航環(huán)境下內(nèi)河跨航橋梁通航凈空尺度進(jìn)行論證分析，并針對(duì)性提出了相應(yīng)的解決方案，以期對(duì)類(lèi)似跨航橋梁的通航凈空尺度確定提供借鑒參考。關(guān)鍵詞：內(nèi)河航道;跨航橋梁;通航凈空尺度

中圖分類(lèi)號(hào)：U611;U24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0043-03

跨河橋梁屬于永久性建筑物，投資大、使用年限長(zhǎng)，其通航凈空尺度設(shè)置過(guò)低不僅會(huì)限制其所跨越航道航運(yùn)功能的發(fā)揮，甚至成為礙航建筑物，同時(shí)也會(huì)危及通過(guò)橋區(qū)水運(yùn)船舶的通航安全及橋梁自身安全;通航凈空尺度設(shè)置過(guò)高則會(huì)增加非必要的工程投資和設(shè)計(jì)施工難度。[1]因此合理確定復(fù)雜通航水域橋梁的通航凈空尺度具有重要意義。

渦河航道青阜鐵路橋作為渦河航道（大寺閘至人淮口段）整治工程的一部分，因不滿(mǎn)足IV級(jí)航道通航凈空尺度要求需拆除重建。受青阜鐵路線兩側(cè)接線及渦陽(yáng)站的控制，橋梁選址方案唯一，工程位于彎曲段航道處，且與上游橋梁間的安全距離不滿(mǎn)足規(guī)范要求，橋區(qū)段通航環(huán)境復(fù)雜。為此，本文結(jié)合渦河航道青阜鐵路橋工程實(shí)例，對(duì)該橋梁所需的通航凈空尺度進(jìn)行論證研究。

1工程概況

1.1跨航橋梁概況

青阜鐵路橋位于渦陽(yáng)縣城東部，渦陽(yáng)閘～蒙城閘之間，距上游渦陽(yáng)船閘約4.4km，項(xiàng)目改建起點(diǎn)位于青阜線K67+300處，線路自改建起點(diǎn)以R-1800m的曲線偏離既有線開(kāi)始雙線繞行，在既有青阜線下行線東側(cè)30m間距處跨越渦河航道。橋梁采用簡(jiǎn)支鋼桁梁結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，雙線圓端型實(shí)體橋墩，T型橋臺(tái)。

1.2航道概況

擬建橋梁位于渦河航道（大寺閘至入淮口段），該段航道于2018年開(kāi)始進(jìn)行航道整治工程，航道全線185.67km按天然及渠化河流IV級(jí)雙線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，航道底寬50m、最小通航水深3.2m、最小彎曲半徑330m。

1.3設(shè)計(jì)代表船型

設(shè)計(jì)代表船型主要參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》、交通運(yùn)輸部《內(nèi)河過(guò)閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列第二部分：京杭運(yùn)河、淮河水系》和已批復(fù)的《渦河航道（大寺閘至入淮口段）整治工程施工圖設(shè)計(jì)》，確定本次研究的設(shè)計(jì)代表船型及船隊(duì)如下：

500t級(jí)貨船：44×8.8×2.3m（長(zhǎng)×寬×設(shè)計(jì)吃水，下同）;

1拖6×500噸級(jí)拖帶船隊(duì)：275×8.8×2.3m;

1頂2×500噸級(jí)頂推船隊(duì)：111×10.8×1.6m。

1.4設(shè)計(jì)通航水位

設(shè)計(jì)最高通航水位：工程位于渦陽(yáng)閘至蒙城閘之間，上距渦陽(yáng)閘約4.4km，下距蒙城閘約43.6km，渦陽(yáng)閘閘下最高通航水位取10年一遇洪水位為28.56m，蒙城閘閘上最高通航水位取10年一遇洪水位為26.05m，通過(guò)內(nèi)插計(jì)算，工程位置處設(shè)計(jì)最高通航水位為28.33m（10年一遇洪水位）。

設(shè)計(jì)最低通航水位：工程位置處設(shè)計(jì)最低通航水位取渦陽(yáng)閘閘下～蒙城閘閘上設(shè)計(jì)最低通航水位為22.39m（95%保證率水位）。

2工程通航環(huán)境分析

工程位置處通航環(huán)境的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）工程距上游在建S245渦河大橋之間的軸線距離約700m，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定四級(jí)航道兩座相鄰跨河橋梁最小軸線間距不應(yīng)小于代表船隊(duì)長(zhǎng)度與代表船隊(duì)下行5min航程之和，按照8km/h的船舶航速計(jì)算，軸線間距要求L=2.2×60×5+275=935m>700m。擬建工程受青阜鐵路線兩側(cè)接線及渦陽(yáng)站的控制，選址方案唯一，只能采取加大通航跨徑的措施以滿(mǎn)足船舶航行安全要求。

（2）工程處于連續(xù)彎曲段航道處，距上下游彎道節(jié)點(diǎn)的距離均不滿(mǎn)足安全距離要求，橋梁軸線與水流方向之間的夾角為7.23°，橋位處船舶航行所受到的限制性因素較多。

（3）受彎曲段航道水流流速、流向、流態(tài)的制約，橋墩處（尤其是北岸5#橋墩）紊流影響較大，進(jìn)一步加劇了工程航道的通航復(fù)雜性。

（4）由于既有橋梁下行線存在150m7.6‰的坡度，為了滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定最小坡段長(zhǎng)度要求，改造后的上行線若設(shè)計(jì)通航凈高標(biāo)準(zhǔn)過(guò)大則會(huì)存在闖坡現(xiàn)象，惡化鐵路橋的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

3通航凈空尺度論證

3.1通航凈空高度論證

3.1.1通航凈空高度標(biāo)準(zhǔn)

航道整治過(guò)程中的礙航橋梁改造數(shù)量多、任務(wù)重、投資大，且隨著通航凈高的增加，也存在技術(shù)難度加大、投資增加、占地增加等問(wèn)題。從項(xiàng)目業(yè)主的角度而言，在保證船舶航行安全的前提下，通航凈高控制在能夠減小的最低程度最好;從航道、海事主管部門(mén)的角度而言，跨航橋梁的通航凈高應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足船舶的安全通航需求，并留有一定的富裕高度。因此，合理確定通航凈寬高度的論證標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

2015年《航道法》實(shí)施以來(lái)，安徽省除蕪申運(yùn)河外，內(nèi)河航道橋梁凈高均按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。渦河航道全段226.4km規(guī)劃為IV級(jí)航道，IV級(jí)航道橋梁通航凈高不應(yīng)小于8m。

交通運(yùn)輸部2011年發(fā)布的《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中提出了運(yùn)河水上過(guò)河建筑物凈高分長(zhǎng)江三角洲地區(qū)（此時(shí)安徽省尚未納入長(zhǎng)三角）和其他地區(qū)，長(zhǎng)三角地區(qū)II～I(xiàn)V級(jí)航道通航凈高標(biāo)準(zhǔn)為7m，與《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》存在明顯差異。江蘇、浙江和上海其他IV級(jí)及以上的航道均參照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

安徽省目前已全域納入長(zhǎng)三角區(qū)域，全省高等級(jí)航道均直接或間接與滬蘇浙地區(qū)相通，航道條件、功能和船型相似度高，[2]為全面融入長(zhǎng)三角港航一體化發(fā)展，省內(nèi)也提出了對(duì)納入省干線航道網(wǎng)規(guī)劃的航道（不含一級(jí)航道），按不小于7米（通航凈寬范圍內(nèi)）控制的新要求。因此，擬建工程通航凈空高度按照不小于7m進(jìn)行控制。

3.1.2船型與通航凈高的適應(yīng)性分析

近期渦河航道過(guò)往船舶以500～1000噸級(jí)為主，根據(jù)安徽省境內(nèi)近20000艘次貨船的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[3]分析（詳見(jiàn)表1），在船舶滿(mǎn)載情況下，貨船吃水線以上高度小于7m的船舶占比為99.91%;空載情況下貨船吃水下以上高度小于7m的船舶占比為98.73%，少量超高船舶通過(guò)倒桅、收放天線等措施后空載干舷高度均能達(dá)到7m以下，本段航道橋梁的通航凈高控制為不小于7m，基本上能夠滿(mǎn)足現(xiàn)狀船舶的航行需求。

3.2通航凈空寬度論證

3.2.1正交情況下通航凈寬計(jì)算

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C.0.1：天然和渠化河流水上過(guò)河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角不大于5。時(shí)，通航凈寬可按下列公式計(jì)算：

B=B+ΔB+P（1）

B=2B+b+ΔB+P+P（2）

B=B+Lsinβ（3）

式中：

B—單孔單向通航凈寬（m）;

B—單孔雙向通航凈寬（m）;

B—船舶或船隊(duì)航跡帶寬度（m）;

ΔB—船舶或船隊(duì)與兩側(cè)橋墩間的富裕寬度（m）;I～V級(jí)航道可取0.6倍航跡帶寬度;

P—下行船舶或船隊(duì)偏航距（m）;

P—上行船舶或船隊(duì)偏航距（m）;

b—上下行船舶或船隊(duì)會(huì)船時(shí)的安全距離（m）;

B—船舶或船隊(duì)寬度（m）;

L—頂推船隊(duì)或貨船長(zhǎng)度（m）;

β—船舶或船隊(duì)航行漂角（°）。

根據(jù)設(shè)計(jì)代表船型和內(nèi)河通航凈寬的計(jì)算公式，交角不大于5°情況下通航凈寬計(jì)算見(jiàn)表2。

綜合考慮《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.2條，IV級(jí)航道水上過(guò)河建筑物雙向通航孔通航凈寬不應(yīng)小于90m，結(jié)合表1計(jì)算結(jié)果，正交情況下的計(jì)算凈寬值取96.80m。

3.2.2斜交加寬

擬建橋梁軸線法線方向與水流流向交角最大約為7.23。，根據(jù)斜交幾何關(guān)系，橋梁通航孔內(nèi)緣凈寬計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

斜交時(shí)橋墩內(nèi)緣凈寬計(jì)算公式為：

B=（B+L÷sinθ）/cosθ（4）

L取橋梁5、6平均墩柱長(zhǎng)度18.0m進(jìn)行計(jì)算，斜交時(shí)橋墩內(nèi)緣凈寬為：（96.80+18.0×sin7.23°）/cos7.23°=99.86m，斜交加寬值為3.06m。

3.2.3橫向流速加寬

橋軸線法線方向與水流流向交角最大約為7.23°，橫向流速最大值為0.35m/s，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》表C.0.3內(nèi)插計(jì)算本橋單向橫向流速加寬為7.5m，雙向橫向流速加寬為15m。

3.2.4紊流加寬

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.4條，“當(dāng)水上過(guò)河建筑物的墩柱附近可能出現(xiàn)礙航紊流時(shí)，其通航孔的凈寬可在本標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條規(guī)定的通航凈寬基礎(chǔ)上加大，增加值宜通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究確定。”

對(duì)于上述要求，在沒(méi)有條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究的前提下，可參照《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》C.0.3中的算式確定因水上過(guò)河建筑物墩柱附近紊流的影響通航凈寬的增加值。[4]

E=0.88KVbh（5）

式中：

K—與橋墩形狀相關(guān)的系數(shù)，（s/m）;

V—墩前水流流速（m/s）;

b—墩形計(jì)算寬度（m）;

h—橋墩附近水深（m）;

E—橋墩紊流寬度（m）。

對(duì)于圓柱墩和片狀墩：K=1.0，b=橋墩寬度;

對(duì)于圓頭墩：K=0.8，b=（墩長(zhǎng)-墩寬）×sinα+墩寬;

對(duì)于尖頭墩：K=0.66，b=（墩長(zhǎng)-墩寬）×sinα+墩寬;

對(duì)于方頭墩：K=1.2，b=2×（墩長(zhǎng)×sinα+墩寬×cosα）;

注：α為橋軸線法線方向與水流方向的夾角。

結(jié)合本橋橋跨及橋墩布置方案，橋墩墩柱近似圓頭墩，尺寸分別為15×4m（墩長(zhǎng)×墩寬），K=0.8，b=（15-4）×sin7.23°+4=5.38m。選取5#、6#橋墩為特征采樣點(diǎn)，測(cè)量水流參數(shù)計(jì)算紊流加寬值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。取5、6橋墩處水流特征值計(jì)算的紊流加寬值5.56+3.84=9.4m為本橋的紊流加寬值。

3.2.5設(shè)計(jì)通航凈寬論證

根據(jù)上述計(jì)算，在考慮正交情況下通航凈寬、斜交加寬、橫向流速加寬、紊流加寬等條件后本橋要求的最小通航凈寬為：

96.80+3.06+15+9.4=124.26m。

擬建橋梁鋼桁架全長(zhǎng)130m，通航孔跨徑為128m，在考慮橋梁兩側(cè)各1.5m防撞設(shè)施寬度的前提下，能夠滿(mǎn)足天然和渠化河流IV級(jí)航道計(jì)算通航凈寬124.26m的要求。

4結(jié)論

內(nèi)河航道與航道橋梁之間的關(guān)系緊密，確定合理的通航凈空尺度，使跨河橋梁的工程投資和船舶通航安全之間的平衡能夠達(dá)到最佳的效果，對(duì)橋梁通航凈空尺度設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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