跨越整治航道的大桥通航孔跨度研究

◎王玲芳 福州西港工程设计有限公司

1.引言

船舶所需通航净空宽度决定了桥梁通航孔跨度。桥梁的净空宽度系指经批准的远期规划航道设计底高程以上供代表船型或船队安全通过桥孔的最小净空宽度。内河船舶所需通航净空宽度主要由三部分组成，其计算公式为：

所需最小通航净空宽度=通航净宽+水流影响净宽加宽值+防撞设施及紊流影响扩大值。

1.1 通航净宽

根据《内河通航标准》附录C.0.1通航净宽尺度计算，天然和渠化河流水上过河建筑物轴线的法线方向与水流流向的夹角不大于5°时，计算公式如下：

1.2 水流影响净宽加宽值

由于船舶在航道中航行时，只要水流流向与航向不一致时会对船舶产生横向作用，使船舶偏离规定航线，故需要增加通航宽度。其值根据《内河通航标准》附录表C.0.3计算，其加宽值根据桥位处横流大小计算单向/双向通航净宽增加值。

1.3 防撞设施及紊流影响扩大值

为保证大桥结构自身以及过往船舶航行安全，需对大桥桥墩设置防船撞设施，占据通航跨度，其宽度基本不超过1m。另外桥墩设置于河床上，水流在桥墩附近产生绕流，影响船舶安全航行。因此计算时需考虑防撞设施的设置，水流紊流影响值，其大小可根据其影响范围取值。

第一部分根据通航代表船型尺度按公式计算，横流大小（小于0.3m/s）影响偏航距的取值；第二部分为桥位所处横流大小（大于0.3m/s）决定其净宽加宽值，同等级航道单向通航净宽加宽值跨度较大，例如内河Ⅵ级航道横流0.3m/s～0.8m/s时单向通航净宽加宽值为8m～38m（双向为16m～76m），内河Ⅴ级航道横流0.3m/s～0.8m/s单向加宽值为15m～40m（双向为30m～80m），因此横流大小对通航净宽影响较大；第三部分为防撞设施及紊流影响，一般其值较小，对通航净宽整体影响较小。鉴于此，桥位处的横流大小与通航净宽有直接关系，如何确定横流大小为确定通航净宽及通航孔跨度的关键。

在工程实践中，要实测出多年洪水重现期的水流流速受制约因素较多，若桥位附近需要航道整治，洪水期水流流速及流向往往无法进行实测，需要确定桥位处的洪水期流速较为困难，此时需采用二维水流数学模型来进行确定，为工程建设提供依据。本文以跨汀江大桥为例，桥位在已建废弃砂帽石电站及浅滩下游70m处跨越，现状水流条件较差，需对桥位附近进行航道整治。采用MIKE21二维水流数学模型软件对大桥桥位处航道整治后的水流条件进行分析，计算所需通航净宽，并提出最合理的通航孔跨度及桥墩布置。

2.工程实例

2.1 工程概况

新建龙岩经梅州至龙川铁路工程在龙岩市上杭县富古村附近横跨汀江，跨汀江大桥桥梁全长1665.71m，设计单位研究了长深高速公路南侧设站方案和规划三环路北侧设站方案。从通航安全角度分析，长深高速公路南侧与上下游桥距满足要求且投资小；规划三环路北侧设站方案与下游水西渡大桥相交，不满足规范要求；故采用长深高速公路南侧方案作为推荐方案。

受其它因素的影响，桥位调整难度较大，跨汀江大桥桥位唯一。

跨汀江大桥所在河道宽度为150m，上游70m处砂帽石电站及浅滩占据河道宽度约100m，水流仅在河道右岸约50m处通过。根据测量单位对桥区附近实测的漂流资料，桥区附近多礁石，在枯水期节水流流量较小时，由于砂帽石电站建设时占用河道以及浅滩的影响，河床变窄，桥区流速达到1.26m/s。同时受上游250m处河道左岸突嘴的影响，航槽位于河道右岸，水流流入桥位处时水流与大桥夹角较大，桥位处横流较大。

船舶通航时的河道与现状河道条件不一致。采用MIKE21水流数学模型软件对建桥前以及航道整治后的水流条件进行分析，并基于此的水流条件进行通航净空宽度计算。

2.2 二维水流数学模型分析水流条件

为进一步分析本工程建设对工程附近水位、流速、流向产生的影响，采用MIKE21水流数学模型软件对工程进行建模分析，模拟计算范围取上下游各1km。模型将上游进口流量和下游出口水位作为开边界条件。

根据地形特征对计算域进行网格剖分，计算网格由无结构三角形网格单元构成，整个河段单元网格尺寸一般200m×200m。在建桥前的计算中，桥墩网格地形为原地形并过流；建桥后，将桥墩网格作为内部边界处理，其网格单元不过流，如此可以较准确反映桥墩对水位、流速等水力参数的影响。

数学模型建模的糙率等重要参数通过模型验证来检验，只有通过验证的模型，其计算结果的正确性和可靠性才能得以保证。

在使用时先对建桥前实测水流水位进行复核验算选择合适的参数，以保证模型的可靠性。在糙率选取为0.028时水位及流速变化值较小，并对实测上流量Q=180m/s，下水位175.8m时的水位及流速进行验证，计算结果与实测资料吻合较好，已建模型基本可行。

通过采用二维水流数学模型对推荐桥型方案计算，建桥前在洪水期流速达到4.0m/s，桥位所处位置横流较大，达到1.3m/s。由于一跨过河工程增加投资较大，为改善水流条件，按砂帽石电站外侧清除局部水域并适当加大孔跨方案。

工程河段计算工况为：模型入口5年一遇洪水期上游流量3720m/s，模型出口下游边界水位182.4m。

工程河道情况为：

（1）建桥前上游70m处的河道宽度为50m。

（2）对航道进行整治，疏浚河道左岸砂帽石电站外侧浅滩水域以及河道右岸礁石区域及上游突嘴部分。则建桥后河道宽度为100m，改善水流条件。

根据模型结果，在两种工况下模拟得出建桥前、航道整治并且建桥后的水流条件如表1所示。

表1 建桥前、航道整治并且建桥后的水流条件

由表1可以看出，河道整治后，在最大通航流量3720m/s时，水流平顺，流速减小，河床整治效果是明显的。河道局部疏浚方案实施后，产生最大横流位置为靠近6#桥墩120m位置。

2.3 横流的取值

横流取值遇到过两种取值方式：

（1）水流流向与桥梁轴线法线的夹角。

（2）水流流向与规划航道轴线的夹角。

第一种情况较第二种情况增加了桥梁轴线法线与航道轴线的夹角，采用第一种情况计算横流值Vsinθ比第二种大。

实际行船过程中，桥梁助航标志桥涵标设置于航道中心线上，船舶沿着水上助航标志（侧面标、过河标）及桥梁助航标志（桥涵标等）航行，因此横流取值采用水流流向与航道轴线的夹角。

通过分析，在靠近6#桥墩120m处流速为3.42m/s，桥位处水流流向与航道轴线的最大夹角为7.96°时横流最大，横向流速为0.50m/s。

2.4 河道整治前后所需通航净宽对比

建桥前及航道整治并且建桥后的通航净宽计算主要在于横流不一致，通航净宽加宽值取值不同。

建桥前：横向流速约为1.38m/s，根据《内河通航标准》附录表C.0.3，单向通航净宽增加值取38m，双向通航净宽增加值取76m；

航道整治并且建桥后：横向流速约为0.5m/s，根据《内河通航标准》附录表C.0.3，单向通航净宽增加值取18m，双向通航净宽增加值取36m。

河道整治前后所需通航净宽计算对比见表2。

表2 河道整治前后所需通航净宽计算

建桥前的船舶所需最小单孔双向通航净宽为143.4m；河道整治后的船舶所需最小单孔双向通航净宽为104.4m。

2.5 通航孔跨度及桥墩位置确定

根据本工程桥址所在河段的实际情况，西侧桥墩靠近现有主通航水域，故西侧桥墩建议布置在河道右岸岸上。为保证工程进度，减少和利益相关方砂帽石电站的交涉事宜，现阶段尽量保持砂帽石电站原状不变，在满足通航净宽的前提下采用疏浚砂帽石西侧的浅滩来拓宽河道宽度的方式，保证行槽的稳定性，来改善河道水流条件及流态。东侧桥墩在河道整治后，顺岸布置在已建砂帽石电站的下游，见图1。

图1 桥梁平面布置图

两侧桥墩的布置基本跨过了现有通航水域范围，基本没缩小河道的过水面积，且考虑大桥结构设计的跨度能力，桥墩孔跨定为155m。

图2 通航孔净宽计算示意图

2.6 实际通航净宽

船舶通航时沿着航道中心线航行，故需要考虑桥轴线法向与航道走向斜交时的影响，两者有一定夹角，这部分影响实际通航净宽。根据拟建桥梁轴线法线与航道斜交的几何关系，可推算斜交桥梁实际通航孔净宽：

通过计算，实际通航净宽为B=142×cos30°－25×sin30°=110.4m。

拟建桥梁实际通航净空宽度为110.4m；净空尺度满足河道整治后的船舶单孔双向通航要求104.4m。因此，桥墩孔跨选取155m经济合理可行。

3.结语

通航船舶所需最小通航净空宽度为航道通航条件影响中重要评价指标。桥区水域内横流影响船舶所需通航净宽计算，进而影响通航孔跨度。主通航孔跨度与大桥自身结构安全及船舶航行安全相关，同时影响工程设计、施工难度及工程投资，故确定桥位处的横流大小是计算船舶所需通航净宽的关键因素。

本次以跨汀江大桥为例，在桥梁跨越需进行航道整治的河道时水流条件未知的情况，应用二维水流数学模型MIKE21计算桥区水域内的最大横流，为通航净空宽度计算提供依据，计算通航代表船型所需的最小通航净宽，从而确定大桥通航孔跨度。