橋梁通航孔航道寬度的設計分析

劉質偉

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 引言

1.1 橋梁建設方案

擬建橋梁主橋的跨徑選擇主要受通航凈寬、防洪、施工三方面因素綜合影響，主橋跨徑的下限應滿足通航的基本要求。

擬建橋梁上游1.2km、下游1.15km 已有過河建筑物，為避免“巷道效應”對通航安全影響，根據《內河通航標準》中的要求，本橋宜采取一孔跨越通航水域的橋型方案。

橋跨布置需滿足防洪安全的要求。從防洪有利的角度，宜減少河道中橋墩數量，降低阻水比，盡量將承臺埋入河床中。但本橋位處覆蓋層淺，承臺完全埋入河床會導致造價增加過大，應減少水中基礎數量。

綜上考慮，結合橋型方案，本橋推薦方案主橋主跨確定為192m，單孔雙向通航。擬建橋梁與橋區(qū)河道基本正交，10 年一遇洪水情況下橋梁建成后橋區(qū)水流方向與橋軸線法線方向的最大夾角約為7.38°，橋區(qū)河段主流偏右岸深槽。擬建橋梁建成效果見圖1 所示，中間橋孔為主跨通航孔。

圖1 擬建橋梁效果圖

1.2 設計代表船型

綜合《內河通航標準》、《關于公布珠江水系“三線”過閘船舶標準船型主尺度系列及有關規(guī)定的公告》中的相關船型，結合分析現狀船型，并考慮到未來航線貨運及客運的發(fā)展，橋梁通航兩種較大設計代表船型為：500 噸級一頂二船隊（111.0m×10.8m×1.6m）、1000噸級貨船（57m×10.8m×3.0m）。

1.3 橋區(qū)航道等級

擬建橋梁處航道規(guī)劃等級為Ⅳ級航道，兼顧通航1000 噸級單船。

橋區(qū)河段河道微彎、水流平緩、河床穩(wěn)定，水深達6～7m 以上。

2 橋梁通航孔航道整治的相關規(guī)定

（1）根據《中華人民共和國內河交通安全管理條例》第十六條規(guī)定：船舶在內河航行時，上行船應當沿緩流或者航路一側航行，下行船應沿主流或者航路中間航行。根據規(guī)范規(guī)定、橋區(qū)地形、通航孔布置等情況，規(guī)劃航線應考慮盡量少改變原航路，并滿足橋孔上下游各不小于200m 的直線段過橋，直線過后接不小于3 倍設計代表船型長度的彎曲半徑航線與習慣航線銜接。

（2）擬建橋梁通航孔航道寬度計算公式為：橋梁通航孔航道寬度=交角不大于5°情況下最小通航凈寬+橫流加寬值+橋梁斜交加寬值。

3 正交情況下通航凈寬計算

擬建大橋主跨跨越了習慣航路范圍，枯水期，主墩的設置對枯水期習慣航路影響較小。橋區(qū)航道中心線沿規(guī)劃航道線布置，船舶下行準備通過橋區(qū)通航孔時，以中間位置偏向通航孔右岸側航行，上行船舶避開主流偏河道左側上行，各以左舷會船。

《內河航道標準》附錄C.0.1，天然和渠化河流水上過河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角不大于5°時，通航凈寬可按下列公式計算：

式中：

Bm1——單孔單向通航凈寬（m）；

Bm2——單孔雙向通航凈寬（m）；

BF——船舶或船隊航跡帶寬度（m）；

△Bm——船舶或船隊與兩側橋墩間的富裕寬度（m）；Ⅰ～Ⅴ級航道可取0.6 倍航跡帶寬度；

Pd——下行船舶或船隊的偏航距（m），按《內河通航標準》表C.0.1 取值；橋區(qū)橫向流速最大值為0.32m/s，下行偏航距查表C.0.1 取值為16m；

b——上、下行船舶或船隊會船時的安全距離（m），可取船舶或船隊的寬度；

Pu——上行船舶或船隊的偏航距（m），取0.85 倍下行偏航距；

Bs——船舶或船隊的寬度（m）；

L——頂推船隊或貨船的長度（m）；

β——船舶或船隊的航行漂角（°）；Ⅰ～Ⅴ級航道可取6°。

根據擬建橋梁設計代表船型及內河通航凈寬的計算公式，交角不大于5°情況下通航凈寬計算如表1：

表1 代表船型對應的橋位正交情況下凈寬

根據表1 計算，取98.65m 作為正交情況下的計算凈寬值進行通航論證。

4 橫向流速加寬

橋軸線法線方向與水流流向交角最大為7.38°，橫向流速最大值為0.32m/s，根據《內河通航標準》表C.0.3內插計算得本橋單向橫向流速加寬為7m，雙向橫向流速加寬為14m。

5 斜交加寬

橋軸線法線方向與水流流向交角最大為7.38°，根據斜交時幾何關系，通航孔橋梁墩內緣凈寬計算簡圖如圖2 所示：

圖2 斜交凈寬計算示意圖

由圖可推導出斜交時橋墩內緣凈寬計算公式如下：

B 斜＝（B 正＋L 墩×sinθ）/cosθ （3-1）

L 墩取左岸及右岸墩柱長度平均值13.75m 進行計算，推算得本橋斜交加寬為：（98.65+13.75×sin7.38°）/cos7.38°-98.65=2.6m。

取斜交加寬值為2.6m。

6 礙航紊流對航道的影響

工程河段為庫區(qū)河段，水流平緩，船舶都沿河道中央偏右岸深槽航道線航行；根據試驗觀察，在橋墩紊動寬度范圍內的水流，一方面屬于下降水流，另一方面在該范圍內的水流因邊界分離產生回流，又伴隨著一個一個的漩渦，對周圍水體產生較大的吸附作用，這可能就是船舶撞擊橋墩的主要原因。

因此，從船舶和橋梁的安全考慮，橋區(qū)航道的邊線宜布置在該紊動寬度以外。也就是說，可以將該紊動寬度作為航道邊線與橋墩之間的安全距離。

7 洪水期橋區(qū)航道寬度

擬建橋梁通航孔航道寬度計算公式為：橋梁通航孔航道寬度=交角不大于5°情況下最小通航凈寬+橫流加寬值+橋梁斜交加寬值。

根據洪水期水流方向與橋軸線法線方向最大夾角及橫向流速，擬建橋梁洪水期橋區(qū)航道寬度為：

航道寬度=98.65+14+2.6=115.25m

洪水期橋區(qū)航道寬度按116m 布置，橋軸線上下游各200m 后設過渡段與原航道線銜接。

8 航道整治寬度優(yōu)化分析

通航凈寬計算公式中對寬度影響比較大的為橫向流速對應的下行偏航距。橋梁所在河流洪水主要為大暴雨所致，洪水暴漲暴落，每次洪水過程時間為5～10天，漲水短歷時約占3 天～5 天，洪峰持續(xù)時間一般為3h～6h。

結合橋區(qū)地形，洪水期水位上漲，水深遠遠大于航道水深，若按116m 寬度進行整治，意義不大，且開挖范圍較大，可能會引起河床及岸坡不穩(wěn)定，從而影響橋梁安全。

經綜合分析，正交情況下通航凈寬計算公式中，下行偏航距Pd 應按枯水期橋區(qū)最大橫向流速（0.07m/s）取值，按《內河通航標準》表C.0.1 取值為8m，以此為基礎計算得到的最小通航凈寬值作為擬建橋梁枯水期航道寬度及橋區(qū)航道整治寬度，見表2。

表2 擬建橋梁通航孔航道寬度計算表

根據表2 的計算成果，在枯水期，橋區(qū)航道寬度按93m 設計；在洪水期，橋區(qū)航道寬度按116m 設計。在洪水期水位上漲，水深遠遠大于航道水深，若按116m寬度進行整治，意義不大，因此航道整治寬度按枯水期航道設計寬度93m 進行整治。

9 結論

在枯水期，橋區(qū)航道寬度為93m 設計，航道右邊線距離右墩柱邊緣為28.5m，航道左邊線距離左墩柱邊緣為59.5m；在洪水期，橋區(qū)航道寬度為116m，航道右邊線距離右墩柱邊緣為28.5m，航道左邊線距離左墩柱邊緣為36.5m。

經水流參數計算得紊流加寬值為12.18m，則最大紊流單邊寬度為6.09m。

綜上所述，航道邊線距離墩柱邊緣最小距離均大于最大紊流單邊寬度6.09m，滿足安全要求。

本文結合工程實例，從保證船舶在橋區(qū)安全通航的角度，提出了橋區(qū)航道寬度的設計過程，結合國內相關規(guī)范給出了公式及各參數的確定方法，可供橋梁設計參考。