李華奎，程小兵，李旺生

（1.吉林省航道管理局，吉林132000；2.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的交通現(xiàn)代化建設(shè)取得了重大進(jìn)展，連接通航河流兩岸交通網(wǎng)的跨江大橋數(shù)量也在飛速增長(zhǎng)。然而，跨江大橋數(shù)量的增加不可避免地會(huì)對(duì)通航河流的航運(yùn)業(yè)產(chǎn)生影響。能夠完全滿足建橋要求的天然河段十分有限的，有的橋梁不得不建在不滿足選址要求的河道上。在非優(yōu)良建橋河段建橋，如何確保橋梁建設(shè)不對(duì)河道通航造成不良影響，是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。

1 建橋?qū)νê接绊懠捌浣?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

1.1 橋址選擇對(duì)通航的影響

若橋址處在汊道、彎道、匯流口及河勢(shì)不穩(wěn)定段，會(huì)給船舶航行和橋梁安全帶來(lái)威脅，加重航道維護(hù)的難度。如已建的重慶白沙沱大橋、荊州長(zhǎng)江大橋、武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋、武漢長(zhǎng)江大橋、黃石長(zhǎng)江大橋及沅水桃源大橋等。

橋址選擇不當(dāng)對(duì)通航的影響主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

（1）橋梁軸線與航道主流線夾角不當(dāng)。如重慶白沙沱長(zhǎng)江鐵路橋，該橋建在峽谷出口，橋軸線與主流線非正交，且橋位上右岸有一石梁壩伸入長(zhǎng)江中，中洪水期有明顯挑流作用，導(dǎo)致橋區(qū)水流條件差，嚴(yán)重影響通航。自1959年建橋至今，發(fā)生大小船舶撞橋事件100多起。黃石長(zhǎng)江公路大橋橋址位于戴家洲分汊河段的下游，黃石彎道頂部的上端，洪枯水流向不一，枯水主流傍岸，洪水居中，加之該處水流流速大、曲度大，航效差，船舶在該處過(guò)橋困難。大橋1995年12月建成通車至今發(fā)生20多起船舶撞橋事故。

（2）橋址選在河勢(shì)不穩(wěn)定段影響通航。武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋建于武漢長(zhǎng)江大橋上游的白沙洲，該處為變化頻繁的分汊河段上，橋軸線穿過(guò)白沙洲左側(cè)不穩(wěn)定的心灘，給航道維護(hù)帶來(lái)很大困難。1999年1月初，建設(shè)中的白沙洲大橋因?yàn)橛俜e問(wèn)題造成主通航孔船舶航行困難。武漢長(zhǎng)江大橋亦因?yàn)橛俜e問(wèn)題影響通航安全，該橋位于支流漢江入?yún)R的上方，1957年建成通車后，每年汛后幾乎都在橋位上游左側(cè)漢陽(yáng)一岸形成漢陽(yáng)邊灘，并在枯水中后期向河心擴(kuò)展，對(duì)船舶航行和橋梁安全均構(gòu)成極大威脅。至1995年7月，武漢長(zhǎng)江大橋僅5號(hào)橋墩已被撞擊66次［1］，受損非常嚴(yán)重。

1.2 橋梁凈空對(duì)通航的影響

內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)中，橋梁凈空包括橋梁凈高和橋梁凈寬。橋梁的設(shè)計(jì)凈空高度一般以當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)最高洪水作為計(jì)算基準(zhǔn)，橋梁的通航凈高與水位有關(guān)，枯水期凈空高，洪水期凈空低。以長(zhǎng)江為例［2］，武漢長(zhǎng)江大橋以上的橋梁凈高是依據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ139-90）中的I級(jí)（2）類航道標(biāo)準(zhǔn)考慮的，均大于18 m；武漢長(zhǎng)江大橋以下至南京長(zhǎng)江大橋的橋梁凈空是依據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ139-90）中的I級(jí)（1）類航道標(biāo)準(zhǔn)考慮的，基本達(dá)到24 m。在一定的通航水位下，能通過(guò)南京以上大橋的海船，首先就過(guò)不了南京大橋。長(zhǎng)江下游大橋凈空普遍偏低，影響長(zhǎng)江黃金水道的水運(yùn)發(fā)展，南京長(zhǎng)江大橋尤為突出。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定橋梁通航凈寬指在建橋優(yōu)良河段上橋梁的通航孔寬度，在非優(yōu)良河段上，還補(bǔ)充規(guī)定了對(duì)通航孔寬度進(jìn)行調(diào)整的計(jì)算方法。由于通航孔凈寬不夠而影響航道通航的例子也不鮮見(jiàn)，通航凈寬不夠更多的是限制了航道的通航船隊(duì)尺度，影響航道的運(yùn)輸能力。

1.3 橋梁墩孔布設(shè)及橋墩形狀對(duì)通航的影響

在通航河流上建設(shè)橋梁，橋墩的位置及形狀直接影響河道的演變及水流條件。不同的河段，墩孔布設(shè)和墩形設(shè)計(jì)有不同的要求，對(duì)于不同河段的邊界條件和水流條件，需找出與之相適應(yīng)的墩孔布置形勢(shì)及橋墩形狀，以減小橋墩對(duì)河道水流的影響。

在跨河橋梁的設(shè)計(jì)中，一跨過(guò)江的橋梁，在滿足通航凈高要求的情況下，對(duì)通航?jīng)]有影響。在水中布有橋墩的橋梁，只要安排布置合理，也基本不對(duì)通航造成影響，如在通航水域基本不布設(shè)或較少布設(shè)橋墩；主跨度大且基本覆蓋穩(wěn)定深槽；橋梁軸線法線方向與水流夾角小于5°；采用分水導(dǎo)流性能好的半圓形或橢圓形橋墩形狀等。

橋墩對(duì)通航造成嚴(yán)重影響的主要情況是通航凈寬小、墩位多、縮小過(guò)水面積大；在深槽中布置墩位；橋墩形狀分水導(dǎo)流性能差，橋區(qū)壅水嚴(yán)重。如沅水桃源大橋橋位選在急流灘險(xiǎn)跑馬灘出口，橫跨右側(cè)雙洲和左側(cè)無(wú)名洲的洲頭，該橋設(shè)計(jì)了兩孔通航，跨徑各100 m，凈數(shù)值滿足IV級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)，但兩跨中間的6號(hào)橋墩卻布置在跑馬灘口枯水狹窄航槽的中心，再加上該橋橋軸線法線方向與中枯水流向偏角為25°，給船舶安全航行帶來(lái)嚴(yán)重影響。1998年11月～1999年4月橋區(qū)發(fā)生7起海損事故，其中4次是撞6號(hào)橋墩，1次撞5號(hào)橋墩。武漢長(zhǎng)江大橋的漢陽(yáng)邊灘出現(xiàn)影響通航問(wèn)題亦與該橋在江中布置了8個(gè)橋墩、壅水作用明顯的情況不無(wú)關(guān)系。黃石長(zhǎng)江公路大橋主橋墩采用雙層薄壁長(zhǎng)方形，水位越高，水流流速越大，水流繞流角就越大，通航孔的流態(tài)就越差，而且水流繞角越大，通航孔內(nèi)的安全航行水域就越窄，船舶航行的安全系數(shù)就越小。廣西紅水河上的天峨龍灘大橋，將2號(hào)橋墩建在紅水河龍灘中洪水期的航道中心線上，加之2號(hào)橋墩斷面形式為中空的雙矩形，中空部分的急流對(duì)過(guò)往船舶產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引作用，致使船舶在過(guò)往2號(hào)橋墩時(shí)極易被吸而與之相撞。

2 橋區(qū)通航安全的主要影響要素

影響通航安全的要素很多，可分為自然環(huán)境因素、人工環(huán)境因素和交通環(huán)境因素，其中包括水文、氣象、航道、航標(biāo)配布、交通狀況等航行條件。已有研究認(rèn)為，流、風(fēng)、水深、航道及通航孔寬度、能見(jiàn)度、航道彎曲度、交通強(qiáng)度、交通構(gòu)成復(fù)雜度、助航標(biāo)志、通航孔凈高、礙航物及兩橋間距等是影響航道通航安全的關(guān)鍵因素［3］。其中最重要的是水流情況，其次是風(fēng)、水深和航道寬度及通航孔凈寬。這些也是橋區(qū)通航論證應(yīng)該考慮的重點(diǎn)。

2.1 橋區(qū)水流對(duì)通航的影響

在建橋河段，橋墩和橋臺(tái)入水使整個(gè)河槽過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，橋墩處因上方水流不暢而產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，使橋孔內(nèi)及其出口處出現(xiàn)較大流速。橋梁軸線法線方向與水流交角的大小亦影響船舶過(guò)橋時(shí)的航行安全。交角越小，對(duì)過(guò)船越有利。當(dāng)存在交角時(shí)，在主流的分量具有橫流的成分，在橫流的作用下，船舶將發(fā)生偏移。

總結(jié)已建橋梁的成敗，橋區(qū)水流對(duì)通航安全的影響主要表現(xiàn)在流速、流向、和非正常流3個(gè)方面。因此，評(píng)判水流對(duì)通航的影響亦從這3個(gè)方面入手，3個(gè)因素最后可歸結(jié)為一個(gè)判別指標(biāo)，即橋區(qū)橫流對(duì)通航的影響。橫流對(duì)行船的影響體現(xiàn)在船舶（隊(duì)）隨流飄移，偏失船位，而局部橫流作用則導(dǎo)致船體局部受到?jīng)_壓，除使船舶（隊(duì)）隨流漂移外，更主要的是發(fā)生偏轉(zhuǎn)而造成危害。

2.2 橋區(qū)常風(fēng)對(duì)通航的影響

內(nèi)河船舶具有吃水淺、穩(wěn)定性差、抗風(fēng)能力差的特點(diǎn)，風(fēng)的影響不容忽視。在橋區(qū)航道寬度有著嚴(yán)格的限制，大風(fēng)導(dǎo)致的船位偏移，增加了船隊(duì)在通過(guò)大橋時(shí)碰撞橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在進(jìn)行墩位布置設(shè)計(jì)及橋區(qū)通航安全評(píng)估時(shí)，風(fēng)是個(gè)重要的因素。

對(duì)于干舷和上層建筑較高的航行船舶，風(fēng)對(duì)其通航安全有明顯影響，風(fēng)對(duì)船舶航行安全影響程度和船舶受風(fēng)面積及風(fēng)動(dòng)力中心位置、干舷高度與吃水之比、風(fēng)級(jí)及風(fēng)舷角大小等有密切關(guān)系。風(fēng)力越大，船舶產(chǎn)生傾斜、漂移、偏轉(zhuǎn)的程度就越大。

2.3 橋區(qū)水深對(duì)通航的影響

船舶在淺區(qū)航行，水流阻力增大，主機(jī)負(fù)荷增加，功率下降，吃水增值增大，產(chǎn)生船尾縱傾，船舶操控性能變差。研究表明，當(dāng)水深與船舶吃水深度之比H/d≤4時(shí)，水深開(kāi)始影響船舶航行性能。當(dāng)船底剩余水深很小，即H/d在1.2～1.5時(shí)，船舶以速度V=gH（g為自由加速度）航行時(shí)［4］，船舶有擦淺或擱淺的可能。

2.4 航道及通航孔寬度對(duì)通航的影響

航道寬度直接約束船舶的橫向活動(dòng)范圍。有關(guān)學(xué)者為研究航道寬度對(duì)航行安全的影響［5-6］，對(duì)一定長(zhǎng)度、不同寬度的航道上發(fā)生的事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，航道寬度和事故數(shù)或事故百分比之間存在著密切關(guān)系，對(duì)非橋區(qū)航段和橋區(qū)航段的水上交通事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律。因此，按照內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)要求，盡可能加大通航孔寬度是保證橋區(qū)船舶安全航行的有效手段。

2.5 航道彎曲度對(duì)通航安全的影響

與順直河段相比，彎曲河段河槽水勢(shì)比較復(fù)雜，航道彎曲和水勢(shì)掃彎是造成船舶通行困難的主要因素。大橋不宜建在彎道處，但出于多種原因，不少大橋都建在彎道處。船舶通過(guò)彎曲航道時(shí)，彎曲度不能過(guò)大，以免觸岸擱淺。根據(jù)航行經(jīng)驗(yàn)，最小彎曲半徑除與船長(zhǎng)有關(guān)外，還應(yīng)考慮流速、流態(tài)、航道情況等因素。在進(jìn)行橋區(qū)通航安全評(píng)估時(shí)，根據(jù)以往航行經(jīng)驗(yàn)及船模實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選取船舶通過(guò)大橋所需累計(jì)轉(zhuǎn)舵角度，作為航道安全評(píng)估的一個(gè)判別指標(biāo)。

3 松陶鐵路第二松花江特大橋通航論證

擬建松陶鐵路（松原至陶賴昭鐵路）第二松花江特大橋位于第二松花江的下游河段，即五棵樹(shù)至三岔河口段，屬典型平原河流，其水上距離下游松原市第一松花江大橋18.1 km。橋位及其上游河段現(xiàn)狀航道尺度達(dá)到國(guó)家Ⅵ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該段航道每年4月中旬至11月中旬為通航期。

3.1 橋區(qū)河段演變分析

從平面形態(tài)看，橋區(qū)所處河段屬于典型的散亂、分汊型河道。該河段自擬建大橋上游3.06 km左右處分為左、右2個(gè)汊道，其中左汊在擬建大橋下游2.3 km左右處又分為左右2個(gè)支汊，右支汊與右汊在高通島中部匯合后繼續(xù)向下游綿延，深泓線處于左汊內(nèi)，屬于通航汊道。左汊自從河道上游分為左右兩汊后，河道內(nèi)靠近岸邊就交錯(cuò)連續(xù)分布了3個(gè)小型江心洲灘，使該段河道在此區(qū)間內(nèi)形成3個(gè)急彎，彎曲半徑分別為350 m、350 m、410 m。隨著彎道作用，河道深泓線也在左、右岸相互交錯(cuò)擺動(dòng)［7］。

通過(guò)橋區(qū)河段歷史及近期演變調(diào)查分析，對(duì)擬建橋河段有以下認(rèn)識(shí)。

（1）橋區(qū)河段為多汊河型，左汊為發(fā)育的一汊，是通航主汊；右汊為支汊，是衰退的一汊。本河段洪水期水流取直，河床過(guò)水面積增大，流速減小，泥沙落淤；枯水期水流歸槽，流速加大，河床沖刷。洪枯水交替作用使得擬建橋位處河床不穩(wěn)定。

（2）橋區(qū)河段懸移質(zhì)含沙量幾乎全部來(lái)自沿程河床補(bǔ)給，由于洪峰持續(xù)時(shí)間較短，而且集中于汛期，洪水期該段河道以淤積為主，枯水期河道以沖刷為主。

（3）河道內(nèi)的采砂活動(dòng)改變了局部河段的河床形態(tài)和水流運(yùn)動(dòng)特征，增大了泥沙的補(bǔ)給，對(duì)該河段洲灘的演變和汊道興衰發(fā)展起著重要作用。

（4）河段內(nèi)河床質(zhì)組成及岸灘覆蓋層抗沖性能較差，岸線穩(wěn)固措施較少，洲灘和汊道的平面變形幅度較大。

（5）目前的通航主汊（左汊）相對(duì)穩(wěn)定，擬建橋位上下航道條件相對(duì)較好，處在發(fā)展的相對(duì)較好時(shí)期，但該汊航道尚未全線達(dá)到Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)行航道治理。

3.2 橋位方案選擇的通航要求論證

結(jié)合前文關(guān)于橋位選擇對(duì)通航影響分析，對(duì)松陶鐵路第二松花江大橋橋位選擇作出如下判斷。

（1）擬建橋位位于散亂、分汊型河道內(nèi)，河床極易發(fā)生變遷，為保證航道的通航條件，一方面必須采取工程措施穩(wěn)定航道，另一方面可以采取多孔通航的方式達(dá)到通航孔的設(shè)計(jì)要求，而且在通航孔的設(shè)計(jì)布置時(shí)必須采取航行安全措施；

（2）橋址方案在與灘險(xiǎn)、彎道方面的距離不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但可以采用一定的整治措施改善河道，使其滿足建橋條件。

3.3 通航凈空尺度論證

3.3.1 通航水位的計(jì)算方法和成果

通航水位的推求以扶余水文站（位于擬建大橋下游17.5 km處）為基本站，采用暢流期（即春季開(kāi)江流冰結(jié)束至秋季封江流冰開(kāi)始）水位來(lái)確定通航水位，水位、流量采用1988～2008年水文資料。設(shè)計(jì)最高通航水位重現(xiàn)期為10 a；設(shè)計(jì)最低通航水位采用多年歷時(shí)保證率法，保證率取95%以上。扶余水文站最高通航水位為134.171 m，最低通航水位為129.537 m，通過(guò)推求得橋區(qū)最高通航水位（H10%）為136.26 m，最低通航水位（H95%）為 131.759 m。

3.3.2 通航凈空方案

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［8］水上過(guò)河建筑物通航凈空尺度的規(guī)定，以及二松船隊(duì)的船型和航道等級(jí)，確定擬建松陶鐵路第二松花江特大橋通航孔凈高不得小于8.0 m；單向通航孔凈寬不得小于50 m，雙向通航孔凈寬不得小于100 m；通航孔側(cè)高不得小于5 m；計(jì)算得出擬建大橋橋梁采用單孔單向通航孔上底寬不得小于57.4 m。

由于橋位河道受上、下游分汊河道河勢(shì)變化的影響較大，邊灘、深槽及洲灘呈不穩(wěn)定狀態(tài)，而且橋位現(xiàn)狀下的航道走向與橋軸線的法線方向交角大于5°，通過(guò)計(jì)算橋位處水流橫向最大流速為0.32 m/s，為便于船舶安全航行，通航孔凈寬應(yīng)適當(dāng)放寬。

通過(guò)計(jì)算，橋區(qū)河段航道采用單孔單向通航凈寬不應(yīng)小于70 m，采用單孔雙向通航凈寬不小于128 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位橋址方案中提出的4跨通航孔寬80 m的橋梁布置方案，確定擬建大橋的通航方式選擇兩孔單向通航，單向通航孔凈寬不應(yīng)小于70 m，并根據(jù)河道的演變趨勢(shì)適當(dāng)預(yù)留通航孔。

3.4 通航孔數(shù)、布置和通航凈寬方案

根據(jù)第二松花江航運(yùn)現(xiàn)狀，考慮未來(lái)航運(yùn)發(fā)展，擬建松陶鐵路第二松花江特大橋不但要滿足現(xiàn)狀下航道通航的需要，而且要適應(yīng)該段河道易變的特點(diǎn)，在通航河道多預(yù)留通航孔。通航橋孔具體布置方案為：

（1）橋區(qū)河段左汊為通航主汊道，由于近年來(lái)松花江來(lái)水量比較穩(wěn)定，左汊發(fā)育良好，平均水深在1.8 m以上，河床也比較穩(wěn)定。但由于沒(méi)有固岸措施，不排除以后受洪水和人工采砂的影響，河床變形，所以確定大橋通航孔覆蓋范圍不應(yīng)小于320 m。

（2）通過(guò)橋區(qū)河段河演分析，結(jié)合設(shè)計(jì)單位提出的4跨通航孔寬80 m的橋梁跨度方案，通過(guò)橋梁通航凈空尺度論證得出：擬建大橋單向通航孔凈寬不得小于70 m，凈高不得小于8.0 m、側(cè)高不得小于5.0 m，頂寬不得小于57.4 m。通航方式選擇兩孔單向通航，其他兩孔作為預(yù)留通航孔。

（3）橋位河道河床穩(wěn)定性較差，考慮到今后航道位置可能會(huì)發(fā)生一定的變化，設(shè)計(jì)單位要在大橋初步設(shè)計(jì)階段，同航道主管部門(mén)協(xié)商解決橋位河段的河床穩(wěn)定問(wèn)題，通過(guò)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┓€(wěn)定河床以盡可能保證航槽的穩(wěn)定。

3.5 對(duì)松陶鐵路第二松花江大橋建設(shè)的建議

（1）為穩(wěn)定橋位河道河勢(shì)，盡可能保證大橋不影響以后航道通航，必須采取相應(yīng)的岸灘穩(wěn)定工程措施，具體方案應(yīng)由航道主管部門(mén)和大橋設(shè)計(jì)單位在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)共同協(xié)商確定，或委托具有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行分項(xiàng)設(shè)計(jì)。

（2）大橋建成后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋位河道觀測(cè)工作，尤其要注意對(duì)洪汛期水流造床作用、河道水面壅高、河勢(shì)變化情況進(jìn)行觀測(cè)和分析，必要時(shí)采取補(bǔ)救措施保證橋區(qū)通航安全。

4 結(jié)語(yǔ)

在跨河大橋數(shù)量不斷增加的同時(shí)，大型內(nèi)河船舶（隊(duì)）及單船航行也愈來(lái)愈頻繁，通航船舶流密度正逐年增大。在今后的跨河橋梁建設(shè)論證中，應(yīng)更加注重總結(jié)跨河橋梁的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，分析研究大橋可能對(duì)橋區(qū)通航環(huán)境造成的影響，充分考慮各影響因素，為橋梁設(shè)計(jì)和建設(shè)單位提供合理建議，確保船舶通航安全和橋梁安全，達(dá)到“南北、東西兩條通道”均暢通無(wú)阻，防止橋梁建設(shè)后影響航道通航。

［1］戴彤宇，聶武，劉偉力.長(zhǎng)江干線船撞橋事故分析［J］.中國(guó)航海，2002，4（53）：44-47.DAI T Y，NIE W，LIU W L.The Analysis of Ship-Bridge Collision in Main Waterway of the Yangtze River［J］.Navigation of China，2002，4（53）：44-47.

［2］長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)院.南京過(guò)江通道跨江橋梁及過(guò)江隧道通航凈空尺度和技術(shù)要求論證研究報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2005.

［3］莊元.橋梁通航論證關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［4］齊傳新.內(nèi)河船舶運(yùn)輸安全學(xué)［M］.大連：大連海運(yùn)學(xué)院出版社，1991.

［5］陳明棟，王多銀.探討跨江橋梁通航凈空尺度和通航安全保障措施［J］.水運(yùn)工程，2001（4）：42-43.CHEN M D，WANG D Y.An Approach to the Navigable Clearance Dimensions and Navigation Safety Guarantee Measures for Crossing-River Bridge［J］.Port&Waterway Engineering，2001（4）：42-43.

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