李華奎，程小兵，李旺生

（1.吉林省航道管理局，吉林132000；2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的交通現(xiàn)代化建設(shè)取得了重大進展，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。然而，跨江大橋數(shù)量的增加不可避免地會對通航河流的航運業(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)不對河道通航造成不良影響，是非常具有現(xiàn)實意義的工作。

1 建橋?qū)νê接绊懠捌浣?jīng)驗教訓

1.1 橋址選擇對通航的影響

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

橋址選擇不當對通航的影響主要表現(xiàn)在以下2個方面。

（1）橋梁軸線與航道主流線夾角不當。如重慶白沙沱長江鐵路橋，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江中，中洪水期有明顯挑流作用，導致橋區(qū)水流條件差，嚴重影響通航。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）橋址選在河勢不穩(wěn)定段影響通航。武漢白沙洲長江大橋建于武漢長江大橋上游的白沙洲，該處為變化頻繁的分汊河段上，橋軸線穿過白沙洲左側(cè)不穩(wěn)定的心灘，給航道維護帶來很大困難。1999年1月初，建設(shè)中的白沙洲大橋因為淤積問題造成主通航孔船舶航行困難。武漢長江大橋亦因為淤積問題影響通航安全，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)漢陽一岸形成漢陽邊灘，并在枯水中后期向河心擴展，對船舶航行和橋梁安全均構(gòu)成極大威脅。至1995年7月，武漢長江大橋僅5號橋墩已被撞擊66次［1］，受損非常嚴重。

1.2 橋梁凈空對通航的影響

內(nèi)河通航標準中，橋梁凈空包括橋梁凈高和橋梁凈寬。橋梁的設(shè)計凈空高度一般以當?shù)卦O(shè)計最高洪水作為計算基準，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。以長江為例［2］，武漢長江大橋以上的橋梁凈高是依據(jù)《內(nèi)河通航標準》（GBJ139-90）中的I級（2）類航道標準考慮的，均大于18 m；武漢長江大橋以下至南京長江大橋的橋梁凈空是依據(jù)《內(nèi)河通航標準》（GBJ139-90）中的I級（1）類航道標準考慮的，基本達到24 m。在一定的通航水位下，能通過南京以上大橋的海船，首先就過不了南京大橋。長江下游大橋凈空普遍偏低，影響長江黃金水道的水運發(fā)展，南京長江大橋尤為突出。標準中規(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，還補充規(guī)定了對通航孔寬度進行調(diào)整的計算方法。由于通航孔凈寬不夠而影響航道通航的例子也不鮮見，通航凈寬不夠更多的是限制了航道的通航船隊尺度，影響航道的運輸能力。

1.3 橋梁墩孔布設(shè)及橋墩形狀對通航的影響

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)計有不同的要求，對于不同河段的邊界條件和水流條件，需找出與之相適應(yīng)的墩孔布置形勢及橋墩形狀，以減小橋墩對河道水流的影響。

在跨河橋梁的設(shè)計中，一跨過江的橋梁，在滿足通航凈高要求的情況下，對通航?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°；采用分水導流性能好的半圓形或橢圓形橋墩形狀等。

橋墩對通航造成嚴重影響的主要情況是通航凈寬小、墩位多、縮小過水面積大；在深槽中布置墩位；橋墩形狀分水導流性能差，橋區(qū)壅水嚴重。如沅水桃源大橋橋位選在急流灘險跑馬灘出口，橫跨右側(cè)雙洲和左側(cè)無名洲的洲頭，該橋設(shè)計了兩孔通航，跨徑各100 m，凈數(shù)值滿足IV級航道通航標準，但兩跨中間的6號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嚴重影響。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號橋墩，1次撞5號橋墩。武漢長江大橋的漢陽邊灘出現(xiàn)影響通航問題亦與該橋在江中布置了8個橋墩、壅水作用明顯的情況不無關(guān)系。黃石長江公路大橋主橋墩采用雙層薄壁長方形，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號橋墩建在紅水河龍灘中洪水期的航道中心線上，加之2號橋墩斷面形式為中空的雙矩形，中空部分的急流對過往船舶產(chǎn)生強烈的吸引作用，致使船舶在過往2號橋墩時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、航標配布、交通狀況等航行條件。已有研究認為，流、風、水深、航道及通航孔寬度、能見度、航道彎曲度、交通強度、交通構(gòu)成復雜度、助航標志、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、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。

2.1 橋區(qū)水流對通航的影響

在建橋河段，橋墩和橋臺入水使整個河槽過水斷面減小，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橋時的航行安全。交角越小，對過船越有利。當存在交角時，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)水流對通航安全的影響主要表現(xiàn)在流速、流向、和非正常流3個方面。因此，評判水流對通航的影響亦從這3個方面入手，3個因素最后可歸結(jié)為一個判別指標，即橋區(qū)橫流對通航的影響。橫流對行船的影響體現(xiàn)在船舶（隊）隨流飄移，偏失船位，而局部橫流作用則導致船體局部受到?jīng)_壓，除使船舶（隊）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)常風對通航的影響

內(nèi)河船舶具有吃水淺、穩(wěn)定性差、抗風能力差的特點，風的影響不容忽視。在橋區(qū)航道寬度有著嚴格的限制，大風導致的船位偏移，增加了船隊在通過大橋時碰撞橋墩的風險。因此，在進行墩位布置設(shè)計及橋區(qū)通航安全評估時，風是個重要的因素。

對于干舷和上層建筑較高的航行船舶，風對其通航安全有明顯影響，風對船舶航行安全影響程度和船舶受風面積及風動力中心位置、干舷高度與吃水之比、風級及風舷角大小等有密切關(guān)系。風力越大，船舶產(chǎn)生傾斜、漂移、偏轉(zhuǎn)的程度就越大。

2.3 橋區(qū)水深對通航的影響

船舶在淺區(qū)航行，水流阻力增大，主機負荷增加，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，當水深與船舶吃水深度之比H/d≤4時，水深開始影響船舶航行性能。當船底剩余水深很小，即H/d在1.2～1.5時，船舶以速度V=gH（g為自由加速度）航行時［4］，船舶有擦淺或擱淺的可能。

2.4 航道及通航孔寬度對通航的影響

航道寬度直接約束船舶的橫向活動范圍。有關(guān)學者為研究航道寬度對航行安全的影響［5-6］，對一定長度、不同寬度的航道上發(fā)生的事故進行了統(tǒng)計分析，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，對非橋區(qū)航段和橋區(qū)航段的水上交通事故進行統(tǒng)計分析也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律。因此，按照內(nèi)河通航標準要求，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 航道彎曲度對通航安全的影響

與順直河段相比，彎曲河段河槽水勢比較復雜，航道彎曲和水勢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。船舶通過彎曲航道時，彎曲度不能過大，以免觸岸擱淺。根據(jù)航行經(jīng)驗，最小彎曲半徑除與船長有關(guān)外，還應(yīng)考慮流速、流態(tài)、航道情況等因素。在進行橋區(qū)通航安全評估時，根據(jù)以往航行經(jīng)驗及船模實驗經(jīng)驗，選取船舶通過大橋所需累計轉(zhuǎn)舵角度，作為航道安全評估的一個判別指標。

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)狀航道尺度達到國家Ⅵ級標準，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)靠近岸邊就交錯連續(xù)分布了3個小型江心洲灘，使該段河道在此區(qū)間內(nèi)形成3個急彎，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、右岸相互交錯擺動［7］。

通過橋區(qū)河段歷史及近期演變調(diào)查分析，對擬建橋河段有以下認識。

（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)含沙量幾乎全部來自沿程河床補給，由于洪峰持續(xù)時間較短，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)的采砂活動改變了局部河段的河床形態(tài)和水流運動特征，增大了泥沙的補給，對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）相對穩(wěn)定，擬建橋位上下航道條件相對較好，處在發(fā)展的相對較好時期，但該汊航道尚未全線達到Ⅳ級航道標準，還需進行航道治理。

3.2 橋位方案選擇的通航要求論證

結(jié)合前文關(guān)于橋位選擇對通航影響分析，對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到通航孔的設(shè)計要求，而且在通航孔的設(shè)計布置時必須采取航行安全措施；

（2）橋址方案在與灘險、彎道方面的距離不符合標準要求，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（即春季開江流冰結(jié)束至秋季封江流冰開始）水位來確定通航水位，水位、流量采用1988～2008年水文資料。設(shè)計最高通航水位重現(xiàn)期為10 a；設(shè)計最低通航水位采用多年歷時保證率法，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)河通航標準》［8］水上過河建筑物通航凈空尺度的規(guī)定，以及二松船隊的船型和航道等級，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°，通過計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)適當放寬。

通過計算，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)河道的演變趨勢適當預留通航孔。

3.4 通航孔數(shù)、布置和通航凈寬方案

根據(jù)第二松花江航運現(xiàn)狀，考慮未來航運發(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，在通航河道多預留通航孔。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，由于近年來松花江來水量比較穩(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）通過橋區(qū)河段河演分析，結(jié)合設(shè)計單位提出的4跨通航孔寬80 m的橋梁跨度方案，通過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發(fā)生一定的變化，設(shè)計單位要在大橋初步設(shè)計階段，同航道主管部門協(xié)商解決橋位河段的河床穩(wěn)定問題，通過采取適當?shù)墓こ檀胧┓€(wěn)定河床以盡可能保證航槽的穩(wěn)定。

3.5 對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，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)由航道主管部門和大橋設(shè)計單位在施工圖設(shè)計時共同協(xié)商確定，或委托具有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計部門進行分項設(shè)計。

（2）大橋建成后，應(yīng)加強對橋位河道觀測工作，尤其要注意對洪汛期水流造床作用、河道水面壅高、河勢變化情況進行觀測和分析，必要時采取補救措施保證橋區(qū)通航安全。

4 結(jié)語

在跨河大橋數(shù)量不斷增加的同時，大型內(nèi)河船舶（隊）及單船航行也愈來愈頻繁，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，分析研究大橋可能對橋區(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，達到“南北、東西兩條通道”均暢通無阻，防止橋梁建設(shè)后影響航道通航。

［1］戴彤宇，聶武，劉偉力.長江干線船撞橋事故分析［J］.中國航海，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］長江航道規(guī)劃設(shè)計院.南京過江通道跨江橋梁及過江隧道通航凈空尺度和技術(shù)要求論證研究報告［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計院，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，2008.

［4］齊傳新.內(nèi)河船舶運輸安全學［M］.大連：大連海運學院出版社，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.

［6］沈小雄，胡旭躍.航道邊線與橋墩之間安全距離的研究［J］.水運工程，2004（11）：85-87.SHEN X X，HU X Y.Safe Distance Between Channel Sideline and Bridge Pier［J］.Port&Waterway Engineering，2004（11）：85-87.

［7］李華奎.松原至陶賴昭鐵路第二松花江特大橋通航凈空尺度和技術(shù)要求論證研究報告［R］.吉林：吉林省航道局，2009.

［8］GB50139-2004，內(nèi)河通航標準［S］.