陳 明，陳明棟，楊 斌，王多銀

(重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

“橋群”通常是指橋區(qū)河段上建有兩座或兩座以上、且其間距不滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)標(biāo)”)［1］要求的多座橋梁橋群，對(duì)船舶航行安全帶來很大影響，對(duì)橋區(qū)通航條件的影響、橋梁選址與墩跨布設(shè)、橋區(qū)通航安全保障措施等方面帶來新的技術(shù)難題.本文基于國(guó)內(nèi)外大量研究資料，系統(tǒng)論述了橋群河段通航條件及通航安全的研究現(xiàn)狀，并探討了其研究前景.

1 橋群建設(shè)對(duì)通航條件的影響

橋梁建設(shè)與航道建設(shè)同為交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展都起著重要作用，但規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)考慮的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，一些橋梁在規(guī)劃設(shè)計(jì)中常常忽視可能對(duì)通航造成的影響.僅從單橋而言，其建設(shè)對(duì)通航造成的影響主要表現(xiàn)在:①改變橋區(qū)的通航水流條件;②改變橋區(qū)河床演變規(guī)律;③改變橋區(qū)習(xí)慣航線;④橋址選擇、橋跨布設(shè)不當(dāng)對(duì)橋區(qū)通航條件的影響;⑤施工期對(duì)橋區(qū)通航條件的影響［2-9］.

相比單座橋梁，橋群建設(shè)對(duì)通航條件的影響更為復(fù)雜.在理論研究方面，張?zhí)m?。?0］根據(jù)橋墩群體繞流的復(fù)變函數(shù)理論解給出了在平面無旋流條件下多個(gè)橋墩繞流的理論解，并采用該理論解，通過試算得出了橋墩橫斷面的理論曲線，從而可根據(jù)預(yù)定的墩間流速進(jìn)行多個(gè)橋墩繞流時(shí)的橫斷面設(shè)計(jì)，合理地確定橋墩間距，并可給出墩間二維流場(chǎng)理論解.林巧［11］通過菜園壩橋群河段的物理模型試驗(yàn)(包括水流與船模試驗(yàn))，分析了橋群建設(shè)前后對(duì)水流條件及船舶航行的影響程度，同時(shí)也分析了不同間距橋梁的修建對(duì)通航條件的影響.隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的高速發(fā)展，數(shù)值模擬在橋區(qū)通航條件中的應(yīng)用與研究已得到了充分的發(fā)展.林姍［12］利用自主研發(fā)的船舶操縱運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)，通過船舶航行參數(shù)的變化，就菜園壩河段橋群的建設(shè)對(duì)船舶航行的影響進(jìn)行了研究.陳明［13］基于重慶石板坡長(zhǎng)江大橋—儲(chǔ)奇門河段的河勢(shì)條件以及通航環(huán)境，將該河段(橋群河段)半概化為山區(qū)河流典型的順直微彎河道，通過平面二維水流數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)研究了橋群河段上橋間距與橋跨的不同組合時(shí)分別對(duì)通航水流條件的影響程度.J.G.Duan［14］通過水深平均的二維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)清水環(huán)境下圓形橋墩群的水流條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，并考慮由于水流分離和漩渦而引起的流線曲率影響，得出了水流摩擦項(xiàng)中的一個(gè)修正因子.小間距橋梁(復(fù)線橋等)的建設(shè)對(duì)通航帶來的影響亦不容忽視.彭鉅新［15］針對(duì)跨河橋群引發(fā)的通航標(biāo)準(zhǔn)問題開展了初步的探討，研究了橋洞縱深長(zhǎng)度和船舶通視角等對(duì)船舶安全通過橋區(qū)的影響，以及船舶碰撞角和橋群斜交時(shí)橋梁凈寬要求的影響.吳飛等［16］為研究橋墩組中軸線與水流方向夾角過大對(duì)河流流場(chǎng)的影響，采用平面二維數(shù)學(xué)模型首先模擬不同夾角下橋墩組對(duì)理想矩形水槽水流流場(chǎng)的影響，然后結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明橋墩組中軸線與水流方向夾角越大，橋墩對(duì)水流流場(chǎng)影響越大，得出了將左右橋墩錯(cuò)開布置可較好地減少因橋墩組中軸線與水流方向夾角過大而引起的對(duì)河流流場(chǎng)不利的影響.胡旭躍等［17］利用平面二維非恒定流定床模型，分析研究了肇慶西江大橋復(fù)線工程建成后橋區(qū)通航水流條件.橋(墩)群建設(shè)對(duì)通航水流條件的研究手段，已發(fā)展到了三維水流數(shù)學(xué)模型.何國(guó)建等［18］采用具有自由水面和河床切應(yīng)力計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型分析了橋墩群對(duì)河道水流的影響.此外，在橋梁施工期間，橋墩圍堰、導(dǎo)向船定位及錨定設(shè)施將占據(jù)較大部分通航水域，船舶可通航寬度縮窄，加之工程船舶和供應(yīng)船舶穿梭，也會(huì)給船舶航行和避讓造成很大困難［19］.曾永容［20］對(duì)兩座特殊對(duì)孔布置橋梁可能對(duì)橋區(qū)通航條件的影響分施工期和營(yíng)運(yùn)期進(jìn)行了專門探討.

2 橋群河段橋梁選址與橋跨布設(shè)

關(guān)于橋梁選址和橋跨布設(shè)涉及的因素和學(xué)科門類較多，需要采用跨學(xué)科的方法來綜合考慮［21-22］.針對(duì)橋群河段上的橋梁選址，王多銀等［23］提出，橋址選擇應(yīng)合理利用岸線，并充分考慮擬建橋?qū)ι舷掠螛蛄旱挠绊?而縱觀其他有關(guān)研究成果，針對(duì)橋群的甚少，較為普遍的是針對(duì)單座擬建橋梁的選址、橋墩橋跨布設(shè)和通航技術(shù)要求的專題研究［24-27］.與單座橋梁相比，橋群河段橋址選擇和橋跨布設(shè)不僅要對(duì)橋區(qū)的航道條件進(jìn)行調(diào)查分析，且需考慮兩座或多座橋梁對(duì)船舶航行安全的共同作用.因此，在此類河段上進(jìn)行橋址選擇和橋跨布設(shè)研究時(shí)，考慮航道條件的同時(shí)，還應(yīng)考慮橋梁間距、橋梁凈空尺度對(duì)船行安全的影響等關(guān)鍵環(huán)節(jié).

對(duì)于純粹的橋梁間距研究，“內(nèi)標(biāo)”規(guī)定:兩座相鄰水上過河建筑物的軸線間距，Ⅰ～Ⅴ級(jí)航道應(yīng)大于代表船隊(duì)長(zhǎng)度與代表船隊(duì)下行5min航程之和，Ⅵ級(jí)和Ⅶ級(jí)航道應(yīng)大于代表船隊(duì)長(zhǎng)度與代表船隊(duì)下行3min航程之和.由此看來，一方面，橋間距要求是橋梁建設(shè)過程中的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容;而另一方面，“內(nèi)標(biāo)”中橋間距的規(guī)定較為籠統(tǒng)，未對(duì)橋間距的計(jì)算進(jìn)行細(xì)化，而實(shí)際的河道條件常常千變?nèi)f化，船行安全對(duì)橋間距的要求也自然不同.后來閔朝斌［28］對(duì)“內(nèi)標(biāo)”中“兩座相鄰水上過河建筑物的軸線間距”進(jìn)行分析討論，在與歐美國(guó)家進(jìn)行比較后，對(duì)我國(guó)內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)提出了修改建議.K.Shoji［29］則認(rèn)為，若順直航道中橋梁間距小于船長(zhǎng)的8倍，或者主通航孔的跨度小于船長(zhǎng)的2～3倍，船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)概率就會(huì)提高.

實(shí)際上，橋間距與橋跨大小(橋梁凈寬)并非獨(dú)立的，兩者間存在一定的耦合關(guān)系，即橋間距一旦減小，船行對(duì)橋跨的要求必然增大，反之亦然.因此，對(duì)橋間距與橋跨的布設(shè)研究，應(yīng)予以綜合考慮.陳明［13］通過采用平面二維水流數(shù)值模擬和小尺度船舶物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，同時(shí)以橋跨與橋間距作為研究對(duì)象，得出了在山區(qū)河流典型的順直微彎橋群河段上的橋跨與橋間距的合理組合.林巧［11］通過菜園壩橋群河段，對(duì)形成的橋群橋梁選址及橋跨布置方法進(jìn)行了細(xì)化研究，提出了試驗(yàn)河段在已有橋梁的約束下修建新橋合適的橋間距和橋跨布設(shè)方案.針對(duì)小間距橋梁或復(fù)線橋等，黃美蘭［30］根據(jù)每座橋的橋前壅水高度，采用壅水平衡法綜合確定每座橋的孔徑長(zhǎng)度，從而確定一河多橋的總長(zhǎng)度.徐亞平等［31］對(duì)平原寬灘河流上的一河多橋特殊情況下的流量分配方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，給出了計(jì)算方法，以便合理確定一河多橋橋孔位置及合理的橋孔長(zhǎng)度.彭鉅新［15，32］基于橋洞縱深長(zhǎng)度和船舶通視角等對(duì)船舶安全通過橋區(qū)的影響，以及船舶碰撞角和橋群斜交時(shí)橋梁凈寬的要求，提出了限制橋洞縱深長(zhǎng)度等的建議和調(diào)整橋群凈寬的計(jì)算方法;同時(shí)通過引入橋洞縱深長(zhǎng)度概念結(jié)合航道軸線夾角、水流夾角等，提出了橋洞通航凈寬尺度的計(jì)算方法.

3 橋群河段通航安全保障措施

解決橋區(qū)的通航安全，就是避免過往船舶通過大橋通航水域時(shí)發(fā)生船舶撞擊橋梁的海損事故.防止船舶撞擊橋梁的安全保障措施主要分為兩大類，一是主動(dòng)設(shè)防，二是被動(dòng)設(shè)防.主動(dòng)設(shè)防安全保障措施主要包括設(shè)置航標(biāo)和導(dǎo)航系統(tǒng)、建立應(yīng)急救助體系、改善橋區(qū)航道條件等［33－34］;被動(dòng)設(shè)防是指對(duì)橋梁采取直接的保護(hù)，防止和阻攔船舶撞擊大橋，或減輕船舶撞上橋梁后對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，目前在該領(lǐng)域的研究，較為多見的是針對(duì)防撞裝置的研究［35-36］.但無論是主動(dòng)設(shè)防，還是被動(dòng)設(shè)防，目前更多的也是針對(duì)單座橋梁，對(duì)于橋群河段安全保障措施的研究涉及較少.

4 展望

結(jié)合橋群河段通航條件及通航安全研究現(xiàn)狀，認(rèn)為可著重從以下幾方面進(jìn)行更為深入的研究:

(1)橋群建設(shè)后，由于通航水域中橋墩數(shù)相比單橋增多，對(duì)橋群河段的河床演變規(guī)律、河勢(shì)條件影響更為明顯.因此，通過河工物理模型和數(shù)值模擬相結(jié)合的試驗(yàn)方法研究橋群建設(shè)對(duì)通航條件的影響顯得十分重要.

(2)本文分析闡述的橋間距與橋跨布設(shè)研究成果，所提出的橋間距計(jì)算公式較為籠統(tǒng)，而實(shí)際河道上的船行安全對(duì)橋間距的要求卻不盡相同，若按原有公式計(jì)算則不利于節(jié)約岸線資源.故亟待開展針對(duì)不同河道條件的橋間距計(jì)算公式的研究，使之物理意義明確、參數(shù)取值合理、使用方便.

(3)對(duì)于橋區(qū)通航安全保障措施的研究，目前大多數(shù)僅局限于單座橋梁，而針對(duì)橋群河段配布水上標(biāo)，以整體考慮、統(tǒng)一管理的論斷涉及很少.因此，將橋群河段通航安全保障措施及相關(guān)要求進(jìn)行一體化研究的思路，不僅是該領(lǐng)域的研究方向，同時(shí)也符合現(xiàn)代化的管理理念和經(jīng)濟(jì)需要.

(4)為規(guī)范橋群的建設(shè)和加強(qiáng)橋群河段的通航安全管理，應(yīng)及時(shí)結(jié)合相關(guān)研究成果，制定針對(duì)橋群的橋梁選址、橋跨布設(shè)、橋型選擇等一系列的基本原則和技術(shù)要求.

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