孫劉林 郭永生 孫鵬程

摘要：內(nèi)河跨航橋梁通航凈空尺度的確定，關(guān)系到所跨航道處船舶通行的安全性和水路交通的便利性。本文結(jié)合渦河航道青阜鐵路橋工程實(shí)際，對(duì)與上下游通航建筑物和彎道距離較近、闖坡限制橋梁凈高等復(fù)雜通航環(huán)境下內(nèi)河跨航橋梁通航凈空尺度進(jìn)行論證分析，并針對(duì)性提出了相應(yīng)的解決方案，以期對(duì)類似跨航橋梁的通航凈空尺度確定提供借鑒參考。關(guān)鍵詞：內(nèi)河航道;跨航橋梁;通航凈空尺度

中圖分類號(hào)：U611;U24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0043-03

跨河橋梁屬于永久性建筑物，投資大、使用年限長(zhǎng)，其通航凈空尺度設(shè)置過低不僅會(huì)限制其所跨越航道航運(yùn)功能的發(fā)揮，甚至成為礙航建筑物，同時(shí)也會(huì)危及通過橋區(qū)水運(yùn)船舶的通航安全及橋梁自身安全;通航凈空尺度設(shè)置過高則會(huì)增加非必要的工程投資和設(shè)計(jì)施工難度。[1]因此合理確定復(fù)雜通航水域橋梁的通航凈空尺度具有重要意義。

渦河航道青阜鐵路橋作為渦河航道（大寺閘至人淮口段）整治工程的一部分，因不滿足IV級(jí)航道通航凈空尺度要求需拆除重建。受青阜鐵路線兩側(cè)接線及渦陽(yáng)站的控制，橋梁選址方案唯一，工程位于彎曲段航道處，且與上游橋梁間的安全距離不滿足規(guī)范要求，橋區(qū)段通航環(huán)境復(fù)雜。為此，本文結(jié)合渦河航道青阜鐵路橋工程實(shí)例，對(duì)該橋梁所需的通航凈空尺度進(jìn)行論證研究。

1工程概況

1.1跨航橋梁概況

青阜鐵路橋位于渦陽(yáng)縣城東部，渦陽(yáng)閘～蒙城閘之間，距上游渦陽(yáng)船閘約4.4km，項(xiàng)目改建起點(diǎn)位于青阜線K67+300處，線路自改建起點(diǎn)以R-1800m的曲線偏離既有線開始雙線繞行，在既有青阜線下行線東側(cè)30m間距處跨越渦河航道。橋梁采用簡(jiǎn)支鋼桁梁結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，雙線圓端型實(shí)體橋墩，T型橋臺(tái)。

1.2航道概況

擬建橋梁位于渦河航道（大寺閘至入淮口段），該段航道于2018年開始進(jìn)行航道整治工程，航道全線185.67km按天然及渠化河流IV級(jí)雙線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，航道底寬50m、最小通航水深3.2m、最小彎曲半徑330m。

1.3設(shè)計(jì)代表船型

設(shè)計(jì)代表船型主要參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》、交通運(yùn)輸部《內(nèi)河過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列第二部分：京杭運(yùn)河、淮河水系》和已批復(fù)的《渦河航道（大寺閘至入淮口段）整治工程施工圖設(shè)計(jì)》，確定本次研究的設(shè)計(jì)代表船型及船隊(duì)如下：

500t級(jí)貨船：44×8.8×2.3m（長(zhǎng)×寬×設(shè)計(jì)吃水，下同）;

1拖6×500噸級(jí)拖帶船隊(duì)：275×8.8×2.3m;

1頂2×500噸級(jí)頂推船隊(duì)：111×10.8×1.6m。

1.4設(shè)計(jì)通航水位

設(shè)計(jì)最高通航水位：工程位于渦陽(yáng)閘至蒙城閘之間，上距渦陽(yáng)閘約4.4km，下距蒙城閘約43.6km，渦陽(yáng)閘閘下最高通航水位取10年一遇洪水位為28.56m，蒙城閘閘上最高通航水位取10年一遇洪水位為26.05m，通過內(nèi)插計(jì)算，工程位置處設(shè)計(jì)最高通航水位為28.33m（10年一遇洪水位）。

設(shè)計(jì)最低通航水位：工程位置處設(shè)計(jì)最低通航水位取渦陽(yáng)閘閘下～蒙城閘閘上設(shè)計(jì)最低通航水位為22.39m（95%保證率水位）。

2工程通航環(huán)境分析

工程位置處通航環(huán)境的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）工程距上游在建S245渦河大橋之間的軸線距離約700m，《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定四級(jí)航道兩座相鄰跨河橋梁最小軸線間距不應(yīng)小于代表船隊(duì)長(zhǎng)度與代表船隊(duì)下行5min航程之和，按照8km/h的船舶航速計(jì)算，軸線間距要求L=2.2×60×5+275=935m>700m。擬建工程受青阜鐵路線兩側(cè)接線及渦陽(yáng)站的控制，選址方案唯一，只能采取加大通航跨徑的措施以滿足船舶航行安全要求。

（2）工程處于連續(xù)彎曲段航道處，距上下游彎道節(jié)點(diǎn)的距離均不滿足安全距離要求，橋梁軸線與水流方向之間的夾角為7.23°，橋位處船舶航行所受到的限制性因素較多。

（3）受彎曲段航道水流流速、流向、流態(tài)的制約，橋墩處（尤其是北岸5#橋墩）紊流影響較大，進(jìn)一步加劇了工程航道的通航復(fù)雜性。

（4）由于既有橋梁下行線存在150m7.6‰的坡度，為了滿足規(guī)范規(guī)定最小坡段長(zhǎng)度要求，改造后的上行線若設(shè)計(jì)通航凈高標(biāo)準(zhǔn)過大則會(huì)存在闖坡現(xiàn)象，惡化鐵路橋的運(yùn)營(yíng)環(huán)境。

3通航凈空尺度論證

3.1通航凈空高度論證

3.1.1通航凈空高度標(biāo)準(zhǔn)

航道整治過程中的礙航橋梁改造數(shù)量多、任務(wù)重、投資大，且隨著通航凈高的增加，也存在技術(shù)難度加大、投資增加、占地增加等問題。從項(xiàng)目業(yè)主的角度而言，在保證船舶航行安全的前提下，通航凈高控制在能夠減小的最低程度最好;從航道、海事主管部門的角度而言，跨航橋梁的通航凈高應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足船舶的安全通航需求，并留有一定的富裕高度。因此，合理確定通航凈寬高度的論證標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

2015年《航道法》實(shí)施以來，安徽省除蕪申運(yùn)河外，內(nèi)河航道橋梁凈高均按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。渦河航道全段226.4km規(guī)劃為IV級(jí)航道，IV級(jí)航道橋梁通航凈高不應(yīng)小于8m。

交通運(yùn)輸部2011年發(fā)布的《運(yùn)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中提出了運(yùn)河水上過河建筑物凈高分長(zhǎng)江三角洲地區(qū)（此時(shí)安徽省尚未納入長(zhǎng)三角）和其他地區(qū)，長(zhǎng)三角地區(qū)II～I(xiàn)V級(jí)航道通航凈高標(biāo)準(zhǔn)為7m，與《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》存在明顯差異。江蘇、浙江和上海其他IV級(jí)及以上的航道均參照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

安徽省目前已全域納入長(zhǎng)三角區(qū)域，全省高等級(jí)航道均直接或間接與滬蘇浙地區(qū)相通，航道條件、功能和船型相似度高，[2]為全面融入長(zhǎng)三角港航一體化發(fā)展，省內(nèi)也提出了對(duì)納入省干線航道網(wǎng)規(guī)劃的航道（不含一級(jí)航道），按不小于7米（通航凈寬范圍內(nèi)）控制的新要求。因此，擬建工程通航凈空高度按照不小于7m進(jìn)行控制。

3.1.2船型與通航凈高的適應(yīng)性分析

近期渦河航道過往船舶以500～1000噸級(jí)為主，根據(jù)安徽省境內(nèi)近20000艘次貨船的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[3]分析（詳見表1），在船舶滿載情況下，貨船吃水線以上高度小于7m的船舶占比為99.91%;空載情況下貨船吃水下以上高度小于7m的船舶占比為98.73%，少量超高船舶通過倒桅、收放天線等措施后空載干舷高度均能達(dá)到7m以下，本段航道橋梁的通航凈高控制為不小于7m，基本上能夠滿足現(xiàn)狀船舶的航行需求。

3.2通航凈空寬度論證

3.2.1正交情況下通航凈寬計(jì)算

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》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(shí)，通航凈寬可按下列公式計(jì)算：

B=B+ΔB+P（1）

B=2B+b+ΔB+P+P（2）

B=B+Lsinβ（3）

式中：

B—單孔單向通航凈寬（m）;

B—單孔雙向通航凈寬（m）;

B—船舶或船隊(duì)航跡帶寬度（m）;

ΔB—船舶或船隊(duì)與兩側(cè)橋墩間的富裕寬度（m）;I～V級(jí)航道可取0.6倍航跡帶寬度;

P—下行船舶或船隊(duì)偏航距（m）;

P—上行船舶或船隊(duì)偏航距（m）;

b—上下行船舶或船隊(duì)會(huì)船時(shí)的安全距離（m）;

B—船舶或船隊(duì)寬度（m）;

L—頂推船隊(duì)或貨船長(zhǎng)度（m）;

β—船舶或船隊(duì)航行漂角（°）。

根據(jù)設(shè)計(jì)代表船型和內(nèi)河通航凈寬的計(jì)算公式，交角不大于5°情況下通航凈寬計(jì)算見表2。

綜合考慮《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.2條，IV級(jí)航道水上過河建筑物雙向通航孔通航凈寬不應(yīng)小于90m，結(jié)合表1計(jì)算結(jié)果，正交情況下的計(jì)算凈寬值取96.80m。

3.2.2斜交加寬

擬建橋梁軸線法線方向與水流流向交角最大約為7.23。，根據(jù)斜交幾何關(guān)系，橋梁通航孔內(nèi)緣凈寬計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

斜交時(shí)橋墩內(nèi)緣凈寬計(jì)算公式為：

B=（B+L÷sinθ）/cosθ（4）

L取橋梁5、6平均墩柱長(zhǎng)度18.0m進(jìn)行計(jì)算，斜交時(shí)橋墩內(nèi)緣凈寬為：（96.80+18.0×sin7.23°）/cos7.23°=99.86m，斜交加寬值為3.06m。

3.2.3橫向流速加寬

橋軸線法線方向與水流流向交角最大約為7.23°，橫向流速最大值為0.35m/s，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》表C.0.3內(nèi)插計(jì)算本橋單向橫向流速加寬為7.5m，雙向橫向流速加寬為15m。

3.2.4紊流加寬

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》第5.2.4條，“當(dāng)水上過河建筑物的墩柱附近可能出現(xiàn)礙航紊流時(shí)，其通航孔的凈寬可在本標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條規(guī)定的通航凈寬基礎(chǔ)上加大，增加值宜通過模擬實(shí)驗(yàn)研究確定。”

對(duì)于上述要求，在沒有條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究的前提下，可參照《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》C.0.3中的算式確定因水上過河建筑物墩柱附近紊流的影響通航凈寬的增加值。[4]

E=0.88KVbh（5）

式中：

K—與橋墩形狀相關(guān)的系數(shù)，（s/m）;

V—墩前水流流速（m/s）;

b—墩形計(jì)算寬度（m）;

h—橋墩附近水深（m）;

E—橋墩紊流寬度（m）。

對(duì)于圓柱墩和片狀墩：K=1.0，b=橋墩寬度;

對(duì)于圓頭墩：K=0.8，b=（墩長(zhǎng)-墩寬）×sinα+墩寬;

對(duì)于尖頭墩：K=0.66，b=（墩長(zhǎng)-墩寬）×sinα+墩寬;

對(duì)于方頭墩：K=1.2，b=2×（墩長(zhǎng)×sinα+墩寬×cosα）;

注：α為橋軸線法線方向與水流方向的夾角。

結(jié)合本橋橋跨及橋墩布置方案，橋墩墩柱近似圓頭墩，尺寸分別為15×4m（墩長(zhǎng)×墩寬），K=0.8，b=（15-4）×sin7.23°+4=5.38m。選取5#、6#橋墩為特征采樣點(diǎn)，測(cè)量水流參數(shù)計(jì)算紊流加寬值，計(jì)算結(jié)果見表3所示。取5、6橋墩處水流特征值計(jì)算的紊流加寬值5.56+3.84=9.4m為本橋的紊流加寬值。

3.2.5設(shè)計(jì)通航凈寬論證

根據(jù)上述計(jì)算，在考慮正交情況下通航凈寬、斜交加寬、橫向流速加寬、紊流加寬等條件后本橋要求的最小通航凈寬為：

96.80+3.06+15+9.4=124.26m。

擬建橋梁鋼桁架全長(zhǎng)130m，通航孔跨徑為128m，在考慮橋梁兩側(cè)各1.5m防撞設(shè)施寬度的前提下，能夠滿足天然和渠化河流IV級(jí)航道計(jì)算通航凈寬124.26m的要求。

4結(jié)論

內(nèi)河航道與航道橋梁之間的關(guān)系緊密，確定合理的通航凈空尺度，使跨河橋梁的工程投資和船舶通航安全之間的平衡能夠達(dá)到最佳的效果，對(duì)橋梁通航凈空尺度設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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