◎王玲芳 福州西港工程設(shè)計(jì)有限公司

1.引言

船舶所需通航凈空寬度決定了橋梁通航孔跨度。橋梁的凈空寬度系指經(jīng)批準(zhǔn)的遠(yuǎn)期規(guī)劃航道設(shè)計(jì)底高程以上供代表船型或船隊(duì)安全通過(guò)橋孔的最小凈空寬度。內(nèi)河船舶所需通航凈空寬度主要由三部分組成，其計(jì)算公式為：

所需最小通航凈空寬度=通航凈寬+水流影響凈寬加寬值+防撞設(shè)施及紊流影響擴(kuò)大值。

1.1 通航凈寬

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C.0.1通航凈寬尺度計(jì)算，天然和渠化河流水上過(guò)河建筑物軸線(xiàn)的法線(xiàn)方向與水流流向的夾角不大于5°時(shí)，計(jì)算公式如下：

1.2 水流影響凈寬加寬值

由于船舶在航道中航行時(shí)，只要水流流向與航向不一致時(shí)會(huì)對(duì)船舶產(chǎn)生橫向作用，使船舶偏離規(guī)定航線(xiàn)，故需要增加通航寬度。其值根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄表C.0.3計(jì)算，其加寬值根據(jù)橋位處橫流大小計(jì)算單向/雙向通航凈寬增加值。

1.3 防撞設(shè)施及紊流影響擴(kuò)大值

為保證大橋結(jié)構(gòu)自身以及過(guò)往船舶航行安全，需對(duì)大橋橋墩設(shè)置防船撞設(shè)施，占據(jù)通航跨度，其寬度基本不超過(guò)1m。另外橋墩設(shè)置于河床上，水流在橋墩附近產(chǎn)生繞流，影響船舶安全航行。因此計(jì)算時(shí)需考慮防撞設(shè)施的設(shè)置，水流紊流影響值，其大小可根據(jù)其影響范圍取值。

第一部分根據(jù)通航代表船型尺度按公式計(jì)算，橫流大小（小于0.3m/s）影響偏航距的取值；第二部分為橋位所處橫流大小（大于0.3m/s）決定其凈寬加寬值，同等級(jí)航道單向通航凈寬加寬值跨度較大，例如內(nèi)河Ⅵ級(jí)航道橫流0.3m/s～0.8m/s時(shí)單向通航凈寬加寬值為8m～38m（雙向?yàn)?6m～76m），內(nèi)河Ⅴ級(jí)航道橫流0.3m/s～0.8m/s單向加寬值為15m～40m（雙向?yàn)?0m～80m），因此橫流大小對(duì)通航凈寬影響較大；第三部分為防撞設(shè)施及紊流影響，一般其值較小，對(duì)通航凈寬整體影響較小。鑒于此，橋位處的橫流大小與通航凈寬有直接關(guān)系，如何確定橫流大小為確定通航凈寬及通航孔跨度的關(guān)鍵。

在工程實(shí)踐中，要實(shí)測(cè)出多年洪水重現(xiàn)期的水流流速受制約因素較多，若橋位附近需要航道整治，洪水期水流流速及流向往往無(wú)法進(jìn)行實(shí)測(cè)，需要確定橋位處的洪水期流速較為困難，此時(shí)需采用二維水流數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行確定，為工程建設(shè)提供依據(jù)。本文以跨汀江大橋?yàn)槔瑯蛭辉谝呀◤U棄砂帽石電站及淺灘下游70m處跨越，現(xiàn)狀水流條件較差，需對(duì)橋位附近進(jìn)行航道整治。采用MIKE21二維水流數(shù)學(xué)模型軟件對(duì)大橋橋位處航道整治后的水流條件進(jìn)行分析，計(jì)算所需通航凈寬，并提出最合理的通航孔跨度及橋墩布置。

2.工程實(shí)例

2.1 工程概況

新建龍巖經(jīng)梅州至龍川鐵路工程在龍巖市上杭縣富古村附近橫跨汀江，跨汀江大橋橋梁全長(zhǎng)1665.71m，設(shè)計(jì)單位研究了長(zhǎng)深高速公路南側(cè)設(shè)站方案和規(guī)劃三環(huán)路北側(cè)設(shè)站方案。從通航安全角度分析，長(zhǎng)深高速公路南側(cè)與上下游橋距滿(mǎn)足要求且投資??；規(guī)劃三環(huán)路北側(cè)設(shè)站方案與下游水西渡大橋相交，不滿(mǎn)足規(guī)范要求；故采用長(zhǎng)深高速公路南側(cè)方案作為推薦方案。

受其它因素的影響，橋位調(diào)整難度較大，跨汀江大橋橋位唯一。

跨汀江大橋所在河道寬度為150m，上游70m處砂帽石電站及淺灘占據(jù)河道寬度約100m，水流僅在河道右岸約50m處通過(guò)。根據(jù)測(cè)量單位對(duì)橋區(qū)附近實(shí)測(cè)的漂流資料，橋區(qū)附近多礁石，在枯水期節(jié)水流流量較小時(shí)，由于砂帽石電站建設(shè)時(shí)占用河道以及淺灘的影響，河床變窄，橋區(qū)流速達(dá)到1.26m/s。同時(shí)受上游250m處河道左岸突嘴的影響，航槽位于河道右岸，水流流入橋位處時(shí)水流與大橋夾角較大，橋位處橫流較大。

船舶通航時(shí)的河道與現(xiàn)狀河道條件不一致。采用MIKE21水流數(shù)學(xué)模型軟件對(duì)建橋前以及航道整治后的水流條件進(jìn)行分析，并基于此的水流條件進(jìn)行通航凈空寬度計(jì)算。

2.2 二維水流數(shù)學(xué)模型分析水流條件

為進(jìn)一步分析本工程建設(shè)對(duì)工程附近水位、流速、流向產(chǎn)生的影響，采用MIKE21水流數(shù)學(xué)模型軟件對(duì)工程進(jìn)行建模分析，模擬計(jì)算范圍取上下游各1km。模型將上游進(jìn)口流量和下游出口水位作為開(kāi)邊界條件。

根據(jù)地形特征對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，計(jì)算網(wǎng)格由無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成，整個(gè)河段單元網(wǎng)格尺寸一般200m×200m。在建橋前的計(jì)算中，橋墩網(wǎng)格地形為原地形并過(guò)流；建橋后，將橋墩網(wǎng)格作為內(nèi)部邊界處理，其網(wǎng)格單元不過(guò)流，如此可以較準(zhǔn)確反映橋墩對(duì)水位、流速等水力參數(shù)的影響。

數(shù)學(xué)模型建模的糙率等重要參數(shù)通過(guò)模型驗(yàn)證來(lái)檢驗(yàn)，只有通過(guò)驗(yàn)證的模型，其計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性才能得以保證。

在使用時(shí)先對(duì)建橋前實(shí)測(cè)水流水位進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算選擇合適的參數(shù)，以保證模型的可靠性。在糙率選取為0.028時(shí)水位及流速變化值較小，并對(duì)實(shí)測(cè)上流量Q=180m/s，下水位175.8m時(shí)的水位及流速進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好，已建模型基本可行。

通過(guò)采用二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)推薦橋型方案計(jì)算，建橋前在洪水期流速達(dá)到4.0m/s，橋位所處位置橫流較大，達(dá)到1.3m/s。由于一跨過(guò)河工程增加投資較大，為改善水流條件，按砂帽石電站外側(cè)清除局部水域并適當(dāng)加大孔跨方案。

工程河段計(jì)算工況為：模型入口5年一遇洪水期上游流量3720m/s，模型出口下游邊界水位182.4m。

工程河道情況為：

（1）建橋前上游70m處的河道寬度為50m。

（2）對(duì)航道進(jìn)行整治，疏浚河道左岸砂帽石電站外側(cè)淺灘水域以及河道右岸礁石區(qū)域及上游突嘴部分。則建橋后河道寬度為100m，改善水流條件。

根據(jù)模型結(jié)果，在兩種工況下模擬得出建橋前、航道整治并且建橋后的水流條件如表1所示。

表1 建橋前、航道整治并且建橋后的水流條件

由表1可以看出，河道整治后，在最大通航流量3720m/s時(shí)，水流平順，流速減小，河床整治效果是明顯的。河道局部疏浚方案實(shí)施后，產(chǎn)生最大橫流位置為靠近6#橋墩120m位置。

2.3 橫流的取值

橫流取值遇到過(guò)兩種取值方式：

（1）水流流向與橋梁軸線(xiàn)法線(xiàn)的夾角。

（2）水流流向與規(guī)劃航道軸線(xiàn)的夾角。

第一種情況較第二種情況增加了橋梁軸線(xiàn)法線(xiàn)與航道軸線(xiàn)的夾角，采用第一種情況計(jì)算橫流值Vsinθ比第二種大。

實(shí)際行船過(guò)程中，橋梁助航標(biāo)志橋涵標(biāo)設(shè)置于航道中心線(xiàn)上，船舶沿著水上助航標(biāo)志（側(cè)面標(biāo)、過(guò)河標(biāo)）及橋梁助航標(biāo)志（橋涵標(biāo)等）航行，因此橫流取值采用水流流向與航道軸線(xiàn)的夾角。

通過(guò)分析，在靠近6#橋墩120m處流速為3.42m/s，橋位處水流流向與航道軸線(xiàn)的最大夾角為7.96°時(shí)橫流最大，橫向流速為0.50m/s。

2.4 河道整治前后所需通航凈寬對(duì)比

建橋前及航道整治并且建橋后的通航凈寬計(jì)算主要在于橫流不一致，通航凈寬加寬值取值不同。

建橋前：橫向流速約為1.38m/s，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄表C.0.3，單向通航凈寬增加值取38m，雙向通航凈寬增加值取76m；

航道整治并且建橋后：橫向流速約為0.5m/s，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄表C.0.3，單向通航凈寬增加值取18m，雙向通航凈寬增加值取36m。

河道整治前后所需通航凈寬計(jì)算對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 河道整治前后所需通航凈寬計(jì)算

建橋前的船舶所需最小單孔雙向通航凈寬為143.4m；河道整治后的船舶所需最小單孔雙向通航凈寬為104.4m。

2.5 通航孔跨度及橋墩位置確定

根據(jù)本工程橋址所在河段的實(shí)際情況，西側(cè)橋墩靠近現(xiàn)有主通航水域，故西側(cè)橋墩建議布置在河道右岸岸上。為保證工程進(jìn)度，減少和利益相關(guān)方砂帽石電站的交涉事宜，現(xiàn)階段盡量保持砂帽石電站原狀不變，在滿(mǎn)足通航凈寬的前提下采用疏浚砂帽石西側(cè)的淺灘來(lái)拓寬河道寬度的方式，保證行槽的穩(wěn)定性，來(lái)改善河道水流條件及流態(tài)。東側(cè)橋墩在河道整治后，順岸布置在已建砂帽石電站的下游，見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁平面布置圖

兩側(cè)橋墩的布置基本跨過(guò)了現(xiàn)有通航水域范圍，基本沒(méi)縮小河道的過(guò)水面積，且考慮大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的跨度能力，橋墩孔跨定為155m。

圖2 通航孔凈寬計(jì)算示意圖

2.6 實(shí)際通航凈寬

船舶通航時(shí)沿著航道中心線(xiàn)航行，故需要考慮橋軸線(xiàn)法向與航道走向斜交時(shí)的影響，兩者有一定夾角，這部分影響實(shí)際通航凈寬。根據(jù)擬建橋梁軸線(xiàn)法線(xiàn)與航道斜交的幾何關(guān)系，可推算斜交橋梁實(shí)際通航孔凈寬：

通過(guò)計(jì)算，實(shí)際通航凈寬為B=142×cos30°－25×sin30°=110.4m。

擬建橋梁實(shí)際通航凈空寬度為110.4m；凈空尺度滿(mǎn)足河道整治后的船舶單孔雙向通航要求104.4m。因此，橋墩孔跨選取155m經(jīng)濟(jì)合理可行。

3.結(jié)語(yǔ)

通航船舶所需最小通航凈空寬度為航道通航條件影響中重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。橋區(qū)水域內(nèi)橫流影響船舶所需通航凈寬計(jì)算，進(jìn)而影響通航孔跨度。主通航孔跨度與大橋自身結(jié)構(gòu)安全及船舶航行安全相關(guān)，同時(shí)影響工程設(shè)計(jì)、施工難度及工程投資，故確定橋位處的橫流大小是計(jì)算船舶所需通航凈寬的關(guān)鍵因素。

本次以跨汀江大橋?yàn)槔?，在橋梁跨越需進(jìn)行航道整治的河道時(shí)水流條件未知的情況，應(yīng)用二維水流數(shù)學(xué)模型MIKE21計(jì)算橋區(qū)水域內(nèi)的最大橫流，為通航凈空寬度計(jì)算提供依據(jù)，計(jì)算通航代表船型所需的最小通航凈寬，從而確定大橋通航孔跨度。