橋群河段通航條件及通航安全研究綜述

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)》(以下簡稱“內(nèi)標(biāo)”)［1］要求的多座橋梁橋群，對船舶航行安全帶來很大影響，對橋區(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)，對區(qū)域經(jīng)濟乃至國民經(jīng)濟的快速發(fā)展都起著重要作用，但規(guī)劃設(shè)計時考慮的側(cè)重點不盡相同，一些橋梁在規(guī)劃設(shè)計中常常忽視可能對通航造成的影響.僅從單橋而言，其建設(shè)對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)對橋區(qū)通航條件的影響;⑤施工期對橋區(qū)通航條件的影響［2-9］.

相比單座橋梁，橋群建設(shè)對通航條件的影響更為復(fù)雜.在理論研究方面，張?zhí)m丁［10］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)行多個橋墩繞流時的橫斷面設(shè)計，合理地確定橋墩間距，并可給出墩間二維流場理論解.林巧［11］通過菜園壩橋群河段的物理模型試驗(包括水流與船模試驗)，分析了橋群建設(shè)前后對水流條件及船舶航行的影響程度，同時也分析了不同間距橋梁的修建對通航條件的影響.隨著計算機領(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)的船舶操縱運動仿真平臺，通過船舶航行參數(shù)的變化，就菜園壩河段橋群的建設(shè)對船舶航行的影響進(jìn)行了研究.陳明［13］基于重慶石板坡長江大橋—儲奇門河段的河勢條件以及通航環(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分別對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力學(xué)模型對清水環(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，得出了水流摩擦項中的一個修正因子.小間距橋梁(復(fù)線橋等)的建設(shè)對通航帶來的影響亦不容忽視.彭鉅新［15］針對跨河橋群引發(fā)的通航標(biāo)準(zhǔn)問題開展了初步的探討，研究了橋洞縱深長度和船舶通視角等對船舶安全通過橋區(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河流流場的影響，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理想矩形水槽水流流場的影響，然后結(jié)合工程實例進(jìn)行計算，結(jié)果表明橋墩組中軸線與水流方向夾角越大，橋墩對水流流場影響越大，得出了將左右橋墩錯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河流流場不利的影響.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.何國建等［18］采用具有自由水面和河床切應(yīng)力計算的三維數(shù)學(xué)模型分析了橋墩群對河道水流的影響.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，也會給船舶航行和避讓造成很大困難［19］.曾永容［20］對兩座特殊對孔布置橋梁可能對橋區(qū)通航條件的影響分施工期和營運期進(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，針對橋群的甚少，較為普遍的是針對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，考慮航道條件的同時，還應(yīng)考慮橋梁間距、橋梁凈空尺度對船行安全的影響等關(guān)鍵環(huán)節(jié).

對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級航道應(yīng)大于代表船隊長度與代表船隊下行5min航程之和，Ⅵ級和Ⅶ級航道應(yīng)大于代表船隊長度與代表船隊下行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)，未對橋間距的計算進(jìn)行細(xì)化，而實際的河道條件常常千變?nèi)f化，船行安全對橋間距的要求也自然不同.后來閔朝斌［28］對“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，在與歐美國家進(jìn)行比較后，對我國內(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的8倍，或者主通航孔的跨度小于船長的2～3倍，船撞橋的風(fēng)險概率就會提高.

實際上，橋間距與橋跨大小(橋梁凈寬)并非獨立的，兩者間存在一定的耦合關(guān)系，即橋間距一旦減小，船行對橋跨的要求必然增大，反之亦然.因此，對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相結(jié)合的方法，同時以橋跨與橋間距作為研究對象，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度，從而確定一河多橋的總長度.徐亞平等［31］對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)行了簡要分析，給出了計算方法，以便合理確定一河多橋橋孔位置及合理的橋孔長度.彭鉅新［15，32］基于橋洞縱深長度和船舶通視角等對船舶安全通過橋區(qū)的影響，以及船舶碰撞角和橋群斜交時橋梁凈寬的要求，提出了限制橋洞縱深長度等的建議和調(diào)整橋群凈寬的計算方法;同時通過引入橋洞縱深長度概念結(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，一是主動設(shè)防，二是被動設(shè)防.主動設(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］;被動設(shè)防是指對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，較為多見的是針對防撞裝置的研究［35-36］.但無論是主動設(shè)防，還是被動設(shè)防，目前更多的也是針對單座橋梁，對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，對橋群河段的河床演變規(guī)律、河勢條件影響更為明顯.因此，通過河工物理模型和數(shù)值模擬相結(jié)合的試驗方法研究橋群建設(shè)對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，所提出的橋間距計算公式較為籠統(tǒng)，而實際河道上的船行安全對橋間距的要求卻不盡相同，若按原有公式計算則不利于節(jié)約岸線資源.故亟待開展針對不同河道條件的橋間距計算公式的研究，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，同時也符合現(xiàn)代化的管理理念和經(jīng)濟需要.

(4)為規(guī)范橋群的建設(shè)和加強橋群河段的通航安全管理，應(yīng)及時結(jié)合相關(guān)研究成果，制定針對橋群的橋梁選址、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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