樞紐互通區(qū)域通航論證方法的研究

李 活，馬 玥

(1.廣西北投防城至東興高速公路建設(shè)指揮部，廣西 南寧 538021;2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

互通式立交是高速公路網(wǎng)中的樞紐和結(jié)點，互通區(qū)域內(nèi)跨河橋梁溝通水、陸交通的同時，也會對航道通航產(chǎn)生一定的影響。受橋位自然資源、河道河型、路線走向以及資金預算的限制，橋梁跨度及墩臺布設(shè)等往往不能符合相關(guān)規(guī)范要求。加之樞紐互通在較短河段內(nèi)建有多座橋梁，侵占了較多通航水域，將使河床演變規(guī)律及水流條件發(fā)生改變，引起原河道通航條件惡化，給船舶的安全航行構(gòu)成威脅。

橋位通航和橋跨布置涉及的因素和學科門類較多，需要采用跨學科的方法綜合考慮。目前，國內(nèi)對橋梁通航的論證主要體現(xiàn)在單座橋梁領(lǐng)域，論證方法的研究已取得一些成果:文獻［1]概述了橋梁通航論證的方法，適用于單橋且未與實際工程相結(jié)合;文獻［2]通過瀘州長江公路三橋橋區(qū)河段的分析，優(yōu)化了該橋的橋位、結(jié)構(gòu)、航線選擇，但僅對2種橋位方案與規(guī)范進行了對比論證。本文以茅嶺互通區(qū)域為研究對象，考慮互通區(qū)域內(nèi)多座橋梁對通航條件的影響，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，更全面地對橋區(qū)的河床演變、橋位通航要求和凈空尺寸等因素進行論證，提出最小通航凈空寬度計算公式，為互通區(qū)域橋梁的設(shè)計提供參考。

1 工程概況

茅嶺互通區(qū)域位于防城至東興高速公路路線的起點，是廣西壯族自治區(qū)高速公路網(wǎng)的重要組成部分。主線橋沖侖大橋為(7×30+45+2×45)m預應(yīng)力混凝土T梁、異型箱梁，橋?qū)?0 m，下部構(gòu)造采用U橋臺、擴大基礎(chǔ)，柱式墩，樁基礎(chǔ)。匝道橋一期工程共設(shè)5座，總長1 402.32 m?；ネ▍^(qū)域內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，主線橋與匝道橋共6處跨越茅嶺江的支流沖侖江。

2 橋區(qū)自然條件與河床演變

2.1 氣象、水文條件及地形地貌特征

茅嶺互通區(qū)域所在流域?qū)倌蟻啛釒Ъ撅L氣候區(qū)和廣西最大暴雨中心區(qū)，多年平均降雨量3 200 mm;平均氣溫22.4℃，最高氣溫37.8℃，最低氣溫0.9℃。

沖侖江為茅嶺江流域出?？诓贿h處的一級支流，沖侖江大橋橋位斷面距沖侖江河口7.1 km。根據(jù)欽州水文(二)站1984—2003年實測資料，計算沖侖江大橋橋位斷面設(shè)計水位見表1［3]，P為洪水每百年出現(xiàn)的次數(shù)。

表1 沖侖江大橋橋位斷面設(shè)計水位

互通區(qū)域內(nèi)低丘矮嶺，總體地形起伏不大，主要為沿海丘陵地貌，路線處于廣西東南沿海丘陵地區(qū)，工程地質(zhì)條件一般。

2.2 橋區(qū)河段河床演變

河道演變是水流與河床之間以泥沙為媒介的相互作用，使得河床形態(tài)在自然狀態(tài)或人工干擾狀態(tài)下始終處于變化狀態(tài)，反映了河道在水流作用下，組成邊界的泥沙被沖刷搬運和沉積的過程［4]。

建橋前河床演變分析采用河床穩(wěn)定性指標來判斷。河道縱向穩(wěn)定系數(shù)φ1采用改進的洛赫京公式估算

式中為床沙平均粒徑，mm;J為河道比降，‰;h為平灘水位下的平均水深，m。

φ1愈大，河床愈穩(wěn)定，當φ1＞1時，為縱向穩(wěn)定河床。根據(jù)實測的地形地質(zhì)資料推算，φ1=1.21，說明橋區(qū)河段的河床在縱向為穩(wěn)定狀態(tài)。

河床橫斷面穩(wěn)定系數(shù)φ2可采用阿爾圖寧公式來估算

式中B為平灘河寬，m;Q為平灘流量，m3/s。

φ2愈大，河床愈穩(wěn)定，φ2＞1時為橫向穩(wěn)定河流。根據(jù)實測的地形地質(zhì)資料推算，φ2=0.27，說明橋區(qū)河段的河道在橫向是不穩(wěn)定的。

綜上分析，建橋前橋區(qū)河段處于微演變狀態(tài)。

橋梁修建后，由于橋墩形式、尺寸以及河道水流、地質(zhì)條件的不同，會對橋區(qū)河道河床演變產(chǎn)生不同的影響。橋墩周圍產(chǎn)生局部沖刷，沖刷深度在1.5 m左右。由于橋墩在河槽外，橋墩對水流的影響范圍不大，主要局限在橋墩周邊附近水域，其它水域流速變化較小，整個河段的水流流速分布及主動力線在建橋前后均未出現(xiàn)明顯變化，不存在建橋后引起主槽易位和擺動等河勢改變的水流動力條件。因此建橋后除橋墩周界將產(chǎn)生沖刷影響外，橋區(qū)河段總體的河勢條件及床面形態(tài)不會發(fā)生明顯變化，該河段仍將保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3 橋位通航要求論證

依據(jù)文獻［5－6]的有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合橋區(qū)的規(guī)模及特點進行橋位通航要求論證，主線和各匝道橋橋位的選擇充分考慮了以下主要因素:

1)橋位優(yōu)先選擇于河道順直、航道穩(wěn)定、地質(zhì)穩(wěn)定的河段上。橋址處河道平面河勢穩(wěn)定，橋區(qū)河段沖淤基本平衡。橋位通航孔附近河床標高一般在－0.65 m左右，最低通航水位為1.89 m時，航槽水深約2 m左右，滿足基本Ⅶ(2)級50 t船舶的航行要求。

2)建橋前后河段上的流場圖近似，河道深泓基本位于河中，橋位選擇在主流穩(wěn)定、河槽通過流量較為集中的河道上。

3)本橋址選擇成功避開了灘險、通航控制河段、分流口、匯流口、錨地，但目前沖侖江的水面寬度及水深尚不能滿足等外級航道的通航條件，跨越?jīng)_侖江的欽州至防城港高速公路及大量的鄉(xiāng)村道路、水利設(shè)施均未滿足通航的要求。茅嶺互通跨越?jīng)_侖江的主線及各匝道橋梁按照等外級航道的要求預留Ⅶ(2)級通航凈空，橋址位置基本滿足文獻［5－6]的有關(guān)規(guī)定。

4)大橋上下游均有水上過河電線，但不礙航。據(jù)此，茅嶺互通的橋位基本符合規(guī)范對橋位選擇的有關(guān)規(guī)定，橋區(qū)的橋位方案是可行的。

4 橋梁通航凈空尺寸

4.1 通航等級與代表船型的選取

沖侖江目前為不通航河流，茅嶺互通區(qū)域所在河段的航道等級規(guī)劃為等外級，工程按Ⅶ(2)級通航標準設(shè)計，設(shè)計的通航標準與廣西壯族自治區(qū)內(nèi)河水運發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)。通行船舶按50 t級考慮，根據(jù)文獻［5]規(guī)定，結(jié)合沖侖江航道的實際情況，選擇總長32.5 m、型寬5.5 m、吃水深度0.7 m的貨船為代表船型作為本次論證的依據(jù)。

4.2 設(shè)計通航水位

工程所在河段受潮汐影響，根據(jù)文獻［5]規(guī)定，考慮洪、潮水共同作用時，河段水位高于單獨洪水作用的水位，以洪、潮水共同作用的水位最為不利。同時考慮到河段半山區(qū)性河流和等外級航道的特點，取P=20次/ha的建橋后水位(洪、潮水同時作用)作為最高通航水位，主線橋沖侖江大橋的最高通航水位為3.871 m，采用的通航標準滿足規(guī)范要求，匝道橋水位見表2。

表2 橋梁通航凈空高度m

欽江入?？谂c橋區(qū)所處的茅嶺江入?？谕幵诿┪埠Ｋ騼?nèi)，氣候相似，潮汐性質(zhì)相同，故設(shè)計低潮位直接引用欽州水文(二)站的設(shè)計成果。按實測的年最低潮位進行計算，P=90次/ha時，最低潮位為4.86 m，轉(zhuǎn)化為黃?；鏋椋?.16 m。沖侖江大橋橋位斷面處河床最低高程為－0.64 m左右，根據(jù)實測橋位斷面，水面高程為－0.16 m時，過流斷面面積僅為9 m2;未考慮潮水頂托作用情況下，P=90次/ha橋位上游洪水洪峰流量為105.6 m3/s時的水位為1.73 m，此時過流斷面面積為81.8 m3，幾乎是P=90次/ha最低潮位過流面積的10倍;按簡化方法計算，橋位上游P=90次/ha洪水(未考慮潮水作用)對應(yīng)的過流斷面面積的1.1倍即為橋位處的過流斷面面積，根據(jù)大橋水位與過流斷面面積的關(guān)系，得到P=90次/ha洪、潮(年最低潮)水位為1.89 m。據(jù)此，采用P=90次/ha洪、潮(年最低潮)疊加綜合洪水位，對應(yīng)水位為1.89 m作為沖侖江大橋的最低通航水位，其余匝道橋最低通航水位也按這種方法計算，均滿足規(guī)范要求。

4.3 通航凈空高度

根據(jù)梁底標高、通航孔通航寬度范圍內(nèi)兩側(cè)的梁底標高，以及建橋后5 a一遇洪、潮水時橋位的水位可計算出水面上的凈高及側(cè)高，如表2所示。

Ⅶ(2)級航道過河建筑物通航凈高為4.5 m，側(cè)高為2.8 m，設(shè)計的各橋通航凈高滿足Ⅶ(2)級船舶過橋要求。

4.4 最小通航凈空寬度

根據(jù)規(guī)范，天然和渠化河流水上過河建筑物軸線法線方向與水流交角≯5°時，通航凈寬計算式為

式中Bm1為單孔單向通航凈空寬度，m;BF為船舶或船隊航跡帶寬度，m，BF=Lsin β +bcos β，其中L為頂推船隊或貨船的長度，m，b為上下行船舶或船隊會船時的安全距離，m，β為船舶或船隊的航行漂角，(°)，Ⅰ～Ⅴ級航道可取6°，Ⅵ和Ⅶ級航道可取3°;△Bm為船舶或船隊與兩側(cè)橋墩間的富裕寬度，m，Ⅰ～Ⅴ級航道可取0.6倍航跡帶寬度;Pd為下行船舶或船隊的偏航距，m。

沖侖江大橋軸線與水流正交，該橋代表船型有關(guān)參數(shù)選擇、計算結(jié)果見表3。

對于河中橋墩造成礙航紊流時應(yīng)增加的礙航紊流寬度B，文獻［7]系統(tǒng)研究了橋墩墩柱周圍表層水流渦漩區(qū)范圍，計算公式為

式中D為橋墩寬度;Fr為弗汝德數(shù);υ為斷面平均流速;h為河道水深;g為重力加速度。

Fr＞0.10～0.14的彎道上，視流速大小B直接取每邊0.7～1.9D。經(jīng)過感潮和單獨洪水作用下的計算比較，本橋在單獨洪水作用下Fr=0.43，D=1.8 m，B=2.66 m，橋孔處通航最為不利。由此可見，沖侖江大橋最小通航凈寬為:Bm1+B=21.43 m，滿足規(guī)范要求的20 m通航凈寬。

表3 大橋通航參數(shù)計算 m

4.5 通航孔數(shù)及橋墩布置

互通主線橋通航孔跨度為44.92 m，通航方式為單向通航。通航孔布置在主河槽，對通航干擾較小。橋墩無承臺，橋墩不占通航水域，各匝道橋的橋墩布置和通航方式與主線橋相同(橋跨不同)，橋墩布置對通航基本無影響。

5 橋區(qū)通航條件與航線規(guī)劃及安全保障措施

由河床演變分析及橋址附近基本情況可知，茅嶺互通區(qū)域橋址附近河道河勢、航槽較穩(wěn)定，河道河型的變化對通航條件影響很小。橋梁橋墩全部設(shè)在主河道外，不干擾主流。但由于互通各匝道的走向原因，C匝道和AK0匝道橋軸線與水流交角較大，但在洪、潮水共同作用下，橋孔和橋區(qū)橫向流速很小，水流不礙航。主線橋與各匝道橋互相之間距離最近為50 m，保證了特殊橋位的最小距離。建議在橋梁設(shè)計時可采用比需要的通航寬度大出較多的凈跨度布置通航孔，且各孔相互對應(yīng)，可將對通航的影響降至最低。

橋梁建設(shè)在客觀上使橋區(qū)通航條件發(fā)生了變化，需結(jié)合橋軸線布置對橋區(qū)航線進行相應(yīng)的調(diào)整布設(shè)。茅嶺互通區(qū)域根據(jù)規(guī)范規(guī)定、橋區(qū)地形、通航孔位置等情況，規(guī)劃航線盡量走主河道，并盡量直線通過互通各橋。

安全保障工作不僅關(guān)系到橋梁本身安全，同時也關(guān)系著橋區(qū)通航安全。工程開工前和建設(shè)過程中，施工單位應(yīng)及時與當?shù)睾降乐鞴懿块T密切聯(lián)系，及時辦理有關(guān)手續(xù)，并采取必要的安全措施，以確保通航。運營期間，為了確保船舶通航安全，橋區(qū)航道須設(shè)置必要的助航和防撞措施。總之，安全保障工作需要橋梁參建各方與交通和海事管理部門通力合作，確保橋梁施工、營運安全。

6 結(jié)論

1)通過氣象、水文、地形地貌資料，對茅嶺互通區(qū)域主線橋及匝道橋的河床演變、橋位通航要求和凈空尺寸等因素進行重點分析和論證，并與相關(guān)規(guī)范進行對比，滿足規(guī)范要求。

2)考慮地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的需要，在橋孔凈寬范圍內(nèi)和規(guī)劃的航跡帶內(nèi)不得設(shè)置影響Ⅶ(2)級航道開發(fā)的構(gòu)筑物。

3)橋區(qū)河段屬于感潮河流，洪水期水流條件復雜，為保證橋船安全，建設(shè)大橋時必須嚴格落實各項安全保障措施，并按有關(guān)規(guī)定辦理相應(yīng)手續(xù)。

4)5 a一遇洪水時，對于互通內(nèi)橫向流速較大的匝道橋，建議通過河道疏浚來減小或消除不利流態(tài)。

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［4]張海燕.河流演變過程學［M].北京:科學出版社，1990.

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［6]長江航道局.TJ287—2005 內(nèi)河航道維護技術(shù)規(guī)范［S].北京:人民交通出版社，2005.

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