武漢沌口長江公路大橋通航孔布置方案研究

李靚亮，王志軍，李文全

（長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢430011）

擬建沌口長江公路大橋是武漢市的第九座長江大橋，是武漢四環(huán)線重要過長江通道，根據(jù)環(huán)線總體走向的規(guī)劃，橋梁位于沌口水道石咀與河坡山之間，下距已建的武漢白沙洲長江大橋上游約7 km。線路起點(diǎn)位于武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)徐家堡，接漢洪高速公路，過沌南洲，跨長江，于石咀李家村下游跨武金堤至長江南岸，全長8.4 km，按高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，全程雙向八車道，橋?qū)?6 m，建成后將是目前長江上最寬的大橋［1］，且根據(jù)環(huán)線功能定位，主要以貨運(yùn)重載為主，大橋建成后，8 車道恒活載重量將達(dá)到目前同類橋梁世界紀(jì)錄，因此如何合理確定通航凈空寬度，并合理布置通航孔，降低大橋建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，并盡可能減少建橋?qū)νê降挠绊?，保障長江中游黃金水道的暢通，成為該大橋前期研究工作中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 河道概況

長江中游沌口水道上起大軍山，下至官閘營，全長12.0 km（圖1），以楊泗磯為界分為上下兩段，上段南岸側(cè)江中有楊泗磯心灘，高程較低，下段北側(cè)岸邊依附有沌南洲邊灘，下游南側(cè)江中為白沙洲頭部［2］。本水道自上而下分布有大軍山—槐山磯、小軍山—楊泗磯、沌口磯—何坡山3 對(duì)對(duì)峙節(jié)點(diǎn)，對(duì)河道平面擺動(dòng)的控制作用較強(qiáng)，多年來，沌口水道總體河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。三峽工程蓄水運(yùn)用后，工程河段洲灘和深槽沖淤互見，但幅度不大，主流、岸線和河床形態(tài)均基本穩(wěn)定。目前，該水道航道標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)尺度為3.5 m×80 m×750 m（維護(hù)水深×維護(hù)寬度×航道彎曲半徑，下同），通航保證率為98%，中洪水期航道維護(hù)水深可滿足3.7～4.5 m。

2 橋位方案選址及通航凈空寬度確定

2.1 橋位方案選址論證

按照武漢市四環(huán)線的總體走向、武漢市交通規(guī)劃、長江水道現(xiàn)狀和《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB50139-2004）［3］關(guān)于通航河流過河建筑物間距的要求，沌口長江大橋橋位選定在已建成的白沙洲長江公路大橋上游約7 km及軍山大橋下游約9.2 km 處。從河道及航道條件來看，受河道兩岸控制節(jié)點(diǎn)的制約，工程所在河段河道岸線和平面形態(tài)均基本穩(wěn)定，橋位遠(yuǎn)離上游易變洲灘楊泗磯心灘，與下游白沙洲相距也較遠(yuǎn)，橋位處斷面形態(tài)穩(wěn)定，橋位北岸側(cè)沌南洲邊灘平面位置基本穩(wěn)定；且從航道多年維護(hù)情況來看，沌口水道水深條件相對(duì)較好，自然條件下基本滿足本河段航道維護(hù)尺度要求，為長江中游相對(duì)優(yōu)良水道之一，該橋位河段具備建設(shè)橋梁的河勢(shì)及航道條件。

2.2 通航凈空寬度確定

2.2.1 通航代表船型、船隊(duì)論證

根據(jù)交通部、水利部、國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)交水發(fā)［1998］659 號(hào)文《關(guān)于內(nèi)河航道技術(shù)等級(jí)的批復(fù)》意見，重慶至武漢河段為Ⅰ級(jí)航道，按其航道條件，此段按I-（2）級(jí)航道考慮。

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于天然河流I-（2）級(jí)航道，最大的通航船隊(duì)平面尺度為316 m×48.6 m×3.5 m（船隊(duì)長×船隊(duì)寬×吃水，下同）。因橋梁為永久性工程，船隊(duì)平面尺度對(duì)通航孔寬度起決定作用。從長遠(yuǎn)考慮，選用《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的代表船隊(duì)平面尺度，即316.0 m×48.6 m×3.5 m 作為計(jì)算橋梁通航凈寬的代表船隊(duì)尺度。

根據(jù)交通部制定的《長江干線航道總體規(guī)劃綱要》［4］，2020 年本河段航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為3.7 m×150 m×1 000 m，保證率98%，可通航由3 000 t 級(jí)駁船組成的萬噸級(jí)船隊(duì)，利用航道自然水深通航3 000 t 級(jí)海船［4-5］，兼顧擬建橋梁中上游港口的規(guī)劃情況，選用5 000 t 級(jí)船舶為代表船型［6］。

2.2.2 通航凈空寬度計(jì)算

橋梁通航凈空寬度指滿足遠(yuǎn)期規(guī)劃航道設(shè)計(jì)水深要求并能供代表船舶或船隊(duì)安全通過橋孔的最小凈空寬度。以下根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)公式對(duì)擬選橋位通航凈空寬度進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2.1 單孔單向通航凈空寬度

B單= Bs+L·Sinβ+ΔBm+P+E

式中：B單為單向通航凈空寬度；Bs為船舶（隊(duì)）寬度，取48.6 m；L 為船舶（隊(duì)）長度，取316 m；β 為船舶（隊(duì)）航行漂角。按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定取6°。ΔBm為富裕寬度，在Ⅰ～Ⅲ級(jí)航道中，適用于長江干線航道的按0.6Bf（Bf=Bs+Lsinβ）計(jì)算；P 為因水流作用而導(dǎo)致船舶產(chǎn)生的橫向漂移量，稱為偏航距；E 為橋墩紊流寬度。在上述的有關(guān)公式中只需定出偏航距和橋墩紊流寬度值便可以得出單孔單向通航凈寬值。

根據(jù)橋區(qū)水流條件，偏航距值取79.4 m，橋墩紊流寬度E 值取46 m。由此可以計(jì)算得單孔單向凈寬為256 m［6］。

（1）單孔雙向通航凈空寬度。

B雙= 2Bf+b+ΔBm+P上+P下+E

式中：B雙為雙向通航凈空寬度；b 為上、下水船隊(duì)間的安全距離，取b=Bs；P上、P下分別為上、下水船隊(duì)的偏航距，P上=0.85P下。上述公式中偏航距P 值和橋墩紊流寬度E 值的取值和計(jì)算同單孔單向通航凈寬計(jì)算，計(jì)算單孔雙向通航凈空寬度為454 m［6］。

按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》5.2.1 中第1 條規(guī)定“水上過河建筑物的布置不得影響和限制航道的通過能力。通航孔的布置應(yīng)滿足過河建筑物所在河段雙向通航的要求”，本河段船舶眾多、通航繁忙，因此，本橋梁主通航孔按單孔雙向通航設(shè)計(jì)，主橋孔跨度應(yīng)為各自的單孔雙向通航凈空寬度加主橋墩寬度，同時(shí)上述通航凈寬值是基于橋梁選址符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定前提下計(jì)算得出的，且為理論計(jì)算最小值，實(shí)際通航凈空寬度應(yīng)綜合考慮橋位河段深泓擺動(dòng)幅度、深槽變化范圍及橋墩紊流寬度增加等附加寬度［7］。

3 通航孔布置研究

3.1 通航孔布置原則

結(jié)合擬建橋梁所在河段的具體情況，本文提出沌口長江大橋通航橋孔布置應(yīng)考慮以下因素：

（1）工程河段船舶眾多、通航繁忙，隨著航道條件的改善、航運(yùn)的發(fā)展，為確保船舶通航安全并不限制今后通航能力的發(fā)展，擬建橋梁主通航孔至少應(yīng)按單孔雙向通航考慮。

（2）主通航孔布置應(yīng)與船舶習(xí)慣航線相適應(yīng)，多年來，擬建橋址斷面窄深，水深條件較好，深槽位置總體偏南岸側(cè)［8］，但從深槽下游正對(duì)白沙洲洲頭，為滿足船舶通航要求，橋位河段航道偏靠北岸側(cè)布置（圖2），為覆蓋現(xiàn)行航道水域，主通航孔應(yīng)適當(dāng)偏靠北岸側(cè)布置。

圖2 工程局部水域涉水建筑物情況Fig.2 Wading buildings around the bridge

（3）目前，橋址下游有沌口架空過江電纜，其弧垂最低點(diǎn)位于河心偏南岸位置，在設(shè)計(jì)最高通航水位時(shí)通航凈空高度不足18 m，為了保障船舶與電纜的安全，航道部門在河心設(shè)有沌口過江電纜#1～#3 紅浮，以提醒過往船舶盡量避開該電纜的弧垂最低點(diǎn)，為保障船舶通過橋孔后能安全通過架空電纜，主通航孔布置應(yīng)盡量避開架空過江電纜弧垂最低點(diǎn)。

（4）橋位河段南岸側(cè)存在江中礙航物，其中江中鳥駝石石堆位于橋位下游約580 m 處，石堆頂部為航行基準(zhǔn)面上2.8 m，下游約1 370 m 處有民康號(hào)沉船殘骸，頂部約為航行基準(zhǔn)面下4.4 m，為保障船舶通航安全，主通航孔布置應(yīng)避開上述水域。

3.2 通航孔布置論證與分析

結(jié)合橋位河段河道及航道條件，設(shè)計(jì)部門提出采用主跨760 m 斜拉橋，橋跨布置為（100+275+760+275+100）m（橋跨布置見圖3）。該方案主跨通航凈寬為737.5 m，滿足設(shè)計(jì)代表船隊(duì)單孔雙向通航凈寬應(yīng)不小于455 m 的要求；兩側(cè)邊孔通航凈寬為259.6 m，兩側(cè)輔助通航孔基本滿足設(shè)計(jì)代表船隊(duì)單孔單向通航凈寬要求。

圖3 擬建橋梁橋跨布置方案示意圖Fig.3 Bridge span layout scheme of Zhuankou Bridge

根據(jù)橋位河段航道演變分析，橋位處深槽偏靠南岸側(cè)（圖4），3.5 m 深槽寬度為780～950 m，3.5 m 深槽水域變化范圍約1 100 m，275+760+275（m）的橋跨布置基本可覆蓋橋位處3.5 m 深槽水域及變化范圍。

考慮橋位河段通航條件的影響，設(shè)計(jì)部門將主通航孔基本沿河心略偏靠北岸布置（圖4、圖5），從實(shí)測(cè)船舶航跡線情況看，枯水期水位較低，船舶基本均沿靠河心而行，760 m 跨度主通航孔可覆蓋上、下行船舶航跡帶，但中、高水期，隨著水位的升高，可通航水域范圍增大，船舶沿北岸邊緩流區(qū)而上行，760 m 主跨不能完全覆蓋上行船舶航跡帶，對(duì)上行船舶航行有一定影響，具體表現(xiàn)在：

（1）在洪水期主流區(qū)流速較大，大型船舶上行困難，需利用岸邊緩流區(qū)上行，靠北岸側(cè)水域是船舶通航的密集區(qū)，北邊墩的布置對(duì)該部分上行船舶航行有較大影響［9］；

圖4 橋址處航跡范圍示意圖Fig.4 Sketch of navigation track at bridge site

圖5 橋跨布置與航跡線適應(yīng)性示意圖Fig.5 Suitability of bridge span and navigation track

（2）在中水期，隨著水位的退落和水流流速的減小，上行船舶逐步利用偏靠江中水域航行，在此過程中由于北主墩的設(shè)立可能會(huì)對(duì)上行船舶通航會(huì)有一定影響；

（3）由于北邊墩位于高岸上，中枯水期時(shí)北邊孔內(nèi)滿足通航的水深寬度不足，不能有效滿足上行船舶通航要求。

基于以上情況，有必要對(duì)設(shè)計(jì)部門提出的橋墩或橋墩布置方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.3 通航孔布置優(yōu)化調(diào)整方案

3.3.1 通航孔布置優(yōu)化調(diào)整思路

對(duì)于現(xiàn)主跨760 m 橋跨及橋墩布置方案對(duì)北岸側(cè)船舶航行存在的影響問題，本文初步提出如下3 種優(yōu)化思路：

（1）加大主跨跨度，使北主墩位于上行船舶航行水域以外；

（2）橋型整體向北岸側(cè)平移，使北主墩盡可能不占用通航水域；

（3）橋型整體向南岸側(cè)平移，使洪水期上行船舶充分利用北側(cè)邊孔通航。

3.3.2 通航孔布置優(yōu)化調(diào)整方案及可行性分析

（1）如采取加大主跨跨度，則主跨需加大200 m 左右，因?yàn)槿魳蚩缂哟蠓容^小，北主墩或者北邊墩仍位于上行船舶航行水域以內(nèi)，未完全解決橋墩布置對(duì)船舶航行的影響，但由于擬建沌口長江大橋按全程雙向八車道建設(shè)，主跨760 m 恒活載重量已達(dá)到目前同類橋梁世界紀(jì)錄，如果主跨加大至900～1 000 m，橋梁建設(shè)投資、技術(shù)成熟度均會(huì)受到限制。

（2）橋型整體向北岸側(cè)平移，根據(jù)船舶實(shí)際通航狀況，則橋型整體需向北岸側(cè)平移200 m，平移200 m 后北側(cè)輔助通航孔位于高岸上，無通航作用，該方案只有雙線通航能力，主通航孔基本覆蓋洪、中、枯水位期船舶上行航跡線，但實(shí)際上北主墩仍對(duì)洪水期上行船舶的通航存在一定威脅。另外，北移后的南主墩將位于現(xiàn)行通航水域內(nèi)，對(duì)枯、中水位期下行船舶通航會(huì)構(gòu)成較大影響；且南邊墩將移至南岸側(cè)深水區(qū)域，即便今后去除橋位下游鳥駝石、明康沉船及提高既有過江電纜弧垂最低點(diǎn)高程，由于南邊墩的布置，將導(dǎo)致南側(cè)深水區(qū)域徹底無法有效開發(fā)利用。

（3）橋型整體向南岸側(cè)平移，使洪水期上行船舶充分利用北側(cè)邊孔通航。首先考慮主通航孔水域應(yīng)滿足設(shè)計(jì)代表船隊(duì)單孔雙向通航要求，兼顧船舶現(xiàn)行上行船舶航行習(xí)慣，在平均水位條件下（1985 國家高程基準(zhǔn)19.10 m），北側(cè)邊孔內(nèi)維持4.0 m 水深的水域?qū)挾葷M足設(shè)計(jì)代表船隊(duì)單孔單向通航256 m 要求，橋跨整體向南岸側(cè)平移50～70 m。根據(jù)橋區(qū)河段實(shí)測(cè)水流情況來看，當(dāng)水位為21.30 m 時(shí)主通航孔內(nèi)最大流速為1.91 m/s，北邊孔內(nèi)最大流速為1.49 m/s；當(dāng)水位為24.2～24.4 m 時(shí)主通航孔內(nèi)最大流速為2.79 m/s，北邊孔內(nèi)最大流速為1.9 m/s，在中高水位期，主通航孔內(nèi)流速較大，船舶上行困難，北邊孔內(nèi)水深及流速滿足上行船舶通航要求。當(dāng)?shù)退粫r(shí)，比如水位為12.30 m 時(shí)，主通航孔內(nèi)最大流速為0.96 m/s，大型船隊(duì)上行可利用主通航孔，北邊孔內(nèi)維持4.0 m 水深的水域?qū)挾葹?75 m，可滿足中小型船舶通航要求，該方案可滿足三線通航方案。另外，南移后的橋跨方案更好地覆蓋了橋位處南岸側(cè)深水區(qū)域，有利于今后南岸側(cè)水域的有效開發(fā)利用。

從投資經(jīng)濟(jì)性、建橋技術(shù)成熟度、對(duì)航道資源的占用程度、對(duì)船舶通航影響等方面綜合考慮（表1），推薦采用橋型整體向南岸側(cè)平移50～70 m 的方案，經(jīng)過設(shè)計(jì)部門的綜合研究，采用了本文提出的整體向南岸側(cè)平移70 m 的橋跨布置方案。

表1 通航孔布置優(yōu)化調(diào)整方案綜合比選Tab.1 Comprehensive comparison of optimized programs of navigable span

4 相關(guān)建議

為避免船撞橋事故的發(fā)生，橋墩防撞標(biāo)準(zhǔn)的確定也十分重要，推薦優(yōu)化調(diào)整后的橋跨布置北岸側(cè)邊孔具備本河段設(shè)計(jì)代表船隊(duì)單孔單向通航條件，相應(yīng)防撞標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與主橋墩防撞標(biāo)準(zhǔn)一致。

優(yōu)化調(diào)整后的北側(cè)邊孔可作為大型船隊(duì)高洪水期上行通航孔，枯水期可作為中小船舶上行通航孔，建議針對(duì)北側(cè)輔助通航孔的開通專門予以信息發(fā)布，設(shè)置合適的通航期，并設(shè)置相應(yīng)助航標(biāo)志。另外，考慮到北側(cè)輔助通航孔位于沌南洲邊灘上，該邊灘河床在年際間仍有一定沖淤變化，當(dāng)遇到特殊水文年，如1993 年，北邊孔內(nèi)維持4 m 水深的水域?qū)挾葍H220 m，不能滿足工程河段設(shè)計(jì)代表船隊(duì)單向航寬要求，因此應(yīng)加強(qiáng)橋區(qū)河段河床地形的觀測(cè)，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施。

［1］馮鵬程，陳毅明.武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋工程可行性研究報(bào)告［R］.武漢：中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，2011.

［2］岳紅艷，朱勇輝，王越，等.武漢長江楊泗磯采砂對(duì)局部河道的影響分析［J］.人民長江，2011（13）：76-78.YUE H Y，ZHU Y H，WANG Y，et al.Analysis of Influence of Sand Mining at Yangsiji on Local River Channel in Wuhan City［J］.Yangtze River，2011（13）：76-78.

［3］GB50139-2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］交規(guī)劃發(fā)［2009］35 號(hào)，長江干線航道總體規(guī)劃綱要［S］.

［5］交通部交規(guī)劃發(fā)［2003］2 號(hào)，長江干線航道發(fā)展規(guī)劃［S］.

［6］王志軍，李文全，李靚亮，等.武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋通航凈空尺度與技術(shù)要求論證研究報(bào)告［R］.武漢：長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2012.

［7］JTJ287-2005，內(nèi)河航道維護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］韓友平，許全喜，袁晶，等.武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋河床演變分析研究報(bào)告［R］.武漢：長江水利委員會(huì)長江水文局，2011.

［9］黃立文，范耀天，文元橋，等.武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋通航安全論證研究報(bào)告［R］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.