通航河流橋梁主動防船撞措施探討

陳明棟，黃世連

（重慶交通大學，重慶400074）

從航道維護及船舶駕駛人員的角度來看，通航河流中建設的橋梁均屬礙航建筑物。原因是橋梁的墩、梁結構壓縮了天然河流的通航凈空尺度，不同程度地擠占通航水域，并且會誘發(fā)河床演變，導致水流條件惡化。其結果不僅增加了船舶駕駛操縱的難度，也增加了船撞橋的風險概率。不少船撞橋實例表明，發(fā)生船撞橋的主要原因之一是天然河道上礙航橋梁的出現，而這些橋梁多數是在建設方案擬定時未能充分考慮河道的建橋條件和船舶通航等要求，以致橋梁建成后橋墩及梁拱結構對船舶航行產生障礙。因此，要避免船撞橋事故的發(fā)生，首先應從橋梁選址、橋跨方案和橋墩位布設以及通航凈空尺度等三大主要環(huán)節(jié)認真對待，即從橋梁建設環(huán)節(jié)去減小船撞橋發(fā)生的概率，以避免事故的發(fā)生。這就是從防船撞角度進行的橋梁主動防撞。

1 建橋對船舶航行安全的影響

橋梁設計階段，當受到橋梁選址、路線走向及交通疏導功能、兩岸征地撤遷以及工程造價等建橋條件限制時，往往容易忽視對河流特性、河床演變規(guī)律及船舶通航要求等因素的認真考慮，其結果導致了橋梁的選址不理想，橋跨、橋墩布置不當，通航凈空尺度設計不足等。礙航橋梁不僅會惡化航道水流條件，增加船舶航行難度，嚴重的將誘發(fā)船撞橋事故的發(fā)生，這對水運通道的暢通及船舶航行安全構成了巨大隱患。

重慶白沙沱長江大橋就是眾多存在通航安全隱患的橋梁之一。該橋位于重慶白沙沱和江津珞璜鄉(xiāng)之間，修建于1958年。大橋共設16個橋孔，主跨為4孔80 m一聯下承鉚接連續(xù)鋼桁梁（圖1）。白沙沱大橋是一座雙線鐵路橋，北接成渝鐵路，南接川黔鐵路，對西南、西北地區(qū)的物流運輸和經濟發(fā)展起著重要作用。然而受早年建橋技術標準及財力等條件制約，使其因較差的河道條件和偏小的橋跨成為長江上游著名的礙航橋梁。

長江白沙沱河段（圖2）上游為峽谷型河道，枯水時兩石盤出露，岸線不規(guī)則；洪水期水流湍急，船舶下行航速較高，船舶出峽后很難在僅約700 m的航程范圍內，調整航向對準80 m的通航橋孔。橋梁的下游是一大江心洲（中壩），主航道位于左岸。隨著長江水位變化，主流及主航道位置相應改變。不同水位期主流流向與橋軸線法向夾角變動較大，不僅使得航道條件多變，水流夾角遠不能滿足規(guī)范小于5°的要求，實際上縮小了原本就不寬裕的通航凈寬。因此該橋建成至今已釀成了上百起船撞事故，僅在2005年的洪水期，一月左右的時間內就發(fā)生5次船撞橋事故。

圖1 重慶白沙沱長江大橋Fig.1 Chongqing Baishatuo Yangtze River bridge

隨著我國橋梁建設速度猛增，水運事業(yè)的發(fā)展也隨之提速，航行船舶的數量及載重噸位都在迅速增加。要減小對橋梁和船舶安全航行的影響，避免船撞橋事故的發(fā)生，就需要在橋梁建設前期對擬建橋梁的通航條件及通航安全技術要求進行研究和評價，即從橋梁選址、橋跨方案的擬定以及橋墩位的布設等環(huán)節(jié)著手，從橋梁建設環(huán)節(jié)去減小船撞橋發(fā)生的概率，以避免船撞橋事故的發(fā)生。

圖2 重慶白沙沱長江大橋河段Fig.2 Chongqing Baishatuo Yangtze River bridge reach

2 建橋條件與橋位選擇

橋梁為陸上交通帶來了很大的便利，是最常見的跨河建筑物之一。然而，由于橋梁建設在通航河流之中，在考慮到橋梁結構要求、工程造價及綜合指標合理的前提下，通常難以單方面追求大跨度一跨跨越通航水域。應該說，只要水中設置有橋墩，就會對河道條件及船舶航行帶來影響。接下來要做的事就是理性的研究和分析，最大化地減小建橋影響。

2.1 橋梁選址與河道條件

根據國家相關規(guī)范和標準，橋址應該選擇在單一、順直的河段上，并盡量避開彎曲河段。原因是順直河道的主河槽、主流位置及水動力軸線基本固定，水流條件較好。而彎曲河道的主流及動力軸線會在洪、枯水期隨水位發(fā)生變化，在彎道的環(huán)流作用下常伴有泡漩、回流、橫流等發(fā)生，引起流速分布不均勻，水流條件復雜［1］。彎道還導致不同水位期主航道位置多變、通航條件復雜，使橋墩位很難在不同水位期有效避開船舶航路，由此形成的礙航因素增加了船撞橋風險的概率；同時，彎曲河流中隨著水位變化，水流流向與橋軸線法向的夾角隨之改變，難以滿足橋軸線的法線與主流交角不宜超過5°［2］的要求。例如黃石長江大橋，因其橋址河段河勢彎曲，通航凈寬偏小，導致施工期內發(fā)生了十余起船撞事故，而成為年均船撞事故率最高的大橋。

橋位也不宜選擇在分汊、洲灘以及匯合口（河口）等河段。分汊、州灘及河口河段河道主流、主航槽及航道水深會隨著汊道分流比改變，洲頭、洲尾易出現橫向流速和水面比降較大的區(qū)域，水流條件差；同時，分流比的變化容易使河床的沖淤不平衡，容易擾動和沖刷河床質，易形成礙航灘險。若橋位選擇在該河段，則不穩(wěn)定的河道條件會對橋梁的建設及安全運行造成一定影響，復雜的水流條件會增加船舶航行難度，更容易造成船撞橋事故的發(fā)生。如桃源沆水大橋，大橋位于分汊河段上，距洲頭分流點較近，分汊后的水流存在較大偏角；大橋橋墩布置在航槽中間，惡化了橋下的水流條件，縮窄了橋位附近航槽寬度，船舶上行困難下行危險［3］。

橋位應當選擇在河床、河勢穩(wěn)定、航槽深淺變化不大的河段［2］。穩(wěn)定的河床及河勢有利于橋梁及相鄰水工建筑物的布置。穩(wěn)定、深淺變化較小的航道在不同洪水位期都能保證航道尺度。而不穩(wěn)的河床和航道不利于橋區(qū)航道區(qū)域的劃分、航道布置以及橋區(qū)航道的維護；同時，橋梁建設后易誘發(fā)河床演變，易導致設計航道與橋墩位的錯位，增加了船撞橋的概率，不利于船舶安全航行及橋梁的安全運行。例如荊州長江大橋，大橋位于荊州市轉彎的分汊河道上，由于汊道興衰交替，導致主航道變遷異常；而在長江洪水過后，河道沖淤失衡，航道主流改變，原設計通航孔被泥沙淤積，船舶不能正常行駛，對通航造成了巨大影響。

2.2 橋梁選址要求與相鄰建筑物的間距要求

以碼頭為例，兩建筑物的間距要求主要是考慮了船舶進出港口的通道、掉頭水域面積范圍以及船舶間會船需要的水域范圍。在碼頭附近建橋，除應滿足間距要求外，還應考慮進出通道水流條件、水中橋墩和橋梁的凈空是否妨礙船舶進出及碼頭正常作業(yè)。

橋梁與橋梁的間距指順水流方向兩者軸線的間距。《內河通航標準》相關規(guī)定是：I～V級航道應大于代表船隊長度與代表船隊下行5 min航程之和，Ⅵ級和Ⅶ級航道應大于代表船隊長度與代表船隊下行3 min航程之和［2］。而對不滿足《內河通航標準》間距的多座橋梁即為橋群［4］。

以前在橋梁間距要求的“國標”制定時，受建橋技術和造價的控制，早年建設的橋梁跨度均相對較小，水中往往布設有多個橋墩。船舶經過大橋時，需要根據航行標志調正航向對準通航橋孔航行。當河道中建有多座橋梁時，船舶調整航向的時間和距離減少，極易因操縱不當或失控撞上橋梁，特別是對于洪水期高速下行的船舶，因船舶對岸航速較高，很難以保證船舶沿正常航路航行，稍有不慎就將發(fā)生船舶撞擊橋墩的海損事故。為此，《內河通航標準》做出了以上規(guī)定。但隨著經濟的發(fā)展和建橋技術的提高，大跨度橋梁和一跨過江橋梁越來越多，這些橋梁橋墩較少，且大多遠離航道，對通航的影響也越小，當所處通航水域無礙航水流時，兩橋可靠近布置［5］。

當擬建橋與已建橋并排修建，構成“并建橋”或“復線橋”時，兩橋的相鄰邊緣間距應控制在50 m內，且通航孔必須相互對應［2］?！安⒔颉钡男藿〞纬伞皹蚨础毙敗安⒔颉敝g的橋間距增大或多橋并排時，“橋洞”縱深長度增加，巷道效應就越明顯。當船舶進入該區(qū)域時，既要克服水流條件的影響，又要駕駛船舶連續(xù)避讓多座橋梁的橋墩，駕駛員將承受巨大的心理壓力，對船舶安全航行不利。但對水流平緩、河道順直的河網地區(qū)，兩橋的邊緣距離經論證可適當加大［2］。

3 橋梁跨度與橋墩位的合理布置

3.1 橋跨布置的主要原則

橋梁的跨度和橋墩位的布置與橋梁的總體布置、造價、技術難度等都有密切關系，對通航河道的水流流態(tài)、河床演變及船舶的安全航行都有影響。從減小建橋對河流及通航影響角度來看，橋跨的布置首先應滿足《內河通航標準》中最小航寬的規(guī)定，其次應考慮設置的橋墩位是否惡化水流條件、誘發(fā)河床演變，避免侵占船舶航道。在我國已建橋梁中，有許多為了降低工程造價而參照最小通航凈寬設置橋跨的實例，由于設置的橋墩壓縮了原河道通航尺度和船舶航跡帶范圍，在通航河流中增加了礙航點和船舶撞橋的風險概率，其結果不僅給船舶航行安全構成巨大威脅，也對橋梁的壽命和結構安全帶來長久的危害。

3.2 不同河段上橋孔的布置要求

在地理環(huán)境不同的山區(qū)和平原河流上，由于河流洪水漲落幅度、河槽斷面形狀、河床構造等存在差異，橋跨和墩位的布置也有所區(qū)別。

山區(qū)河流特點是洪水陡漲陡落，河槽斷面狹窄，岸線不規(guī)則，開闊段與峽谷段相間出現，河道主流及航線范圍多隨水位改變，航道條件較復雜。優(yōu)點是河床穩(wěn)定性較好，除少量沖擊性淺灘外，河床多年可保持不變。但是在山區(qū)河流峽谷河段建橋，橋孔布設不宜壓縮河槽，宜單孔跨越；橋軸線方向的選擇應主要考慮對通航安全影響較大的水位期，盡量使其軸線與河岸線或洪水總趨勢正交。

平原河流河面較寬，縱坡平緩，河流分汊河槽游蕩，由于河床多為細顆粒泥沙組成，河床形態(tài)受洪水沖擊影響較大。在這種河道上建橋，橋跨和墩臺的布設應充分考慮航道條件，主橋孔宜跨越主航道和河槽變化范圍。在規(guī)劃的主航線范圍及主橋孔的兩端，應有效護岸，防止航槽變遷。在灘槽不穩(wěn)定的分汊河段上，橋孔布設應預估各汊流量分配比例的變化，并設置同流量分配相對應的導流或固灘建筑物；游蕩河段，橋孔布設不宜過多壓縮河床，應結合適當的治理規(guī)劃，輔以必要的整治工程，在深泓線可能擺動的范圍內均應布設橋孔。

嘉陵江水土大橋（圖3）是橋孔布設較為成功的例子。該橋最小通航凈寬驗算選用參數是嘉陵江發(fā)生20 a一遇洪水時，計算橋軸線附近最大流速約3.5 m/s，橋址主通航孔范圍水流與橋軸線夾角法向夾角按洪水期8°～11°，取最大 11°，計算得橫向流速達到 0.64 m/s。

根據《內河通航標準》規(guī)定，“水上過河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角不宜超過5°”，超過后航寬計算應采用交角不大于5°時最小通航凈寬值+偏航距或橫流附加值的方法計算。根據嘉陵江河口段Ⅲ-（2）級船舶尺度，由《內河通航標準》表5.2.2-1查得最小單向和雙向通航凈寬分別為75 m和150 m，由表C.0.3取得橫向流速0.64 m/s的橫流增加值為41 m。因此，計算得到的最小通航凈寬為：

圖3 嘉陵江水土大橋河段河勢圖Fig.3 River regime of Jialingjiang Shuitu Bridge reach

單向凈寬 Bm1＝75+41=116 m；雙向凈寬：Bm2＝150+2×41=232 m。

考慮該河段處于彎道，橋跨布置主要根據河勢及各水位期河道主流及船舶航跡線情況。河道左岸為枯水主河槽，嘉陵江枯季船舶航跡線基本都位于此區(qū)域，因此主河槽中不宜設墩。同時為避免枯水上行船舶在繞開主流沿左岸緩流區(qū)上行時誤撞橋墩，或下行船舶落彎后發(fā)生的船舶撞墩，左主墩宜布置在枯水河岸以上。

右主墩布置主要考慮了中、洪水期主流及船舶航跡帶范圍。隨著嘉陵江水位上漲河道主流逐漸右移，洪水期主流中心距左主墩約260 m。由于下水船舶一般順主流航行，實際船舶航跡線區(qū)域也隨主流擺動至河心，其變化范圍大于300 m（距左主墩），右主墩水域雖然不是洪水期船舶航行區(qū)域，但是應考慮下行船舶在意外失控情況下順流而下很容易到達此區(qū)域。為避免意外情況下發(fā)生船撞事故，經過對黃家嘴邊灘石梁分布情況下的航道尺度、橋墩距水沫線及占據航道水域寬度，以及三峽工程蓄水后航槽可能發(fā)生的演變分析，建議將主橋孔跨度增大到380 m以上。經多方案的優(yōu)化，最終提出了388 m的大跨方案。該橋跨不僅跨越了原河道各水位期的船舶航跡帶范圍，而且在三峽工程正常蓄水后的高水位期，兩主墩均不礙航。

3.3 橋孔跨度與橋梁間距之間的關系

隨著交通及城市的擴容發(fā)展，橋位資源日漸匱乏。以致小間距范圍建橋情況越來越多出現，特別在城市中心區(qū)域這種情況就更加普遍，當橋梁間距小于《內河通航標準》要求時，學術界簡稱為“橋群”。橋群河段若橋梁水中設有墩，會使得船舶沒有足夠時間找準航向避開橋墩，這樣極易誘發(fā)船撞橋事故。目前，陸上交通的特殊需求使橋群不斷出現已不可避免，關鍵的是當橋梁間距不滿足要求時，是否可以通過增加橋梁跨度來緩解和減小建橋的影響。近年來對此進行的“橋群”相關研究［4］對類似問題取得了較為合理的參考方法，即建立了橋梁間距減小程度與增加跨度的耦合關系，表達如下

式中：Dp為兩橋間的實際橋間距，m；D為考慮一定河道條件、水流條件、通航量等因素下的，兩橋間合理橋間距，m；L為代表船舶（隊）長度，m；S為橋梁跨度，m；α為指數，取α＜1.3，具體取值根據具體橋群河道通航條件取定，必要時應根據實船試驗和數值船模計算或河工物理模型試驗結果確定。

以金沙江宜賓河口段“橋群”（金沙江南門大橋—金沙江戎州大橋）為例。金沙江河口段位于宜賓主城區(qū)范圍，該河段水域較狹窄，汛期流速大且流態(tài)紊亂。金沙江南門大橋與戎州大橋間距1 000 m，兩橋最小橋跨為240 m，存在一定的船撞風險。由于該河段航道基本順直，參考“橋群”研究成果［4］中順直河道合理橋間距驗算公式

式中：ξ為橋梁間距影響系數，綜合反映航道條件，建橋后通航水流條件、船舶流量、氣象及風流影響等，該河段取ξ=1.2；n為船舶下行時間，s，取n=5 min；Va為船舶下水對岸航速，m/s，取Va=25 km/h。算得該河段兩橋間合理間距D=2 500 m。根據該河段航道條件，取α=1.25，由式（1）可得兩橋1 000 m間距所需橋跨S≈330 m。由于兩橋橋間距較合理橋間距減小了1 500 m，為保證船舶航行安全，橋梁跨度不應只是單橋所需的橋梁跨度，應在其基礎上加大90 m。

當擬建橋梁與已建橋梁并排修建形成“并建橋”時，會使通航孔橋墩延長，形成船舶航行的“巷道效應”，其橋墩對水流的影響比單一橋梁更大。因此，“并建橋”除滿足現行《內河通航標準》相關規(guī)定外，還應增加橋梁跨度或采取撤孔并跨方法加大橋梁跨度。

4 通航凈空尺度

橋梁的通航凈空尺度主要指通航橋孔的凈高和凈寬尺度，在橋梁的設計中其取決于通航橋孔布置和橋梁跨度的選擇，其尺度大小直接影響著航道的通航能力和船舶的航行安全，也決定著內河航道航運資源的利用及遠期發(fā)展。

4.1 通航凈高尺度

通航凈高尺度的確定主要是考慮了船舶的桅桿高度以及船舶裝載減少時的上升高度。通航凈高尺度的擬定對船舶的通航要求和航運資源的保護有較大的影響，同時也和橋梁引橋長度、工程造價等密切相關。所以凈高尺度的確定需要通過多因素的充分研究、論證確定。

在確定橋梁通航凈高尺度時，在滿足規(guī)范要求的基礎上，還應結合河道梯級渠化后航道等價的規(guī)劃發(fā)展、通行船舶尺度和運輸量的需求，對具體工程所需的凈高尺度進行研究，并留出一定的富裕度［6］。同時，橋梁通航凈高尺度的確定還應當結合相鄰建筑物的規(guī)劃發(fā)展。在港口、船廠、礦區(qū)碼頭等區(qū)域附近及庫區(qū)的橋梁，在確定通航凈高尺度時，應當考慮其規(guī)劃和發(fā)展再對凈空尺度進行研究論證。

4.2 通航凈寬尺度

通航凈寬尺度與所在航道水流條件、代表船舶尺度和橋梁通航孔通行方式等密切相關。橋梁通航凈寬尺度不應小于規(guī)范要求的限制值，同時在確定通航凈寬尺度時應當考慮航道渠化后的等級變化和相鄰建筑物的規(guī)劃發(fā)展，留出足夠富裕。構成“橋群”的擬建橋通航凈寬尺度可參考“橋群”研究成果［4］橋跨的計算加大通航凈寬尺度。而對于“并建橋”，其通航凈寬尺度可參考“橋群”研究成果［4］的“巷道效應”影響因子方法計算。

順直河道復線橋即“洞橋”，橋梁間距的影響因子用下式估算

其中當復線橋由兩座橋組成時，km=0.623 9××θ0.3；當復線橋由三座橋組成時，km=0.453 2××θ0.3+ 0.109 7。

式中：Bm為“并建橋”通航凈寬；Km為“并建橋”影響因子；B0為單座橋梁基本凈寬；Jd為橋洞長度，m；L為船隊長，m；θ為水流方向和橋軸線法線方向的交角，以弧度表示。

5 主動防船撞的其他措施

橋梁主動防船撞措施除以上方法外，還可以采用一些主動防撞設施引導船舶安全航行，減小建橋對船舶航行的影響，減小船撞橋事故的發(fā)生。

主動防撞設施主要是航行標志、導航設施、雷達以及衛(wèi)星監(jiān)控的設備等引導船舶沿正確航道行駛。其中航行標志的作用是引導船舶沿規(guī)定航線和通航橋孔安全通過橋區(qū)［7］，包括側面浮標、岸標、管線標、專用警示標以及橋區(qū)的橋涵標和界限標等。航行標志的齊全配布和良好的維護為船舶的航行安全提供了有力保證。船舶導航設施為船舶應對復雜航道和惡劣天氣航行提供了極大的幫助。船舶導航設施有VDR、GMDSS系統(tǒng)、AIS船舶自動識別系統(tǒng)、ARPA雷達、電羅經、探測儀、GPS衛(wèi)星導航儀、船舶衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)等［8］。這些系統(tǒng)能及時發(fā)布安全預報及預警、監(jiān)控船舶的航行狀況，在突發(fā)、突遇狀況前可以預告和指揮船舶避險，也可以迅速組織施救，減小和避免海損事故的發(fā)生，從而降低事故損失。

6 結語

綜上所述，在通航河道的橋梁設計時，應充分考慮建橋后橋梁對通航船舶的影響，采用主動防撞措施，避免船撞橋事故的發(fā)生。橋梁的主動防撞措施主要是從橋位選擇、橋跨和墩位布置、橋梁通航凈空尺度確定及橋區(qū)航標的配布是否完善等方面出發(fā)，減小橋梁對船舶航行的影響，引導船舶正常航行，從而減小船撞橋事故發(fā)生的概率，達到主動防撞的目的。

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