內(nèi)河一級航道跨河橋梁凈空尺度論證分析

胡 飛， 李文杰

(安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

合肥市是長江三角洲城市群副中心城市，“長江經(jīng)濟帶”“一帶一路”雙節(jié)點城市、內(nèi)陸開放型經(jīng)濟高地、全國性綜合交通樞紐，而水路運輸短板與較高的城市定位不相適應(yīng)，迫切需要通過提升水路通道的等級彌補短板[1]。兆西河通江一級航道工程是合肥打造江淮航運中心，實現(xiàn)合肥市水路運輸跨越式發(fā)展，實現(xiàn)真正意義上“通江達(dá)?！泵篮脡粝氲闹匾画h(huán)。兆西河航道沿線現(xiàn)有橋梁8座(表1)；同時，沿線還有1座橋梁正在施工，4座橋梁即將施工。全部橋梁均按Ⅲ級航道凈空標(biāo)準(zhǔn)控制。

表1 沿線橋梁現(xiàn)狀一覽表

內(nèi)河航道與跨航道橋梁建設(shè)之間存在著不可避免的矛盾，從航道通航條件角度而言，跨河橋梁的通航凈空尺度越大越好，最好一跨跨過通航水域；但從工程投資和方便兩岸人員出行等角度而言，通航凈空尺度最好能夠減小到最低程度。兆西河通江一級航道工程按一級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，現(xiàn)狀橋梁均需改建，按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范無法簡單地執(zhí)行，如何針對工程項目特點，確定合理的內(nèi)河一級航道通航凈空尺度，對滿足船舶通航安全和橋梁自身安全、控制工程投資和方便居民出行都具有重要意義。

1 通航凈空尺度的影響因素

通航凈空尺度主要包括通航凈寬和凈高，凈空高度數(shù)值為代表船型(最大船舶)空載水線以上至最高固定點高度與富裕高度之和；凈空寬度指代表船型或船隊能夠安全通過的橋孔最小寬度。通航凈空尺度大小主要取決于所在航道等級和設(shè)計代表船型以及橋位河勢狀態(tài)等。

1.1 航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)及尺度

兆西河航道是全省干線航道“一縱兩橫五干二十線”中“一縱”[2]的組成部分，是合肥市四條外向型水運通道之一?？紤]未來合肥市經(jīng)濟發(fā)展和城市定位，兆西河航道按一級標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，推薦航道尺度見表2。

表2 兆西河通江一級航道工程航道尺度表

1.2 設(shè)計船型

根據(jù)《兆西河通江一級航道工程預(yù)可行性研究報告》[3]，其設(shè)計代表船型見表3。

表3 兆西河通江一級航道工程設(shè)計代表船型表

1.3 通航水位

兆西河通江一級航道工程按一級航道標(biāo)準(zhǔn)進行建設(shè)，根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145—2015)[4]和《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)[5]，最高通航水位采用20年一遇重現(xiàn)期的洪水位，最低通航水位采用綜合歷時曲線法計算，采用98%保證率水位。綜合考慮巢湖航道網(wǎng)內(nèi)航道建設(shè)通航水位，本次兆西河通江一級航道通航水位見表4。

表4 兆西河通江一級航道工程通航水位成果表

2 通航凈空的確定

2.1 《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定

依據(jù)內(nèi)河河道的特點和地區(qū)等條件，分別對其相應(yīng)的航道等級規(guī)定了橋梁通航凈空尺度，但對Ⅰ級航道的規(guī)定僅對天然和渠化河流航道的跨河橋梁通航凈空尺度進行了規(guī)定，見表5。

表5 天然和渠化河流跨河橋梁通航凈空尺度

由表5可知，Ⅰ級航道其通航凈高為 24 m和18 m，雙向通航孔凈寬在220 m以上，但對應(yīng)船型為2排2列以上船隊，與兆西河航道設(shè)計代表船型不相適應(yīng)，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C的規(guī)定，《內(nèi)河航道標(biāo)準(zhǔn)》附錄C.0.1，天然和渠化河流水上過河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角不大于5°時，通航凈寬可按下列公式計算：

Bm2=2BF+b+△Bm+Pd+Pu

BF=Bs+Lsinβ

式中：Bm2為單孔雙向通航凈寬，m；BF為船舶或船隊航跡帶寬度，m；△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，按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》表C.0.1 取值，橋區(qū)橫向流速為0.3 m/s，下行偏航距查表C.0.1 可得取值為30 m；b為上、下行船舶或船隊會船時的安全距離，m，可取船舶或船隊的寬度；Pu為上行船舶或船隊的偏航距，m，取0.85倍下行偏航距；Bs為船舶或船隊的寬度，m；L為頂推船隊或貨船的長度，m；β為船舶或船隊的航行漂角，(°)，Ⅰ～Ⅴ級航道可取6°。

根據(jù)設(shè)計代表船型及內(nèi)河通航凈寬的計算公式，交角不大于5°情況下通航凈寬計算見表6。根據(jù)計算，取145 m 作為正交情況下的計算凈寬值。

表6 代表船型對應(yīng)的橋位正交情況下凈寬

根據(jù)凈空高度的定義，其計算公式為：

H=h1+ha

式中：H為凈空高度;h1為最大船舶空載的干舷高度，m；ha為考慮航行技術(shù)等因素的富裕高度，m，根據(jù)經(jīng)驗和調(diào)查內(nèi)河一般取1～2 m，本次取2 m。根據(jù)設(shè)計船型，帶入計算凈高(H)在22 m。

2.2 《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定

考慮工程設(shè)計代表船型為海輪，根據(jù)《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 180-3—2018)[6]，其跨河橋梁通航凈空應(yīng)滿足其規(guī)定要求。凈高根據(jù)《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》6.3條規(guī)定，為代表船型設(shè)計最高通航水位線以上高度與富裕高度之和，并規(guī)定在通航海輪的內(nèi)河水域，富裕高度取2 m，根據(jù)設(shè)計船型，帶入計算凈高(H)為22 m。

按《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》計算通航凈寬：

B=K·W

式中：B為橋梁通航凈空寬度，m；K為擴大系數(shù)，可取1.5～1.8，考慮內(nèi)河航道特點，設(shè)計取1.6；W為單向或雙向航道通航寬度，m，航道設(shè)計寬度為90 m。帶入計算得橋梁通航凈空寬度為144 m。

2.3 凈空尺度的確定

2.3.1 凈高的確定

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定計算得到凈高為22 m，考慮長江下游跨河橋梁現(xiàn)狀凈高情況，兆西河入江口位于銅陵長江大橋和蕪湖長江大橋之間，其凈高主要受蕪湖和南京長江大橋控制。為確保南京長江大橋安全，根據(jù)安全管理要求，船舶通過時，其最高點至橋梁下緣的間距不小于1.2 m，因此其實際凈高僅22.8 m，考慮內(nèi)河河道特點和居民出行方便，綜合分析兆西河通江一級航道跨河橋梁通航凈高取22 m。

表7 長江下游部分跨河橋梁通航凈空一覽表[7]

2.3.2 凈寬的確定

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和《海輪航道通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定計算得到的凈寬分別為145 m和144 m，考慮航道設(shè)計斷面(圖1)要求，兩者均沒有跨過通航水域，容易受船舶撞擊，不利于通航和橋梁自身安全；考慮兆西河河道較窄和通航安全，橋梁應(yīng)一空跨過通航水域，根據(jù)設(shè)計航道斷面和設(shè)計水位，橋墩最好落在二級平臺上，所需寬度為151.6 m，考慮橋墩處水流條件等影響，橋墩前留10 m左右的通道，綜合分析兆西河通江一級航道跨河橋梁通航凈寬取170 m。

圖1 航道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3 結(jié) 論

(1)兆西河通江一級航道工程是安徽省內(nèi)河航道建設(shè)史上第一次按一級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的內(nèi)河航道，將實現(xiàn)合肥“河海直達(dá)”運輸，提高運輸時效，通過對現(xiàn)有規(guī)范的分析計算，在總結(jié)長江沿線跨河橋梁經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)兆西河河道特點，在保障船舶和跨河橋梁安全的基礎(chǔ)上，綜合分析確定兆西河通江一級航道工程跨河橋梁的通航凈空為170 m×22 m(凈寬×凈高)。

(2)影響跨河橋梁的通航凈空尺度因素較多，涉及航道等級、代表船型、河勢及河床演變、整治措施、工程投資和社會影響等，工程確定的凈空尺度為橋梁軸線的法線方向與水流流向的交角不大于5°時的凈空尺度，在分析研究設(shè)計中取得的經(jīng)驗，可為安徽省乃至國內(nèi)其他地區(qū)的同類工程提供借鑒和經(jīng)驗。對于重要橋梁或河道情況復(fù)雜，在滿足船舶航行安全的前提條件下，橋梁通航凈空可依據(jù)具體情況，在滿足現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，宜借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗，必要時通過物理模型或數(shù)學(xué)模型來綜合確定。