跨越整治航道的大橋通航孔跨度研究

◎王玲芳 福州西港工程設計有限公司

1.引言

船舶所需通航凈空寬度決定了橋梁通航孔跨度。橋梁的凈空寬度系指經(jīng)批準的遠期規(guī)劃航道設計底高程以上供代表船型或船隊安全通過橋孔的最小凈空寬度。內(nèi)河船舶所需通航凈空寬度主要由三部分組成，其計算公式為：

所需最小通航凈空寬度=通航凈寬+水流影響凈寬加寬值+防撞設施及紊流影響擴大值。

1.1 通航凈寬

根據(jù)《內(nèi)河通航標準》附錄C.0.1通航凈寬尺度計算，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夾角不大于5°時，計算公式如下：

1.2 水流影響凈寬加寬值

由于船舶在航道中航行時，只要水流流向與航向不一致時會對船舶產(chǎn)生橫向作用，使船舶偏離規(guī)定航線，故需要增加通航寬度。其值根據(jù)《內(nèi)河通航標準》附錄表C.0.3計算，其加寬值根據(jù)橋位處橫流大小計算單向/雙向通航凈寬增加值。

1.3 防撞設施及紊流影響擴大值

為保證大橋結(jié)構(gòu)自身以及過往船舶航行安全，需對大橋橋墩設置防船撞設施，占據(jù)通航跨度，其寬度基本不超過1m。另外橋墩設置于河床上，水流在橋墩附近產(chǎn)生繞流，影響船舶安全航行。因此計算時需考慮防撞設施的設置，水流紊流影響值，其大小可根據(jù)其影響范圍取值。

第一部分根據(jù)通航代表船型尺度按公式計算，橫流大小（小于0.3m/s）影響偏航距的取值；第二部分為橋位所處橫流大?。ù笥?.3m/s）決定其凈寬加寬值，同等級航道單向通航凈寬加寬值跨度較大，例如內(nèi)河Ⅵ級航道橫流0.3m/s～0.8m/s時單向通航凈寬加寬值為8m～38m（雙向為16m～76m），內(nèi)河Ⅴ級航道橫流0.3m/s～0.8m/s單向加寬值為15m～40m（雙向為30m～80m），因此橫流大小對通航凈寬影響較大；第三部分為防撞設施及紊流影響，一般其值較小，對通航凈寬整體影響較小。鑒于此，橋位處的橫流大小與通航凈寬有直接關系，如何確定橫流大小為確定通航凈寬及通航孔跨度的關鍵。

在工程實踐中，要實測出多年洪水重現(xiàn)期的水流流速受制約因素較多，若橋位附近需要航道整治，洪水期水流流速及流向往往無法進行實測，需要確定橋位處的洪水期流速較為困難，此時需采用二維水流數(shù)學模型來進行確定，為工程建設提供依據(jù)。本文以跨汀江大橋為例，橋位在已建廢棄砂帽石電站及淺灘下游70m處跨越，現(xiàn)狀水流條件較差，需對橋位附近進行航道整治。采用MIKE21二維水流數(shù)學模型軟件對大橋橋位處航道整治后的水流條件進行分析，計算所需通航凈寬，并提出最合理的通航孔跨度及橋墩布置。

2.工程實例

2.1 工程概況

新建龍巖經(jīng)梅州至龍川鐵路工程在龍巖市上杭縣富古村附近橫跨汀江，跨汀江大橋橋梁全長1665.71m，設計單位研究了長深高速公路南側(cè)設站方案和規(guī)劃三環(huán)路北側(cè)設站方案。從通航安全角度分析，長深高速公路南側(cè)與上下游橋距滿足要求且投資??；規(guī)劃三環(huán)路北側(cè)設站方案與下游水西渡大橋相交，不滿足規(guī)范要求；故采用長深高速公路南側(cè)方案作為推薦方案。

受其它因素的影響，橋位調(diào)整難度較大，跨汀江大橋橋位唯一。

跨汀江大橋所在河道寬度為150m，上游70m處砂帽石電站及淺灘占據(jù)河道寬度約100m，水流僅在河道右岸約50m處通過。根據(jù)測量單位對橋區(qū)附近實測的漂流資料，橋區(qū)附近多礁石，在枯水期節(jié)水流流量較小時，由于砂帽石電站建設時占用河道以及淺灘的影響，河床變窄，橋區(qū)流速達到1.26m/s。同時受上游250m處河道左岸突嘴的影響，航槽位于河道右岸，水流流入橋位處時水流與大橋夾角較大，橋位處橫流較大。

船舶通航時的河道與現(xiàn)狀河道條件不一致。采用MIKE21水流數(shù)學模型軟件對建橋前以及航道整治后的水流條件進行分析，并基于此的水流條件進行通航凈空寬度計算。

2.2 二維水流數(shù)學模型分析水流條件

為進一步分析本工程建設對工程附近水位、流速、流向產(chǎn)生的影響，采用MIKE21水流數(shù)學模型軟件對工程進行建模分析，模擬計算范圍取上下游各1km。模型將上游進口流量和下游出口水位作為開邊界條件。

根據(jù)地形特征對計算域進行網(wǎng)格剖分，計算網(wǎng)格由無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格單元構(gòu)成，整個河段單元網(wǎng)格尺寸一般200m×200m。在建橋前的計算中，橋墩網(wǎng)格地形為原地形并過流；建橋后，將橋墩網(wǎng)格作為內(nèi)部邊界處理，其網(wǎng)格單元不過流，如此可以較準確反映橋墩對水位、流速等水力參數(shù)的影響。

數(shù)學模型建模的糙率等重要參數(shù)通過模型驗證來檢驗，只有通過驗證的模型，其計算結(jié)果的正確性和可靠性才能得以保證。

在使用時先對建橋前實測水流水位進行復核驗算選擇合適的參數(shù)，以保證模型的可靠性。在糙率選取為0.028時水位及流速變化值較小，并對實測上流量Q=180m/s，下水位175.8m時的水位及流速進行驗證，計算結(jié)果與實測資料吻合較好，已建模型基本可行。

通過采用二維水流數(shù)學模型對推薦橋型方案計算，建橋前在洪水期流速達到4.0m/s，橋位所處位置橫流較大，達到1.3m/s。由于一跨過河工程增加投資較大，為改善水流條件，按砂帽石電站外側(cè)清除局部水域并適當加大孔跨方案。

工程河段計算工況為：模型入口5年一遇洪水期上游流量3720m/s，模型出口下游邊界水位182.4m。

工程河道情況為：

（1）建橋前上游70m處的河道寬度為50m。

（2）對航道進行整治，疏浚河道左岸砂帽石電站外側(cè)淺灘水域以及河道右岸礁石區(qū)域及上游突嘴部分。則建橋后河道寬度為100m，改善水流條件。

根據(jù)模型結(jié)果，在兩種工況下模擬得出建橋前、航道整治并且建橋后的水流條件如表1所示。

表1 建橋前、航道整治并且建橋后的水流條件

由表1可以看出，河道整治后，在最大通航流量3720m/s時，水流平順，流速減小，河床整治效果是明顯的。河道局部疏浚方案實施后，產(chǎn)生最大橫流位置為靠近6#橋墩120m位置。

2.3 橫流的取值

橫流取值遇到過兩種取值方式：

（1）水流流向與橋梁軸線法線的夾角。

（2）水流流向與規(guī)劃航道軸線的夾角。

第一種情況較第二種情況增加了橋梁軸線法線與航道軸線的夾角，采用第一種情況計算橫流值Vsinθ比第二種大。

實際行船過程中，橋梁助航標志橋涵標設置于航道中心線上，船舶沿著水上助航標志（側(cè)面標、過河標）及橋梁助航標志（橋涵標等）航行，因此橫流取值采用水流流向與航道軸線的夾角。

通過分析，在靠近6#橋墩120m處流速為3.42m/s，橋位處水流流向與航道軸線的最大夾角為7.96°時橫流最大，橫向流速為0.50m/s。

2.4 河道整治前后所需通航凈寬對比

建橋前及航道整治并且建橋后的通航凈寬計算主要在于橫流不一致，通航凈寬加寬值取值不同。

建橋前：橫向流速約為1.38m/s，根據(jù)《內(nèi)河通航標準》附錄表C.0.3，單向通航凈寬增加值取38m，雙向通航凈寬增加值取76m；

航道整治并且建橋后：橫向流速約為0.5m/s，根據(jù)《內(nèi)河通航標準》附錄表C.0.3，單向通航凈寬增加值取18m，雙向通航凈寬增加值取36m。

河道整治前后所需通航凈寬計算對比見表2。

表2 河道整治前后所需通航凈寬計算

建橋前的船舶所需最小單孔雙向通航凈寬為143.4m；河道整治后的船舶所需最小單孔雙向通航凈寬為104.4m。

2.5 通航孔跨度及橋墩位置確定

根據(jù)本工程橋址所在河段的實際情況，西側(cè)橋墩靠近現(xiàn)有主通航水域，故西側(cè)橋墩建議布置在河道右岸岸上。為保證工程進度，減少和利益相關方砂帽石電站的交涉事宜，現(xiàn)階段盡量保持砂帽石電站原狀不變，在滿足通航凈寬的前提下采用疏浚砂帽石西側(cè)的淺灘來拓寬河道寬度的方式，保證行槽的穩(wěn)定性，來改善河道水流條件及流態(tài)。東側(cè)橋墩在河道整治后，順岸布置在已建砂帽石電站的下游，見圖1。

圖1 橋梁平面布置圖

兩側(cè)橋墩的布置基本跨過了現(xiàn)有通航水域范圍，基本沒縮小河道的過水面積，且考慮大橋結(jié)構(gòu)設計的跨度能力，橋墩孔跨定為155m。

圖2 通航孔凈寬計算示意圖

2.6 實際通航凈寬

船舶通航時沿著航道中心線航行，故需要考慮橋軸線法向與航道走向斜交時的影響，兩者有一定夾角，這部分影響實際通航凈寬。根據(jù)擬建橋梁軸線法線與航道斜交的幾何關系，可推算斜交橋梁實際通航孔凈寬：

通過計算，實際通航凈寬為B=142×cos30°－25×sin30°=110.4m。

擬建橋梁實際通航凈空寬度為110.4m；凈空尺度滿足河道整治后的船舶單孔雙向通航要求104.4m。因此，橋墩孔跨選取155m經(jīng)濟合理可行。

3.結(jié)語

通航船舶所需最小通航凈空寬度為航道通航條件影響中重要評價指標。橋區(qū)水域內(nèi)橫流影響船舶所需通航凈寬計算，進而影響通航孔跨度。主通航孔跨度與大橋自身結(jié)構(gòu)安全及船舶航行安全相關，同時影響工程設計、施工難度及工程投資，故確定橋位處的橫流大小是計算船舶所需通航凈寬的關鍵因素。

本次以跨汀江大橋為例，在橋梁跨越需進行航道整治的河道時水流條件未知的情況，應用二維水流數(shù)學模型MIKE21計算橋區(qū)水域內(nèi)的最大橫流，為通航凈空寬度計算提供依據(jù)，計算通航代表船型所需的最小通航凈寬，從而確定大橋通航孔跨度。