跨越通航內(nèi)河橋梁凈空尺寸選取探析

梁楠

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195）

1 引言

隨著我國交通建設(shè)的不斷發(fā)展，跨越有通航要求內(nèi)河的橋梁工程越來越多。由于橋梁工程的建設(shè)成本高，建成后不易擴(kuò)建改建，所以在很多通航內(nèi)河中橋梁處成為影響河道水運(yùn)發(fā)展的瓶頸。例如，在長江上早期建設(shè)的橋梁由于跨度計(jì)算偏小，隨著通航船舶流密度逐年增大已經(jīng)嚴(yán)重影響了長江船舶的通航，個(gè)別橋梁的橋墩甚至頻繁遭到船舶的碰撞。又如，南京長江大橋由于設(shè)計(jì)標(biāo)高較低無法通航大型海船，對(duì)長江南京上游水運(yùn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了負(fù)面影響[1]。由此可見，在設(shè)計(jì)階段充分考慮航道的規(guī)劃等級(jí)及通航船只要求，合理確定橋梁通航孔跨度和標(biāo)高意義重大。

本文通過對(duì)廣西某高速公路項(xiàng)目跨越桂林市永福縣洛清江橋梁跨度及設(shè)計(jì)標(biāo)高的計(jì)算過程，探討橋梁凈空尺寸的選取過程。

2 通航凈寬的選取

2.1 通航規(guī)劃

洛清江河道規(guī)劃為Ⅲ級(jí)航道、通航500 t級(jí)船隊(duì)、兼顧通航1 000 t級(jí)單船。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用變高連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁一孔跨越航道。

2.2 通航船型、船隊(duì)的確定

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》船型尺度[2]，選取本橋梁通航設(shè)計(jì)代表船型見表1。

表1 通航設(shè)計(jì)代表船型

2.3 通航凈寬的選取

2.3.1 通航凈寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》5.2.2條規(guī)定，當(dāng)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(shí)，其通航凈空尺度應(yīng)符合下列規(guī)定：“天然和渠化河流上水上過河建筑物通航凈寬可按本標(biāo)準(zhǔn)附錄C的方法計(jì)算且不應(yīng)小于表5.2.2-1所列最小凈寬值?！备鶕?jù)橋梁設(shè)計(jì)代表船型及內(nèi)河通航凈寬的計(jì)算公式，交角不大于5°情況下通航凈寬計(jì)算見表2。

表2 交角不大于5°情況下通航凈寬計(jì)算

正交情況下所需的通航孔柱內(nèi)緣凈寬根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 正交情況下通航凈寬計(jì)算成果

因此，選取96.78 m作為正交情況下的計(jì)算凈寬值。

2.3.2 橫流加寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》5.2.3規(guī)定，當(dāng)水上過河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角大于5°，且橫向流速大于0.3 m/s時(shí)，通航凈寬必須在本標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條規(guī)定的通航凈寬基礎(chǔ)上加大，增加值應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)附錄C的規(guī)定。當(dāng)水流橫向流速大于0.8 m/s時(shí)，應(yīng)一跨過河或在通航水域中不得設(shè)置墩柱。必要時(shí)，應(yīng)通過模擬試驗(yàn)研究確定。本項(xiàng)目路線走向與河流流向夾角87°，不同時(shí)滿足橋軸線的法線方向與水流流向的交角大于5°且橫向流速大于0.3 m/s，因此，不考慮橫向流速的加寬。

2.3.3 斜交加寬

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際通航要求，需進(jìn)行斜交加寬。關(guān)于橋軸線法線與水流夾角加寬值的考慮，在不同的工程實(shí)踐中一般做法是加大橋梁通航孔的凈寬值，加大到垂直水流方向上的投影不小于等級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)要求的最小凈寬值。根據(jù)斜交時(shí)的幾何關(guān)系如圖1所示，斜交加寬可按式（1）計(jì)算：

式中，B′m2為斜交加寬后通航凈寬，m；Bm2為正交情況下通航凈寬，m；L為橋墩寬度，m；θ為橋梁軸線的法線方向與水流流向的交角，（°）。

圖1 通航孔橋柱內(nèi)緣凈寬示意

2.3.4 紊流加寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》5.2.4條規(guī)定，當(dāng)水上過河建筑物在墩柱附近可能出現(xiàn)礙航紊流時(shí)，其通航孔的凈寬應(yīng)在本標(biāo)準(zhǔn)第5.2.2條規(guī)定的通航凈寬基礎(chǔ)上加大，增加值宜通過模擬試驗(yàn)研究確定。

橋墩紊流區(qū)是一個(gè)復(fù)雜的綜合水流結(jié)構(gòu)，包括橋墩迎水面向下水流和兩側(cè)繞流在床面附近形成的馬蹄形漩渦和橋墩兩側(cè)邊界層分離形成的尾流漩渦以及在墩兩側(cè)和墩后由床面附近釋放的小漩渦[3]。研究表明，在相同的流速下，隨著橋墩與水流的夾角增大，橋墩兩側(cè)紊流總寬度基本保持不變，而紊流區(qū)長度增大；在相同的角度下，隨著墩前水流流速的增大，橋墩紊流區(qū)寬度和長度均增大；在相同的流速和角度下，隨著橋墩尺寸的增加，橋墩紊流區(qū)參數(shù)均有所增大。另外，在其他條件不變時(shí)，橋墩紊流寬度隨著橋墩處水深的增大而增大；橋墩紊流寬度還與橋墩形狀有關(guān)，阻水作用越強(qiáng)，紊流寬度越大。上述研究成果說明，影響橋墩紊流總寬度的因素為墩前水流流速、橋墩附近水深、橋墩寬度以及橋墩形狀。

根據(jù)調(diào)研下游已建橋梁橋墩兩側(cè)紊流寬度情況，取值26.5 m。

本工程單孔雙向通航，綜合正交通航凈寬、橫流加寬、斜交加寬和紊流加寬，最小通航孔凈寬值為123.9 m。

3 通航凈高的選取

3.1 最高通航水位的選取

GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的6.2.1條規(guī)定：不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設(shè)計(jì)最高通航水位采用規(guī)定的各級(jí)洪水重現(xiàn)期的水位。橋梁所在河道航凈空尺度按照Ⅲ級(jí)航道建設(shè)，通航500 t級(jí)船隊(duì)、兼顧1 000 t級(jí)單船考慮，屬于山區(qū)型河流，且洛清江河段不受潮汐影響，因此，取10年一遇洪水重現(xiàn)期作為擬建橋梁最高通航水位。

根據(jù)上游水電站水文資料推得橋址10年一遇洪水時(shí)水位為133.95 m。

3.2 工程通航凈高的要求

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》5.2.2條規(guī)定，擬建橋梁通航凈空尺度按照Ⅲ級(jí)航道建設(shè)，通航500 t級(jí)船隊(duì)、兼顧1 000 t級(jí)單船考慮，因此，Ⅲ級(jí)航道的通航凈高要求不小于10 m。

3.3 相關(guān)行業(yè)對(duì)通航凈高的要求

根據(jù)調(diào)查，在擬建橋梁橋區(qū)河段附近無大型工礦企業(yè)，如海軍、石油、水產(chǎn)、造船廠等工程和相應(yīng)配套的碼頭設(shè)施，因此，其他軍事、船舶工業(yè)等相關(guān)行業(yè)對(duì)本橋的通航凈空尺寸沒有特殊要求。

3.4 通航凈高的選取

結(jié)合各種工況，通航凈高選取為10 m。橋梁梁底最低標(biāo)高應(yīng)大于設(shè)計(jì)最高通航水位133.95 m+1 000 t級(jí)單船航道的通航凈高10 m=143.95 m，才能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

根據(jù)計(jì)算通航凈空最低要求為123.9 m×10 m（凈寬×凈高），設(shè)計(jì)跨河主橋?yàn)?0 m+130 m+70 m變高連續(xù)箱梁，采用130 m主跨一孔雙向通航，避免了航道中立墩對(duì)通航船只的影響。橋梁梁底最低設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)大于143.95 m。

對(duì)洛青江上跨橋梁通航凈空的計(jì)算過程是一種滿足國家規(guī)范要求的有效計(jì)算方法，對(duì)類似項(xiàng)目起到了參考作用，也可作為初步設(shè)計(jì)階段預(yù)估橋梁規(guī)模的方法。但對(duì)于一些重要河道如長江、珠江等，還需進(jìn)行更嚴(yán)格的實(shí)船實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段，以保證橋區(qū)的船舶安全和快速通航。