非優良建橋河段通航論證

李華奎，程小兵，李旺生

（1.吉林省航道管理局，吉林132000；2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津300456）

隨著國民經濟的快速發展，我國的交通現代化建設取得了重大進展，連接通航河流兩岸交通網的跨江大橋數量也在飛速增長。然而，跨江大橋數量的增加不可避免地會對通航河流的航運業產生影響。能夠完全滿足建橋要求的天然河段十分有限的，有的橋梁不得不建在不滿足選址要求的河道上。在非優良建橋河段建橋，如何確保橋梁建設不對河道通航造成不良影響，是非常具有現實意義的工作。

1 建橋對通航影響及其經驗教訓

1.1 橋址選擇對通航的影響

若橋址處在汊道、彎道、匯流口及河勢不穩定段，會給船舶航行和橋梁安全帶來威脅，加重航道維護的難度。如已建的重慶白沙沱大橋、荊州長江大橋、武漢白沙洲長江大橋、武漢長江大橋、黃石長江大橋及沅水桃源大橋等。

橋址選擇不當對通航的影響主要表現在以下2個方面。

（1）橋梁軸線與航道主流線夾角不當。如重慶白沙沱長江鐵路橋，該橋建在峽谷出口，橋軸線與主流線非正交，且橋位上右岸有一石梁壩伸入長江中，中洪水期有明顯挑流作用，導致橋區水流條件差，嚴重影響通航。自1959年建橋至今，發生大小船舶撞橋事件100多起。黃石長江公路大橋橋址位于戴家洲分汊河段的下游，黃石彎道頂部的上端，洪枯水流向不一，枯水主流傍岸，洪水居中，加之該處水流流速大、曲度大，航效差，船舶在該處過橋困難。大橋1995年12月建成通車至今發生20多起船舶撞橋事故。

（2）橋址選在河勢不穩定段影響通航。武漢白沙洲長江大橋建于武漢長江大橋上游的白沙洲，該處為變化頻繁的分汊河段上，橋軸線穿過白沙洲左側不穩定的心灘，給航道維護帶來很大困難。1999年1月初，建設中的白沙洲大橋因為淤積問題造成主通航孔船舶航行困難。武漢長江大橋亦因為淤積問題影響通航安全，該橋位于支流漢江入匯的上方，1957年建成通車后，每年汛后幾乎都在橋位上游左側漢陽一岸形成漢陽邊灘，并在枯水中后期向河心擴展，對船舶航行和橋梁安全均構成極大威脅。至1995年7月，武漢長江大橋僅5號橋墩已被撞擊66次［1］，受損非常嚴重。

1.2 橋梁凈空對通航的影響

內河通航標準中，橋梁凈空包括橋梁凈高和橋梁凈寬。橋梁的設計凈空高度一般以當地設計最高洪水作為計算基準，橋梁的通航凈高與水位有關，枯水期凈空高，洪水期凈空低。以長江為例［2］，武漢長江大橋以上的橋梁凈高是依據《內河通航標準》（GBJ139-90）中的I級（2）類航道標準考慮的，均大于18 m；武漢長江大橋以下至南京長江大橋的橋梁凈空是依據《內河通航標準》（GBJ139-90）中的I級（1）類航道標準考慮的，基本達到24 m。在一定的通航水位下，能通過南京以上大橋的海船，首先就過不了南京大橋。長江下游大橋凈空普遍偏低，影響長江黃金水道的水運發展，南京長江大橋尤為突出。標準中規定橋梁通航凈寬指在建橋優良河段上橋梁的通航孔寬度，在非優良河段上，還補充規定了對通航孔寬度進行調整的計算方法。由于通航孔凈寬不夠而影響航道通航的例子也不鮮見，通航凈寬不夠更多的是限制了航道的通航船隊尺度，影響航道的運輸能力。

1.3 橋梁墩孔布設及橋墩形狀對通航的影響

在通航河流上建設橋梁，橋墩的位置及形狀直接影響河道的演變及水流條件。不同的河段，墩孔布設和墩形設計有不同的要求，對于不同河段的邊界條件和水流條件，需找出與之相適應的墩孔布置形勢及橋墩形狀，以減小橋墩對河道水流的影響。

在跨河橋梁的設計中，一跨過江的橋梁，在滿足通航凈高要求的情況下，對通航沒有影響。在水中布有橋墩的橋梁，只要安排布置合理，也基本不對通航造成影響，如在通航水域基本不布設或較少布設橋墩；主跨度大且基本覆蓋穩定深槽；橋梁軸線法線方向與水流夾角小于5°；采用分水導流性能好的半圓形或橢圓形橋墩形狀等。

橋墩對通航造成嚴重影響的主要情況是通航凈寬小、墩位多、縮小過水面積大；在深槽中布置墩位；橋墩形狀分水導流性能差，橋區壅水嚴重。如沅水桃源大橋橋位選在急流灘險跑馬灘出口，橫跨右側雙洲和左側無名洲的洲頭，該橋設計了兩孔通航，跨徑各100 m，凈數值滿足IV級航道通航標準，但兩跨中間的6號橋墩卻布置在跑馬灘口枯水狹窄航槽的中心，再加上該橋橋軸線法線方向與中枯水流向偏角為25°，給船舶安全航行帶來嚴重影響。1998年11月～1999年4月橋區發生7起海損事故，其中4次是撞6號橋墩，1次撞5號橋墩。武漢長江大橋的漢陽邊灘出現影響通航問題亦與該橋在江中布置了8個橋墩、壅水作用明顯的情況不無關系。黃石長江公路大橋主橋墩采用雙層薄壁長方形，水位越高，水流流速越大，水流繞流角就越大，通航孔的流態就越差，而且水流繞角越大，通航孔內的安全航行水域就越窄，船舶航行的安全系數就越小。廣西紅水河上的天峨龍灘大橋，將2號橋墩建在紅水河龍灘中洪水期的航道中心線上，加之2號橋墩斷面形式為中空的雙矩形，中空部分的急流對過往船舶產生強烈的吸引作用，致使船舶在過往2號橋墩時極易被吸而與之相撞。

2 橋區通航安全的主要影響要素

影響通航安全的要素很多，可分為自然環境因素、人工環境因素和交通環境因素，其中包括水文、氣象、航道、航標配布、交通狀況等航行條件。已有研究認為，流、風、水深、航道及通航孔寬度、能見度、航道彎曲度、交通強度、交通構成復雜度、助航標志、通航孔凈高、礙航物及兩橋間距等是影響航道通航安全的關鍵因素［3］。其中最重要的是水流情況，其次是風、水深和航道寬度及通航孔凈寬。這些也是橋區通航論證應該考慮的重點。

2.1 橋區水流對通航的影響

在建橋河段，橋墩和橋臺入水使整個河槽過水斷面減小，橋墩處因上方水流不暢而產生壅水現象，使橋孔內及其出口處出現較大流速。橋梁軸線法線方向與水流交角的大小亦影響船舶過橋時的航行安全。交角越小，對過船越有利。當存在交角時，在主流的分量具有橫流的成分，在橫流的作用下，船舶將發生偏移。

總結已建橋梁的成敗，橋區水流對通航安全的影響主要表現在流速、流向、和非正常流3個方面。因此，評判水流對通航的影響亦從這3個方面入手，3個因素最后可歸結為一個判別指標，即橋區橫流對通航的影響。橫流對行船的影響體現在船舶（隊）隨流飄移，偏失船位，而局部橫流作用則導致船體局部受到沖壓，除使船舶（隊）隨流漂移外，更主要的是發生偏轉而造成危害。

2.2 橋區常風對通航的影響

內河船舶具有吃水淺、穩定性差、抗風能力差的特點，風的影響不容忽視。在橋區航道寬度有著嚴格的限制，大風導致的船位偏移，增加了船隊在通過大橋時碰撞橋墩的風險。因此，在進行墩位布置設計及橋區通航安全評估時，風是個重要的因素。

對于干舷和上層建筑較高的航行船舶，風對其通航安全有明顯影響，風對船舶航行安全影響程度和船舶受風面積及風動力中心位置、干舷高度與吃水之比、風級及風舷角大小等有密切關系。風力越大，船舶產生傾斜、漂移、偏轉的程度就越大。

2.3 橋區水深對通航的影響

船舶在淺區航行，水流阻力增大，主機負荷增加，功率下降，吃水增值增大，產生船尾縱傾，船舶操控性能變差。研究表明，當水深與船舶吃水深度之比H/d≤4時，水深開始影響船舶航行性能。當船底剩余水深很小，即H/d在1.2～1.5時，船舶以速度V=gH（g為自由加速度）航行時［4］，船舶有擦淺或擱淺的可能。

2.4 航道及通航孔寬度對通航的影響

航道寬度直接約束船舶的橫向活動范圍。有關學者為研究航道寬度對航行安全的影響［5-6］，對一定長度、不同寬度的航道上發生的事故進行了統計分析，結果表明，航道寬度和事故數或事故百分比之間存在著密切關系，對非橋區航段和橋區航段的水上交通事故進行統計分析也發現了相同規律。因此，按照內河通航標準要求，盡可能加大通航孔寬度是保證橋區船舶安全航行的有效手段。

2.5 航道彎曲度對通航安全的影響

與順直河段相比，彎曲河段河槽水勢比較復雜，航道彎曲和水勢掃彎是造成船舶通行困難的主要因素。大橋不宜建在彎道處，但出于多種原因，不少大橋都建在彎道處。船舶通過彎曲航道時，彎曲度不能過大，以免觸岸擱淺。根據航行經驗，最小彎曲半徑除與船長有關外，還應考慮流速、流態、航道情況等因素。在進行橋區通航安全評估時，根據以往航行經驗及船模實驗經驗，選取船舶通過大橋所需累計轉舵角度，作為航道安全評估的一個判別指標。

3 松陶鐵路第二松花江特大橋通航論證

擬建松陶鐵路（松原至陶賴昭鐵路）第二松花江特大橋位于第二松花江的下游河段，即五棵樹至三岔河口段，屬典型平原河流，其水上距離下游松原市第一松花江大橋18.1 km。橋位及其上游河段現狀航道尺度達到國家Ⅵ級標準，該段航道每年4月中旬至11月中旬為通航期。

3.1 橋區河段演變分析

從平面形態看，橋區所處河段屬于典型的散亂、分汊型河道。該河段自擬建大橋上游3.06 km左右處分為左、右2個汊道，其中左汊在擬建大橋下游2.3 km左右處又分為左右2個支汊，右支汊與右汊在高通島中部匯合后繼續向下游綿延，深泓線處于左汊內，屬于通航汊道。左汊自從河道上游分為左右兩汊后，河道內靠近岸邊就交錯連續分布了3個小型江心洲灘，使該段河道在此區間內形成3個急彎，彎曲半徑分別為350 m、350 m、410 m。隨著彎道作用，河道深泓線也在左、右岸相互交錯擺動［7］。

通過橋區河段歷史及近期演變調查分析，對擬建橋河段有以下認識。

（1）橋區河段為多汊河型，左汊為發育的一汊，是通航主汊；右汊為支汊，是衰退的一汊。本河段洪水期水流取直，河床過水面積增大，流速減小，泥沙落淤；枯水期水流歸槽，流速加大，河床沖刷。洪枯水交替作用使得擬建橋位處河床不穩定。

（2）橋區河段懸移質含沙量幾乎全部來自沿程河床補給，由于洪峰持續時間較短，而且集中于汛期，洪水期該段河道以淤積為主，枯水期河道以沖刷為主。

（3）河道內的采砂活動改變了局部河段的河床形態和水流運動特征，增大了泥沙的補給，對該河段洲灘的演變和汊道興衰發展起著重要作用。

（4）河段內河床質組成及岸灘覆蓋層抗沖性能較差，岸線穩固措施較少，洲灘和汊道的平面變形幅度較大。

（5）目前的通航主汊（左汊）相對穩定，擬建橋位上下航道條件相對較好，處在發展的相對較好時期，但該汊航道尚未全線達到Ⅳ級航道標準，還需進行航道治理。

3.2 橋位方案選擇的通航要求論證

結合前文關于橋位選擇對通航影響分析，對松陶鐵路第二松花江大橋橋位選擇作出如下判斷。

（1）擬建橋位位于散亂、分汊型河道內，河床極易發生變遷，為保證航道的通航條件，一方面必須采取工程措施穩定航道，另一方面可以采取多孔通航的方式達到通航孔的設計要求，而且在通航孔的設計布置時必須采取航行安全措施；

（2）橋址方案在與灘險、彎道方面的距離不符合標準要求，但可以采用一定的整治措施改善河道，使其滿足建橋條件。

3.3 通航凈空尺度論證

3.3.1 通航水位的計算方法和成果

通航水位的推求以扶余水文站（位于擬建大橋下游17.5 km處）為基本站，采用暢流期（即春季開江流冰結束至秋季封江流冰開始）水位來確定通航水位，水位、流量采用1988～2008年水文資料。設計最高通航水位重現期為10 a；設計最低通航水位采用多年歷時保證率法，保證率取95%以上。扶余水文站最高通航水位為134.171 m，最低通航水位為129.537 m，通過推求得橋區最高通航水位（H10%）為136.26 m，最低通航水位（H95%）為 131.759 m。

3.3.2 通航凈空方案

根據《內河通航標準》［8］水上過河建筑物通航凈空尺度的規定，以及二松船隊的船型和航道等級，確定擬建松陶鐵路第二松花江特大橋通航孔凈高不得小于8.0 m；單向通航孔凈寬不得小于50 m，雙向通航孔凈寬不得小于100 m；通航孔側高不得小于5 m；計算得出擬建大橋橋梁采用單孔單向通航孔上底寬不得小于57.4 m。

由于橋位河道受上、下游分汊河道河勢變化的影響較大，邊灘、深槽及洲灘呈不穩定狀態，而且橋位現狀下的航道走向與橋軸線的法線方向交角大于5°，通過計算橋位處水流橫向最大流速為0.32 m/s，為便于船舶安全航行，通航孔凈寬應適當放寬。

通過計算，橋區河段航道采用單孔單向通航凈寬不應小于70 m，采用單孔雙向通航凈寬不小于128 m。

根據設計單位橋址方案中提出的4跨通航孔寬80 m的橋梁布置方案，確定擬建大橋的通航方式選擇兩孔單向通航，單向通航孔凈寬不應小于70 m，并根據河道的演變趨勢適當預留通航孔。

3.4 通航孔數、布置和通航凈寬方案

根據第二松花江航運現狀，考慮未來航運發展，擬建松陶鐵路第二松花江特大橋不但要滿足現狀下航道通航的需要，而且要適應該段河道易變的特點，在通航河道多預留通航孔。通航橋孔具體布置方案為：

（1）橋區河段左汊為通航主汊道，由于近年來松花江來水量比較穩定，左汊發育良好，平均水深在1.8 m以上，河床也比較穩定。但由于沒有固岸措施，不排除以后受洪水和人工采砂的影響，河床變形，所以確定大橋通航孔覆蓋范圍不應小于320 m。

（2）通過橋區河段河演分析，結合設計單位提出的4跨通航孔寬80 m的橋梁跨度方案，通過橋梁通航凈空尺度論證得出：擬建大橋單向通航孔凈寬不得小于70 m，凈高不得小于8.0 m、側高不得小于5.0 m，頂寬不得小于57.4 m。通航方式選擇兩孔單向通航，其他兩孔作為預留通航孔。

（3）橋位河道河床穩定性較差，考慮到今后航道位置可能會發生一定的變化，設計單位要在大橋初步設計階段，同航道主管部門協商解決橋位河段的河床穩定問題，通過采取適當的工程措施穩定河床以盡可能保證航槽的穩定。

3.5 對松陶鐵路第二松花江大橋建設的建議

（1）為穩定橋位河道河勢，盡可能保證大橋不影響以后航道通航，必須采取相應的岸灘穩定工程措施，具體方案應由航道主管部門和大橋設計單位在施工圖設計時共同協商確定，或委托具有相應資質的設計部門進行分項設計。

（2）大橋建成后，應加強對橋位河道觀測工作，尤其要注意對洪汛期水流造床作用、河道水面壅高、河勢變化情況進行觀測和分析，必要時采取補救措施保證橋區通航安全。

4 結語

在跨河大橋數量不斷增加的同時，大型內河船舶（隊）及單船航行也愈來愈頻繁，通航船舶流密度正逐年增大。在今后的跨河橋梁建設論證中，應更加注重總結跨河橋梁的建設經驗，分析研究大橋可能對橋區通航環境造成的影響，充分考慮各影響因素，為橋梁設計和建設單位提供合理建議，確保船舶通航安全和橋梁安全，達到“南北、東西兩條通道”均暢通無阻，防止橋梁建設后影響航道通航。

［1］戴彤宇，聶武，劉偉力.長江干線船撞橋事故分析［J］.中國航海，2002，4（53）：44-47.DAI T Y，NIE W，LIU W L.The Analysis of Ship-Bridge Collision in Main Waterway of the Yangtze River［J］.Navigation of China，2002，4（53）：44-47.

［2］長江航道規劃設計院.南京過江通道跨江橋梁及過江隧道通航凈空尺度和技術要求論證研究報告［R］.武漢：長江航道規劃設計院，2005.

［3］莊元.橋梁通航論證關鍵技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.

［4］齊傳新.內河船舶運輸安全學［M］.大連：大連海運學院出版社，1991.

［5］陳明棟，王多銀.探討跨江橋梁通航凈空尺度和通航安全保障措施［J］.水運工程，2001（4）：42-43.CHEN M D，WANG D Y.An Approach to the Navigable Clearance Dimensions and Navigation Safety Guarantee Measures for Crossing-River Bridge［J］.Port&Waterway Engineering，2001（4）：42-43.

［6］沈小雄，胡旭躍.航道邊線與橋墩之間安全距離的研究［J］.水運工程，2004（11）：85-87.SHEN X X，HU X Y.Safe Distance Between Channel Sideline and Bridge Pier［J］.Port&Waterway Engineering，2004（11）：85-87.

［7］李華奎.松原至陶賴昭鐵路第二松花江特大橋通航凈空尺度和技術要求論證研究報告［R］.吉林：吉林省航道局，2009.

［8］GB50139-2004，內河通航標準［S］.