樞紐互通區域通航論證方法的研究

李 活，馬 玥

(1.廣西北投防城至東興高速公路建設指揮部，廣西 南寧 538021;2.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007)

互通式立交是高速公路網中的樞紐和結點，互通區域內跨河橋梁溝通水、陸交通的同時，也會對航道通航產生一定的影響。受橋位自然資源、河道河型、路線走向以及資金預算的限制，橋梁跨度及墩臺布設等往往不能符合相關規范要求。加之樞紐互通在較短河段內建有多座橋梁，侵占了較多通航水域，將使河床演變規律及水流條件發生改變，引起原河道通航條件惡化，給船舶的安全航行構成威脅。

橋位通航和橋跨布置涉及的因素和學科門類較多，需要采用跨學科的方法綜合考慮。目前，國內對橋梁通航的論證主要體現在單座橋梁領域，論證方法的研究已取得一些成果:文獻［1]概述了橋梁通航論證的方法，適用于單橋且未與實際工程相結合;文獻［2]通過瀘州長江公路三橋橋區河段的分析，優化了該橋的橋位、結構、航線選擇，但僅對2種橋位方案與規范進行了對比論證。本文以茅嶺互通區域為研究對象，考慮互通區域內多座橋梁對通航條件的影響，結合相關規范，更全面地對橋區的河床演變、橋位通航要求和凈空尺寸等因素進行論證，提出最小通航凈空寬度計算公式，為互通區域橋梁的設計提供參考。

1 工程概況

茅嶺互通區域位于防城至東興高速公路路線的起點，是廣西壯族自治區高速公路網的重要組成部分。主線橋沖侖大橋為(7×30+45+2×45)m預應力混凝土T梁、異型箱梁，橋寬30 m，下部構造采用U橋臺、擴大基礎，柱式墩，樁基礎。匝道橋一期工程共設5座，總長1 402.32 m。互通區域內橋梁結構形式多樣，主線橋與匝道橋共6處跨越茅嶺江的支流沖侖江。

2 橋區自然條件與河床演變

2.1 氣象、水文條件及地形地貌特征

茅嶺互通區域所在流域屬南亞熱帶季風氣候區和廣西最大暴雨中心區，多年平均降雨量3 200 mm;平均氣溫22.4℃，最高氣溫37.8℃，最低氣溫0.9℃。

沖侖江為茅嶺江流域出海口不遠處的一級支流，沖侖江大橋橋位斷面距沖侖江河口7.1 km。根據欽州水文(二)站1984—2003年實測資料，計算沖侖江大橋橋位斷面設計水位見表1［3]，P為洪水每百年出現的次數。

表1 沖侖江大橋橋位斷面設計水位

互通區域內低丘矮嶺，總體地形起伏不大，主要為沿海丘陵地貌，路線處于廣西東南沿海丘陵地區，工程地質條件一般。

2.2 橋區河段河床演變

河道演變是水流與河床之間以泥沙為媒介的相互作用，使得河床形態在自然狀態或人工干擾狀態下始終處于變化狀態，反映了河道在水流作用下，組成邊界的泥沙被沖刷搬運和沉積的過程［4]。

建橋前河床演變分析采用河床穩定性指標來判斷。河道縱向穩定系數φ1采用改進的洛赫京公式估算

式中為床沙平均粒徑，mm;J為河道比降，‰;h為平灘水位下的平均水深，m。

φ1愈大，河床愈穩定，當φ1＞1時，為縱向穩定河床。根據實測的地形地質資料推算，φ1=1.21，說明橋區河段的河床在縱向為穩定狀態。

河床橫斷面穩定系數φ2可采用阿爾圖寧公式來估算

式中B為平灘河寬，m;Q為平灘流量，m3/s。

φ2愈大，河床愈穩定，φ2＞1時為橫向穩定河流。根據實測的地形地質資料推算，φ2=0.27，說明橋區河段的河道在橫向是不穩定的。

綜上分析，建橋前橋區河段處于微演變狀態。

橋梁修建后，由于橋墩形式、尺寸以及河道水流、地質條件的不同，會對橋區河道河床演變產生不同的影響。橋墩周圍產生局部沖刷，沖刷深度在1.5 m左右。由于橋墩在河槽外，橋墩對水流的影響范圍不大，主要局限在橋墩周邊附近水域，其它水域流速變化較小，整個河段的水流流速分布及主動力線在建橋前后均未出現明顯變化，不存在建橋后引起主槽易位和擺動等河勢改變的水流動力條件。因此建橋后除橋墩周界將產生沖刷影響外，橋區河段總體的河勢條件及床面形態不會發生明顯變化，該河段仍將保持穩定狀態。

3 橋位通航要求論證

依據文獻［5－6]的有關規定，并結合橋區的規模及特點進行橋位通航要求論證，主線和各匝道橋橋位的選擇充分考慮了以下主要因素:

1)橋位優先選擇于河道順直、航道穩定、地質穩定的河段上。橋址處河道平面河勢穩定，橋區河段沖淤基本平衡。橋位通航孔附近河床標高一般在－0.65 m左右，最低通航水位為1.89 m時，航槽水深約2 m左右，滿足基本Ⅶ(2)級50 t船舶的航行要求。

2)建橋前后河段上的流場圖近似，河道深泓基本位于河中，橋位選擇在主流穩定、河槽通過流量較為集中的河道上。

3)本橋址選擇成功避開了灘險、通航控制河段、分流口、匯流口、錨地，但目前沖侖江的水面寬度及水深尚不能滿足等外級航道的通航條件，跨越沖侖江的欽州至防城港高速公路及大量的鄉村道路、水利設施均未滿足通航的要求。茅嶺互通跨越沖侖江的主線及各匝道橋梁按照等外級航道的要求預留Ⅶ(2)級通航凈空，橋址位置基本滿足文獻［5－6]的有關規定。

4)大橋上下游均有水上過河電線，但不礙航。據此，茅嶺互通的橋位基本符合規范對橋位選擇的有關規定，橋區的橋位方案是可行的。

4 橋梁通航凈空尺寸

4.1 通航等級與代表船型的選取

沖侖江目前為不通航河流，茅嶺互通區域所在河段的航道等級規劃為等外級，工程按Ⅶ(2)級通航標準設計，設計的通航標準與廣西壯族自治區內河水運發展規劃相協調。通行船舶按50 t級考慮，根據文獻［5]規定，結合沖侖江航道的實際情況，選擇總長32.5 m、型寬5.5 m、吃水深度0.7 m的貨船為代表船型作為本次論證的依據。

4.2 設計通航水位

工程所在河段受潮汐影響，根據文獻［5]規定，考慮洪、潮水共同作用時，河段水位高于單獨洪水作用的水位，以洪、潮水共同作用的水位最為不利。同時考慮到河段半山區性河流和等外級航道的特點，取P=20次/ha的建橋后水位(洪、潮水同時作用)作為最高通航水位，主線橋沖侖江大橋的最高通航水位為3.871 m，采用的通航標準滿足規范要求，匝道橋水位見表2。

表2 橋梁通航凈空高度m

欽江入海口與橋區所處的茅嶺江入海口同處在茅尾海水域內，氣候相似，潮汐性質相同，故設計低潮位直接引用欽州水文(二)站的設計成果。按實測的年最低潮位進行計算，P=90次/ha時，最低潮位為4.86 m，轉化為黃海基面為－0.16 m。沖侖江大橋橋位斷面處河床最低高程為－0.64 m左右，根據實測橋位斷面，水面高程為－0.16 m時，過流斷面面積僅為9 m2;未考慮潮水頂托作用情況下，P=90次/ha橋位上游洪水洪峰流量為105.6 m3/s時的水位為1.73 m，此時過流斷面面積為81.8 m3，幾乎是P=90次/ha最低潮位過流面積的10倍;按簡化方法計算，橋位上游P=90次/ha洪水(未考慮潮水作用)對應的過流斷面面積的1.1倍即為橋位處的過流斷面面積，根據大橋水位與過流斷面面積的關系，得到P=90次/ha洪、潮(年最低潮)水位為1.89 m。據此，采用P=90次/ha洪、潮(年最低潮)疊加綜合洪水位，對應水位為1.89 m作為沖侖江大橋的最低通航水位，其余匝道橋最低通航水位也按這種方法計算，均滿足規范要求。

4.3 通航凈空高度

根據梁底標高、通航孔通航寬度范圍內兩側的梁底標高，以及建橋后5 a一遇洪、潮水時橋位的水位可計算出水面上的凈高及側高，如表2所示。

Ⅶ(2)級航道過河建筑物通航凈高為4.5 m，側高為2.8 m，設計的各橋通航凈高滿足Ⅶ(2)級船舶過橋要求。

4.4 最小通航凈空寬度

根據規范，天然和渠化河流水上過河建筑物軸線法線方向與水流交角≯5°時，通航凈寬計算式為

式中Bm1為單孔單向通航凈空寬度，m;BF為船舶或船隊航跡帶寬度，m，BF=Lsin β +bcos β，其中L為頂推船隊或貨船的長度，m，b為上下行船舶或船隊會船時的安全距離，m，β為船舶或船隊的航行漂角，(°)，Ⅰ～Ⅴ級航道可取6°，Ⅵ和Ⅶ級航道可取3°;△Bm為船舶或船隊與兩側橋墩間的富裕寬度，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。

沖侖江大橋軸線與水流正交，該橋代表船型有關參數選擇、計算結果見表3。

對于河中橋墩造成礙航紊流時應增加的礙航紊流寬度B，文獻［7]系統研究了橋墩墩柱周圍表層水流渦漩區范圍，計算公式為

式中D為橋墩寬度;Fr為弗汝德數;υ為斷面平均流速;h為河道水深;g為重力加速度。

Fr＞0.10～0.14的彎道上，視流速大小B直接取每邊0.7～1.9D。經過感潮和單獨洪水作用下的計算比較，本橋在單獨洪水作用下Fr=0.43，D=1.8 m，B=2.66 m，橋孔處通航最為不利。由此可見，沖侖江大橋最小通航凈寬為:Bm1+B=21.43 m，滿足規范要求的20 m通航凈寬。

表3 大橋通航參數計算 m

4.5 通航孔數及橋墩布置

互通主線橋通航孔跨度為44.92 m，通航方式為單向通航。通航孔布置在主河槽，對通航干擾較小。橋墩無承臺，橋墩不占通航水域，各匝道橋的橋墩布置和通航方式與主線橋相同(橋跨不同)，橋墩布置對通航基本無影響。

5 橋區通航條件與航線規劃及安全保障措施

由河床演變分析及橋址附近基本情況可知，茅嶺互通區域橋址附近河道河勢、航槽較穩定，河道河型的變化對通航條件影響很小。橋梁橋墩全部設在主河道外，不干擾主流。但由于互通各匝道的走向原因，C匝道和AK0匝道橋軸線與水流交角較大，但在洪、潮水共同作用下，橋孔和橋區橫向流速很小，水流不礙航。主線橋與各匝道橋互相之間距離最近為50 m，保證了特殊橋位的最小距離。建議在橋梁設計時可采用比需要的通航寬度大出較多的凈跨度布置通航孔，且各孔相互對應，可將對通航的影響降至最低。

橋梁建設在客觀上使橋區通航條件發生了變化，需結合橋軸線布置對橋區航線進行相應的調整布設。茅嶺互通區域根據規范規定、橋區地形、通航孔位置等情況，規劃航線盡量走主河道，并盡量直線通過互通各橋。

安全保障工作不僅關系到橋梁本身安全，同時也關系著橋區通航安全。工程開工前和建設過程中，施工單位應及時與當地航道主管部門密切聯系，及時辦理有關手續，并采取必要的安全措施，以確保通航。運營期間，為了確保船舶通航安全，橋區航道須設置必要的助航和防撞措施。總之，安全保障工作需要橋梁參建各方與交通和海事管理部門通力合作，確保橋梁施工、營運安全。

6 結論

1)通過氣象、水文、地形地貌資料，對茅嶺互通區域主線橋及匝道橋的河床演變、橋位通航要求和凈空尺寸等因素進行重點分析和論證，并與相關規范進行對比，滿足規范要求。

2)考慮地區經濟發展的需要，在橋孔凈寬范圍內和規劃的航跡帶內不得設置影響Ⅶ(2)級航道開發的構筑物。

3)橋區河段屬于感潮河流，洪水期水流條件復雜，為保證橋船安全，建設大橋時必須嚴格落實各項安全保障措施，并按有關規定辦理相應手續。

4)5 a一遇洪水時，對于互通內橫向流速較大的匝道橋，建議通過河道疏浚來減小或消除不利流態。

［1]馬殿光.跨河橋梁通航的論證方法［J].水運工程，2006，395(11):63 －66.

［2]吳平.瀘州長江公路三橋通航論證［J].武漢大學學報，2003，36(4):137 －140.

［3]高冬光.橋涵水文［M].北京:人民交通出版社，2006.

［4]張海燕.河流演變過程學［M].北京:科學出版社，1990.

［5]中華人民共和國建設部.GB50139—2004 內河通航標準［S].北京:人民交通出版社，2004.

［6]長江航道局.TJ287—2005 內河航道維護技術規范［S].北京:人民交通出版社，2005.

［7]胡旭躍，陳健強.橋位河段的航道整治工程［M].長沙:中南大學出版社，2006.