武漢沌口長江公路大橋通航孔布置方案研究

李靚亮，王志軍，李文全

（長江航道規劃設計研究院，武漢430011）

擬建沌口長江公路大橋是武漢市的第九座長江大橋，是武漢四環線重要過長江通道，根據環線總體走向的規劃，橋梁位于沌口水道石咀與河坡山之間，下距已建的武漢白沙洲長江大橋上游約7 km。線路起點位于武漢經濟技術開發區徐家堡，接漢洪高速公路，過沌南洲，跨長江，于石咀李家村下游跨武金堤至長江南岸，全長8.4 km，按高速公路標準建設，全程雙向八車道，橋寬46 m，建成后將是目前長江上最寬的大橋［1］，且根據環線功能定位，主要以貨運重載為主，大橋建成后，8 車道恒活載重量將達到目前同類橋梁世界紀錄，因此如何合理確定通航凈空寬度，并合理布置通航孔，降低大橋建設風險，并盡可能減少建橋對通航的影響，保障長江中游黃金水道的暢通，成為該大橋前期研究工作中的關鍵技術問題。

1 河道概況

長江中游沌口水道上起大軍山，下至官閘營，全長12.0 km（圖1），以楊泗磯為界分為上下兩段，上段南岸側江中有楊泗磯心灘，高程較低，下段北側岸邊依附有沌南洲邊灘，下游南側江中為白沙洲頭部［2］。本水道自上而下分布有大軍山—槐山磯、小軍山—楊泗磯、沌口磯—何坡山3 對對峙節點，對河道平面擺動的控制作用較強，多年來，沌口水道總體河勢相對穩定。三峽工程蓄水運用后，工程河段洲灘和深槽沖淤互見，但幅度不大，主流、岸線和河床形態均基本穩定。目前，該水道航道標準維護尺度為3.5 m×80 m×750 m（維護水深×維護寬度×航道彎曲半徑，下同），通航保證率為98%，中洪水期航道維護水深可滿足3.7～4.5 m。

2 橋位方案選址及通航凈空寬度確定

2.1 橋位方案選址論證

按照武漢市四環線的總體走向、武漢市交通規劃、長江水道現狀和《內河通航標準》（GB50139-2004）［3］關于通航河流過河建筑物間距的要求，沌口長江大橋橋位選定在已建成的白沙洲長江公路大橋上游約7 km及軍山大橋下游約9.2 km 處。從河道及航道條件來看，受河道兩岸控制節點的制約，工程所在河段河道岸線和平面形態均基本穩定，橋位遠離上游易變洲灘楊泗磯心灘，與下游白沙洲相距也較遠，橋位處斷面形態穩定，橋位北岸側沌南洲邊灘平面位置基本穩定；且從航道多年維護情況來看，沌口水道水深條件相對較好，自然條件下基本滿足本河段航道維護尺度要求，為長江中游相對優良水道之一，該橋位河段具備建設橋梁的河勢及航道條件。

2.2 通航凈空寬度確定

2.2.1 通航代表船型、船隊論證

根據交通部、水利部、國家經濟貿易委員會交水發［1998］659 號文《關于內河航道技術等級的批復》意見，重慶至武漢河段為Ⅰ級航道，按其航道條件，此段按I-（2）級航道考慮。

《內河通航標準》中對于天然河流I-（2）級航道，最大的通航船隊平面尺度為316 m×48.6 m×3.5 m（船隊長×船隊寬×吃水，下同）。因橋梁為永久性工程，船隊平面尺度對通航孔寬度起決定作用。從長遠考慮，選用《內河通航標準》規定的代表船隊平面尺度，即316.0 m×48.6 m×3.5 m 作為計算橋梁通航凈寬的代表船隊尺度。

根據交通部制定的《長江干線航道總體規劃綱要》［4］，2020 年本河段航道建設標準為3.7 m×150 m×1 000 m，保證率98%，可通航由3 000 t 級駁船組成的萬噸級船隊，利用航道自然水深通航3 000 t 級海船［4-5］，兼顧擬建橋梁中上游港口的規劃情況，選用5 000 t 級船舶為代表船型［6］。

2.2.2 通航凈空寬度計算

橋梁通航凈空寬度指滿足遠期規劃航道設計水深要求并能供代表船舶或船隊安全通過橋孔的最小凈空寬度。以下根據《內河通航標準》有關公式對擬選橋位通航凈空寬度進行計算。

2.2.2.1 單孔單向通航凈空寬度

B單= Bs+L·Sinβ+ΔBm+P+E

式中：B單為單向通航凈空寬度；Bs為船舶（隊）寬度，取48.6 m；L 為船舶（隊）長度，取316 m；β 為船舶（隊）航行漂角。按《內河通航標準》規定取6°。ΔBm為富裕寬度，在Ⅰ～Ⅲ級航道中，適用于長江干線航道的按0.6Bf（Bf=Bs+Lsinβ）計算；P 為因水流作用而導致船舶產生的橫向漂移量，稱為偏航距；E 為橋墩紊流寬度。在上述的有關公式中只需定出偏航距和橋墩紊流寬度值便可以得出單孔單向通航凈寬值。

根據橋區水流條件，偏航距值取79.4 m，橋墩紊流寬度E 值取46 m。由此可以計算得單孔單向凈寬為256 m［6］。

（1）單孔雙向通航凈空寬度。

B雙= 2Bf+b+ΔBm+P上+P下+E

式中：B雙為雙向通航凈空寬度；b 為上、下水船隊間的安全距離，取b=Bs；P上、P下分別為上、下水船隊的偏航距，P上=0.85P下。上述公式中偏航距P 值和橋墩紊流寬度E 值的取值和計算同單孔單向通航凈寬計算，計算單孔雙向通航凈空寬度為454 m［6］。

按照《內河通航標準》5.2.1 中第1 條規定“水上過河建筑物的布置不得影響和限制航道的通過能力。通航孔的布置應滿足過河建筑物所在河段雙向通航的要求”，本河段船舶眾多、通航繁忙，因此，本橋梁主通航孔按單孔雙向通航設計，主橋孔跨度應為各自的單孔雙向通航凈空寬度加主橋墩寬度，同時上述通航凈寬值是基于橋梁選址符合規范的有關規定前提下計算得出的，且為理論計算最小值，實際通航凈空寬度應綜合考慮橋位河段深泓擺動幅度、深槽變化范圍及橋墩紊流寬度增加等附加寬度［7］。

3 通航孔布置研究

3.1 通航孔布置原則

結合擬建橋梁所在河段的具體情況，本文提出沌口長江大橋通航橋孔布置應考慮以下因素：

（1）工程河段船舶眾多、通航繁忙，隨著航道條件的改善、航運的發展，為確保船舶通航安全并不限制今后通航能力的發展，擬建橋梁主通航孔至少應按單孔雙向通航考慮。

（2）主通航孔布置應與船舶習慣航線相適應，多年來，擬建橋址斷面窄深，水深條件較好，深槽位置總體偏南岸側［8］，但從深槽下游正對白沙洲洲頭，為滿足船舶通航要求，橋位河段航道偏靠北岸側布置（圖2），為覆蓋現行航道水域，主通航孔應適當偏靠北岸側布置。

圖2 工程局部水域涉水建筑物情況Fig.2 Wading buildings around the bridge

（3）目前，橋址下游有沌口架空過江電纜，其弧垂最低點位于河心偏南岸位置，在設計最高通航水位時通航凈空高度不足18 m，為了保障船舶與電纜的安全，航道部門在河心設有沌口過江電纜#1～#3 紅浮，以提醒過往船舶盡量避開該電纜的弧垂最低點，為保障船舶通過橋孔后能安全通過架空電纜，主通航孔布置應盡量避開架空過江電纜弧垂最低點。

（4）橋位河段南岸側存在江中礙航物，其中江中鳥駝石石堆位于橋位下游約580 m 處，石堆頂部為航行基準面上2.8 m，下游約1 370 m 處有民康號沉船殘骸，頂部約為航行基準面下4.4 m，為保障船舶通航安全，主通航孔布置應避開上述水域。

3.2 通航孔布置論證與分析

結合橋位河段河道及航道條件，設計部門提出采用主跨760 m 斜拉橋，橋跨布置為（100+275+760+275+100）m（橋跨布置見圖3）。該方案主跨通航凈寬為737.5 m，滿足設計代表船隊單孔雙向通航凈寬應不小于455 m 的要求；兩側邊孔通航凈寬為259.6 m，兩側輔助通航孔基本滿足設計代表船隊單孔單向通航凈寬要求。

圖3 擬建橋梁橋跨布置方案示意圖Fig.3 Bridge span layout scheme of Zhuankou Bridge

根據橋位河段航道演變分析，橋位處深槽偏靠南岸側（圖4），3.5 m 深槽寬度為780～950 m，3.5 m 深槽水域變化范圍約1 100 m，275+760+275（m）的橋跨布置基本可覆蓋橋位處3.5 m 深槽水域及變化范圍。

考慮橋位河段通航條件的影響，設計部門將主通航孔基本沿河心略偏靠北岸布置（圖4、圖5），從實測船舶航跡線情況看，枯水期水位較低，船舶基本均沿靠河心而行，760 m 跨度主通航孔可覆蓋上、下行船舶航跡帶，但中、高水期，隨著水位的升高，可通航水域范圍增大，船舶沿北岸邊緩流區而上行，760 m 主跨不能完全覆蓋上行船舶航跡帶，對上行船舶航行有一定影響，具體表現在：

（1）在洪水期主流區流速較大，大型船舶上行困難，需利用岸邊緩流區上行，靠北岸側水域是船舶通航的密集區，北邊墩的布置對該部分上行船舶航行有較大影響［9］；

圖4 橋址處航跡范圍示意圖Fig.4 Sketch of navigation track at bridge site

圖5 橋跨布置與航跡線適應性示意圖Fig.5 Suitability of bridge span and navigation track

（2）在中水期，隨著水位的退落和水流流速的減小，上行船舶逐步利用偏靠江中水域航行，在此過程中由于北主墩的設立可能會對上行船舶通航會有一定影響；

（3）由于北邊墩位于高岸上，中枯水期時北邊孔內滿足通航的水深寬度不足，不能有效滿足上行船舶通航要求。

基于以上情況，有必要對設計部門提出的橋墩或橋墩布置方案進行優化調整。

3.3 通航孔布置優化調整方案

3.3.1 通航孔布置優化調整思路

對于現主跨760 m 橋跨及橋墩布置方案對北岸側船舶航行存在的影響問題，本文初步提出如下3 種優化思路：

（1）加大主跨跨度，使北主墩位于上行船舶航行水域以外；

（2）橋型整體向北岸側平移，使北主墩盡可能不占用通航水域；

（3）橋型整體向南岸側平移，使洪水期上行船舶充分利用北側邊孔通航。

3.3.2 通航孔布置優化調整方案及可行性分析

（1）如采取加大主跨跨度，則主跨需加大200 m 左右，因為若橋跨加大幅度較小，北主墩或者北邊墩仍位于上行船舶航行水域以內，未完全解決橋墩布置對船舶航行的影響，但由于擬建沌口長江大橋按全程雙向八車道建設，主跨760 m 恒活載重量已達到目前同類橋梁世界紀錄，如果主跨加大至900～1 000 m，橋梁建設投資、技術成熟度均會受到限制。

（2）橋型整體向北岸側平移，根據船舶實際通航狀況，則橋型整體需向北岸側平移200 m，平移200 m 后北側輔助通航孔位于高岸上，無通航作用，該方案只有雙線通航能力，主通航孔基本覆蓋洪、中、枯水位期船舶上行航跡線，但實際上北主墩仍對洪水期上行船舶的通航存在一定威脅。另外，北移后的南主墩將位于現行通航水域內，對枯、中水位期下行船舶通航會構成較大影響；且南邊墩將移至南岸側深水區域，即便今后去除橋位下游鳥駝石、明康沉船及提高既有過江電纜弧垂最低點高程，由于南邊墩的布置，將導致南側深水區域徹底無法有效開發利用。

（3）橋型整體向南岸側平移，使洪水期上行船舶充分利用北側邊孔通航。首先考慮主通航孔水域應滿足設計代表船隊單孔雙向通航要求，兼顧船舶現行上行船舶航行習慣，在平均水位條件下（1985 國家高程基準19.10 m），北側邊孔內維持4.0 m 水深的水域寬度滿足設計代表船隊單孔單向通航256 m 要求，橋跨整體向南岸側平移50～70 m。根據橋區河段實測水流情況來看，當水位為21.30 m 時主通航孔內最大流速為1.91 m/s，北邊孔內最大流速為1.49 m/s；當水位為24.2～24.4 m 時主通航孔內最大流速為2.79 m/s，北邊孔內最大流速為1.9 m/s，在中高水位期，主通航孔內流速較大，船舶上行困難，北邊孔內水深及流速滿足上行船舶通航要求。當低水位時，比如水位為12.30 m 時，主通航孔內最大流速為0.96 m/s，大型船隊上行可利用主通航孔，北邊孔內維持4.0 m 水深的水域寬度為175 m，可滿足中小型船舶通航要求，該方案可滿足三線通航方案。另外，南移后的橋跨方案更好地覆蓋了橋位處南岸側深水區域，有利于今后南岸側水域的有效開發利用。

從投資經濟性、建橋技術成熟度、對航道資源的占用程度、對船舶通航影響等方面綜合考慮（表1），推薦采用橋型整體向南岸側平移50～70 m 的方案，經過設計部門的綜合研究，采用了本文提出的整體向南岸側平移70 m 的橋跨布置方案。

表1 通航孔布置優化調整方案綜合比選Tab.1 Comprehensive comparison of optimized programs of navigable span

4 相關建議

為避免船撞橋事故的發生，橋墩防撞標準的確定也十分重要，推薦優化調整后的橋跨布置北岸側邊孔具備本河段設計代表船隊單孔單向通航條件，相應防撞標準應與主橋墩防撞標準一致。

優化調整后的北側邊孔可作為大型船隊高洪水期上行通航孔，枯水期可作為中小船舶上行通航孔，建議針對北側輔助通航孔的開通專門予以信息發布，設置合適的通航期，并設置相應助航標志。另外，考慮到北側輔助通航孔位于沌南洲邊灘上，該邊灘河床在年際間仍有一定沖淤變化，當遇到特殊水文年，如1993 年，北邊孔內維持4 m 水深的水域寬度僅220 m，不能滿足工程河段設計代表船隊單向航寬要求，因此應加強橋區河段河床地形的觀測，以便及時采取相應措施。

［1］馮鵬程，陳毅明.武漢市四環線沌口長江公路大橋工程可行性研究報告［R］.武漢：中交第二公路勘察設計研究院有限公司，2011.

［2］岳紅艷，朱勇輝，王越，等.武漢長江楊泗磯采砂對局部河道的影響分析［J］.人民長江，2011（13）：76-78.YUE H Y，ZHU Y H，WANG Y，et al.Analysis of Influence of Sand Mining at Yangsiji on Local River Channel in Wuhan City［J］.Yangtze River，2011（13）：76-78.

［3］GB50139-2004，內河通航標準［S］.

［4］交規劃發［2009］35 號，長江干線航道總體規劃綱要［S］.

［5］交通部交規劃發［2003］2 號，長江干線航道發展規劃［S］.

［6］王志軍，李文全，李靚亮，等.武漢市四環線沌口長江公路大橋通航凈空尺度與技術要求論證研究報告［R］.武漢：長江航道規劃設計研究院，2012.

［7］JTJ287-2005，內河航道維護技術規范［S］.

［8］韓友平，許全喜，袁晶，等.武漢市四環線沌口長江公路大橋河床演變分析研究報告［R］.武漢：長江水利委員會長江水文局，2011.

［9］黃立文，范耀天，文元橋，等.武漢市四環線沌口長江公路大橋通航安全論證研究報告［R］.武漢：武漢理工大學，2012.