跨河橋梁間距的合理性研究

■顏 毅 ■林同棪(重慶)國際工程技術(shù)有限公司，重慶 401121

隨著我國航運的發(fā)展，水上事故也越來越頻繁，除了船只駕駛員自身的主觀因素外，最重要的就是河流上修建的阻礙船只通行的建筑物，特別是跨河橋梁的修建會改變通航的水流條件，增加駕駛船只的難度，很容易引發(fā)船只撞橋梁的事故，因此，對于設(shè)計人員來說，合理布置跨河橋梁的間距就顯得至關(guān)重要，本文即是針對此種情況，研究跨河橋梁間距的合理性，減小船只通航的隱患。對于分析跨河橋梁間距的合理性研究，一般來說采取數(shù)值模擬計算、船舶航行模擬和大尺度物理模型［1－2］等方法來確定跨河橋梁的合理間距。此外，在選擇橋梁地址和類型方面也是至關(guān)重要的，由于位置和類型選擇的不恰當(dāng)造成日后運營的問題的案例也是常有的，所以橋梁位置的選擇一定要充分保障下方通航船只的安全。Kristlansen，Svein，Rensvik等［3］使用水力學(xué)的幾何相似模型確定了橋梁位置選取，并對橋墩的間距進(jìn)行了合理的布置。Januszewski，Jacek［4］指出，在考慮通航條件下對橋梁間距的合理布置需要利用河流分叉的運行機理，注重了解道路模板的設(shè)計需要、對橋梁位置的具體調(diào)研、充分利用地貌指示器，并且在這個過程中需要對各個學(xué)科進(jìn)行交叉運用。目前，橋梁的選址主要存在三個問題［5］:(1)有關(guān)部門對通航理解不到位，前期介入少;(2)建設(shè)方考慮道路走線的唯一性，對航道通行考慮少;(3)一般不會考慮對橋梁間距進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計。文章采用船舶數(shù)值模型和二維水流數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行觀測研究，分析不同間距下航道的流場情況、泥沙淤積情況。為橋梁間距合理性的設(shè)計提供相應(yīng)的佐證。

1 數(shù)學(xué)模型建立

本文采用二維水流數(shù)學(xué)模型建立船舶運動模型，系統(tǒng)的模擬建橋?qū)Υ煌ê降挠绊憽Ｓ捎谔烊缓拥缽澢嬎愕倪吔鐥l件起伏大，本文采用的是Willemse推導(dǎo)的正交曲線坐標(biāo)方程:

模型中水流ξ方向和η方向的動量方程如下:

則表示為紊動效應(yīng)與流速摩擦阻力之間的比值;

2 計算結(jié)果及分析

2.1 水流與橋梁間距的關(guān)系

計算模擬的結(jié)果表明，在水流流速方向與橋梁軸線不同交角的情況下，當(dāng)水流流速一定時，隨著流速與軸線交角的增大，船只的最大漂角和船只的最大旋轉(zhuǎn)舵角在總體上呈上升的趨勢;而當(dāng)水流流速方向與橋梁軸線交角一定時，隨著流速的增加，總體上最大漂角稍微有增加，但增加幅度并不大，而最大舵角變化很小，幾乎可以忽略不計。

2.2 泥沙淤積與橋梁間距的關(guān)系

橋梁間距對泥沙淤積的影響主要從三個方面來進(jìn)行說明，分別是卵石河床的沖淤情況、淺灘的沖淤變化和河床局部地區(qū)淤積情況。

卵石河床的沖淤規(guī)律。一般情況下，位于狹窄河段下游的卵石淺灘或彎曲過渡段的卵石淺灘，在汛期往往因上游有卵石輸入而形成淺區(qū)淤積，汛后中水期因過水?dāng)嗝婷娣e減小，流速與比降增大而發(fā)生沖刷，汛后淤積;卵石邊灘的沖淤變化，則屬汛期淤積，汛后沖刷，橋梁間距的不同對其影響不大。

淺灘的沖淤變化。河床的淺灘是相對于滿足通航而言的。淺灘河床總體來說相對穩(wěn)定，在洪水期水位上升時，比較趨緩，流速減少，河床產(chǎn)生卵石或中粗砂淤積;汛后退水時間河床產(chǎn)生沖刷。當(dāng)退水過程較快，汛期河床淤積來不及沖刷，或退水流量較小，河床沖刷不充分，該段就要出現(xiàn)比平均河床高程還要高的淤積部位，即出現(xiàn)礙航的淺灘。這是上述四類淺灘的共性。隨著各淺灘河段的平面形態(tài)、枯水期水流泥沙運動特性以及河床地貌特征的不同，各淺灘的沖淤變化也不同，這就是特殊性。

橋梁間距大的時候流速較大，水面比降較陡，水流挾沙力有富余，中細(xì)砂在懸移質(zhì)泥沙中只作為沖瀉質(zhì)向下游輸移，不參與造床作用。當(dāng)橋梁間距較小時，整個流場流速分布改變常出現(xiàn)緩流乃至回流，加之此時懸移質(zhì)含沙量大，中細(xì)砂發(fā)生大量落淤。

3 結(jié)論

本文對跨河橋梁間距的合理性選擇進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，不同間距下，對船只的通航和河床的泥沙淤積均有影響，所以在進(jìn)行橋梁修建時，應(yīng)該根據(jù)實際情況，因地制宜的對橋梁的間距進(jìn)行合理性選擇。

［1］Degre，T.(IRT，Arcueil，F(xiàn)r)and Lefevre，X.MICRO － COMPUTERIZED MARITIME TRAFFIC SIMULATOR.Springer－ Verlag，1985.pp 233－241.

［2］Kumar，J.Muneendra.GPS surveyed time － invariant sea floor depths for safe navigation.Proceedings of MTS/IEEE OCEANS.Proceedings of MTS/IEEE OCEANS.2005.v 2005.

［3］Kristlansen，Svein and Rensvik，Egil and Mathisen，Lars.Integrated total control of the bridge.Transactions－ Society of Naval Architects and Marine Engineers.1989.v 97.pp 279 －297.

［4］Januszewski，Jacek.Geometry and visibility of satellite navigation systems in restricted area.Proceedings of the Institute of Navigation.National Technical Meeting.Proceedings of the Institute of Navigation.2005 National Technical Meeting.NTM 2005.2005.pp 827 －839.

［5］Hutchison，Bruce L.and Gray，David L.and Mathai，Thomas;Barr，Roderick A.and Hensen，Henk and Landsburg，Alexander C.，”Maneuvering simulations － An application to waterway navigability”，Transactions－ Society of Naval Architects and Marine Engineers，v 111，2003，pp 485－515.