內河跨航橋梁復雜環境下通航凈空尺度專項論證

孫劉林 郭永生 孫鵬程

摘要：內河跨航橋梁通航凈空尺度的確定，關系到所跨航道處船舶通行的安全性和水路交通的便利性。本文結合渦河航道青阜鐵路橋工程實際，對與上下游通航建筑物和彎道距離較近、闖坡限制橋梁凈高等復雜通航環境下內河跨航橋梁通航凈空尺度進行論證分析，并針對性提出了相應的解決方案，以期對類似跨航橋梁的通航凈空尺度確定提供借鑒參考。關鍵詞：內河航道;跨航橋梁;通航凈空尺度

中圖分類號：U611;U24文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0043-03

跨河橋梁屬于永久性建筑物，投資大、使用年限長，其通航凈空尺度設置過低不僅會限制其所跨越航道航運功能的發揮，甚至成為礙航建筑物，同時也會危及通過橋區水運船舶的通航安全及橋梁自身安全;通航凈空尺度設置過高則會增加非必要的工程投資和設計施工難度。[1]因此合理確定復雜通航水域橋梁的通航凈空尺度具有重要意義。

渦河航道青阜鐵路橋作為渦河航道（大寺閘至人淮口段）整治工程的一部分，因不滿足IV級航道通航凈空尺度要求需拆除重建。受青阜鐵路線兩側接線及渦陽站的控制，橋梁選址方案唯一，工程位于彎曲段航道處，且與上游橋梁間的安全距離不滿足規范要求，橋區段通航環境復雜。為此，本文結合渦河航道青阜鐵路橋工程實例，對該橋梁所需的通航凈空尺度進行論證研究。

1工程概況

1.1跨航橋梁概況

青阜鐵路橋位于渦陽縣城東部，渦陽閘～蒙城閘之間，距上游渦陽船閘約4.4km，項目改建起點位于青阜線K67+300處，線路自改建起點以R-1800m的曲線偏離既有線開始雙線繞行，在既有青阜線下行線東側30m間距處跨越渦河航道。橋梁采用簡支鋼桁梁結構，樁基礎，雙線圓端型實體橋墩，T型橋臺。

1.2航道概況

擬建橋梁位于渦河航道（大寺閘至入淮口段），該段航道于2018年開始進行航道整治工程，航道全線185.67km按天然及渠化河流IV級雙線標準實施，航道底寬50m、最小通航水深3.2m、最小彎曲半徑330m。

1.3設計代表船型

設計代表船型主要參照《內河通航標準》、交通運輸部《內河過閘運輸船舶標準船型主尺度系列第二部分：京杭運河、淮河水系》和已批復的《渦河航道（大寺閘至入淮口段）整治工程施工圖設計》，確定本次研究的設計代表船型及船隊如下：

500t級貨船：44×8.8×2.3m（長×寬×設計吃水，下同）;

1拖6×500噸級拖帶船隊：275×8.8×2.3m;

1頂2×500噸級頂推船隊：111×10.8×1.6m。

1.4設計通航水位

設計最高通航水位：工程位于渦陽閘至蒙城閘之間，上距渦陽閘約4.4km，下距蒙城閘約43.6km，渦陽閘閘下最高通航水位取10年一遇洪水位為28.56m，蒙城閘閘上最高通航水位取10年一遇洪水位為26.05m，通過內插計算，工程位置處設計最高通航水位為28.33m（10年一遇洪水位）。

設計最低通航水位：工程位置處設計最低通航水位取渦陽閘閘下～蒙城閘閘上設計最低通航水位為22.39m（95%保證率水位）。

2工程通航環境分析

工程位置處通航環境的復雜性主要體現在以下四個方面：

（1）工程距上游在建S245渦河大橋之間的軸線距離約700m，《內河通航標準》中規定四級航道兩座相鄰跨河橋梁最小軸線間距不應小于代表船隊長度與代表船隊下行5min航程之和，按照8km/h的船舶航速計算，軸線間距要求L=2.2×60×5+275=935m>700m。擬建工程受青阜鐵路線兩側接線及渦陽站的控制，選址方案唯一，只能采取加大通航跨徑的措施以滿足船舶航行安全要求。

（2）工程處于連續彎曲段航道處，距上下游彎道節點的距離均不滿足安全距離要求，橋梁軸線與水流方向之間的夾角為7.23°，橋位處船舶航行所受到的限制性因素較多。

（3）受彎曲段航道水流流速、流向、流態的制約，橋墩處（尤其是北岸5#橋墩）紊流影響較大，進一步加劇了工程航道的通航復雜性。

（4）由于既有橋梁下行線存在150m7.6‰的坡度，為了滿足規范規定最小坡段長度要求，改造后的上行線若設計通航凈高標準過大則會存在闖坡現象，惡化鐵路橋的運營環境。

3通航凈空尺度論證

3.1通航凈空高度論證

3.1.1通航凈空高度標準

航道整治過程中的礙航橋梁改造數量多、任務重、投資大，且隨著通航凈高的增加，也存在技術難度加大、投資增加、占地增加等問題。從項目業主的角度而言，在保證船舶航行安全的前提下，通航凈高控制在能夠減小的最低程度最好;從航道、海事主管部門的角度而言，跨航橋梁的通航凈高應符合現行國家技術標準，滿足船舶的安全通航需求，并留有一定的富裕高度。因此，合理確定通航凈寬高度的論證標準至關重要。

2015年《航道法》實施以來，安徽省除蕪申運河外，內河航道橋梁凈高均按照《內河通航標準》執行。渦河航道全段226.4km規劃為IV級航道，IV級航道橋梁通航凈高不應小于8m。

交通運輸部2011年發布的《運河通航標準》中提出了運河水上過河建筑物凈高分長江三角洲地區（此時安徽省尚未納入長三角）和其他地區，長三角地區II～IV級航道通航凈高標準為7m，與《內河通航標準》存在明顯差異。江蘇、浙江和上海其他IV級及以上的航道均參照該標準執行。

安徽省目前已全域納入長三角區域，全省高等級航道均直接或間接與滬蘇浙地區相通，航道條件、功能和船型相似度高，[2]為全面融入長三角港航一體化發展，省內也提出了對納入省干線航道網規劃的航道（不含一級航道），按不小于7米（通航凈寬范圍內）控制的新要求。因此，擬建工程通航凈空高度按照不小于7m進行控制。

3.1.2船型與通航凈高的適應性分析

近期渦河航道過往船舶以500～1000噸級為主，根據安徽省境內近20000艘次貨船的統計數據[3]分析（詳見表1），在船舶滿載情況下，貨船吃水線以上高度小于7m的船舶占比為99.91%;空載情況下貨船吃水下以上高度小于7m的船舶占比為98.73%，少量超高船舶通過倒桅、收放天線等措施后空載干舷高度均能達到7m以下，本段航道橋梁的通航凈高控制為不小于7m，基本上能夠滿足現狀船舶的航行需求。

3.2通航凈空寬度論證

3.2.1正交情況下通航凈寬計算

《內河通航標準》附錄C.0.1：天然和渠化河流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，通航凈寬可按下列公式計算：

B=B+ΔB+P（1）

B=2B+b+ΔB+P+P（2）

B=B+Lsinβ（3）

式中：

B—單孔單向通航凈寬（m）;

B—單孔雙向通航凈寬（m）;

B—船舶或船隊航跡帶寬度（m）;

ΔB—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;

P—下行船舶或船隊偏航距（m）;

P—上行船舶或船隊偏航距（m）;

b—上下行船舶或船隊會船時的安全距離（m）;

B—船舶或船隊寬度（m）;

L—頂推船隊或貨船長度（m）;

β—船舶或船隊航行漂角（°）。

根據設計代表船型和內河通航凈寬的計算公式，交角不大于5°情況下通航凈寬計算見表2。

綜合考慮《內河通航標準》第5.2.2條，IV級航道水上過河建筑物雙向通航孔通航凈寬不應小于90m，結合表1計算結果，正交情況下的計算凈寬值取96.80m。

3.2.2斜交加寬

擬建橋梁軸線法線方向與水流流向交角最大約為7.23。，根據斜交幾何關系，橋梁通航孔內緣凈寬計算簡圖如圖1所示。

斜交時橋墩內緣凈寬計算公式為：

B=（B+L÷sinθ）/cosθ（4）

L取橋梁5、6平均墩柱長度18.0m進行計算，斜交時橋墩內緣凈寬為：（96.80+18.0×sin7.23°）/cos7.23°=99.86m，斜交加寬值為3.06m。

3.2.3橫向流速加寬

橋軸線法線方向與水流流向交角最大約為7.23°，橫向流速最大值為0.35m/s，根據《內河通航標準》表C.0.3內插計算本橋單向橫向流速加寬為7.5m，雙向橫向流速加寬為15m。

3.2.4紊流加寬

根據《內河通航標準》第5.2.4條，“當水上過河建筑物的墩柱附近可能出現礙航紊流時，其通航孔的凈寬可在本標準第5.2.2條規定的通航凈寬基礎上加大，增加值宜通過模擬實驗研究確定。”

對于上述要求，在沒有條件進行模擬實驗研究的前提下，可參照《長江干線通航標準》C.0.3中的算式確定因水上過河建筑物墩柱附近紊流的影響通航凈寬的增加值。[4]

E=0.88KVbh（5）

式中：

K—與橋墩形狀相關的系數，（s/m）;

V—墩前水流流速（m/s）;

b—墩形計算寬度（m）;

h—橋墩附近水深（m）;

E—橋墩紊流寬度（m）。

對于圓柱墩和片狀墩：K=1.0，b=橋墩寬度;

對于圓頭墩：K=0.8，b=（墩長-墩寬）×sinα+墩寬;

對于尖頭墩：K=0.66，b=（墩長-墩寬）×sinα+墩寬;

對于方頭墩：K=1.2，b=2×（墩長×sinα+墩寬×cosα）;

注：α為橋軸線法線方向與水流方向的夾角。

結合本橋橋跨及橋墩布置方案，橋墩墩柱近似圓頭墩，尺寸分別為15×4m（墩長×墩寬），K=0.8，b=（15-4）×sin7.23°+4=5.38m。選取5#、6#橋墩為特征采樣點，測量水流參數計算紊流加寬值，計算結果見表3所示。取5、6橋墩處水流特征值計算的紊流加寬值5.56+3.84=9.4m為本橋的紊流加寬值。

3.2.5設計通航凈寬論證

根據上述計算，在考慮正交情況下通航凈寬、斜交加寬、橫向流速加寬、紊流加寬等條件后本橋要求的最小通航凈寬為：

96.80+3.06+15+9.4=124.26m。

擬建橋梁鋼桁架全長130m，通航孔跨徑為128m，在考慮橋梁兩側各1.5m防撞設施寬度的前提下，能夠滿足天然和渠化河流IV級航道計算通航凈寬124.26m的要求。

4結論

內河航道與航道橋梁之間的關系緊密，確定合理的通航凈空尺度，使跨河橋梁的工程投資和船舶通航安全之間的平衡能夠達到最佳的效果，對橋梁通航凈空尺度設計具有重要的參考意義。

參考文獻：

[1]陳愛云.復雜水域橋梁通航凈空尺度研究[J].中國水運.2017，17（6）：59-60.

[2]慈紅武.安徽N級及以上航道橋梁通航凈高尺度研究[J].中國港口.2021，（6）：52-53.

[3]尤興濤，姜玉波.南淝河航道（合肥新港-312國道）段橋梁通航凈高專項研究[J].工程與建設.202034（4）：588-590.

[4]劉質偉.橋梁通航孔通航凈寬設計分析[J].中國水運.2019，19（3）：169-170，173.