跨越通航內(nèi)河橋梁凈空尺寸選取探析

梁楠

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195）

1 引言

隨著我國交通建設(shè)的不斷發(fā)展，跨越有通航要求內(nèi)河的橋梁工程越來越多。由于橋梁工程的建設(shè)成本高，建成后不易擴建改建，所以在很多通航內(nèi)河中橋梁處成為影響河道水運發(fā)展的瓶頸。例如，在長江上早期建設(shè)的橋梁由于跨度計算偏小，隨著通航船舶流密度逐年增大已經(jīng)嚴重影響了長江船舶的通航，個別橋梁的橋墩甚至頻繁遭到船舶的碰撞。又如，南京長江大橋由于設(shè)計標高較低無法通航大型海船，對長江南京上游水運業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了負面影響[1]。由此可見，在設(shè)計階段充分考慮航道的規(guī)劃等級及通航船只要求，合理確定橋梁通航孔跨度和標高意義重大。

本文通過對廣西某高速公路項目跨越桂林市永福縣洛清江橋梁跨度及設(shè)計標高的計算過程，探討橋梁凈空尺寸的選取過程。

2 通航凈寬的選取

2.1 通航規(guī)劃

洛清江河道規(guī)劃為Ⅲ級航道、通航500 t級船隊、兼顧通航1 000 t級單船。本項目設(shè)計采用變高連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁一孔跨越航道。

2.2 通航船型、船隊的確定

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》船型尺度[2]，選取本橋梁通航設(shè)計代表船型見表1。

表1 通航設(shè)計代表船型

2.3 通航凈寬的選取

2.3.1 通航凈寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》5.2.2條規(guī)定，當(dāng)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，其通航凈空尺度應(yīng)符合下列規(guī)定：“天然和渠化河流上水上過河建筑物通航凈寬可按本標準附錄C的方法計算且不應(yīng)小于表5.2.2-1所列最小凈寬值。”根據(jù)橋梁設(shè)計代表船型及內(nèi)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。

表2 交角不大于5°情況下通航凈寬計算

正交情況下所需的通航孔柱內(nèi)緣凈寬根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》附錄C計算結(jié)果如表3所示。

表3 正交情況下通航凈寬計算成果

因此，選取96.78 m作為正交情況下的計算凈寬值。

2.3.2 橫流加寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》5.2.3規(guī)定，當(dāng)水上過河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角大于5°，且橫向流速大于0.3 m/s時，通航凈寬必須在本標準第5.2.2條規(guī)定的通航凈寬基礎(chǔ)上加大，增加值應(yīng)符合本標準附錄C的規(guī)定。當(dāng)水流橫向流速大于0.8 m/s時，應(yīng)一跨過河或在通航水域中不得設(shè)置墩柱。必要時，應(yīng)通過模擬試驗研究確定。本項目路線走向與河流流向夾角87°，不同時滿足橋軸線的法線方向與水流流向的交角大于5°且橫向流速大于0.3 m/s，因此，不考慮橫向流速的加寬。

2.3.3 斜交加寬

根據(jù)標準及實際通航要求，需進行斜交加寬。關(guān)于橋軸線法線與水流夾角加寬值的考慮，在不同的工程實踐中一般做法是加大橋梁通航孔的凈寬值，加大到垂直水流方向上的投影不小于等級航道標準要求的最小凈寬值。根據(jù)斜交時的幾何關(guān)系如圖1所示，斜交加寬可按式（1）計算：

式中，B′m2為斜交加寬后通航凈寬，m；Bm2為正交情況下通航凈寬，m；L為橋墩寬度，m；θ為橋梁軸線的法線方向與水流流向的交角，（°）。

圖1 通航孔橋柱內(nèi)緣凈寬示意

2.3.4 紊流加寬

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》5.2.4條規(guī)定，當(dāng)水上過河建筑物在墩柱附近可能出現(xiàn)礙航紊流時，其通航孔的凈寬應(yīng)在本標準第5.2.2條規(guī)定的通航凈寬基礎(chǔ)上加大，增加值宜通過模擬試驗研究確定。

橋墩紊流區(qū)是一個復(fù)雜的綜合水流結(jié)構(gòu)，包括橋墩迎水面向下水流和兩側(cè)繞流在床面附近形成的馬蹄形漩渦和橋墩兩側(cè)邊界層分離形成的尾流漩渦以及在墩兩側(cè)和墩后由床面附近釋放的小漩渦[3]。研究表明，在相同的流速下，隨著橋墩與水流的夾角增大，橋墩兩側(cè)紊流總寬度基本保持不變，而紊流區(qū)長度增大；在相同的角度下，隨著墩前水流流速的增大，橋墩紊流區(qū)寬度和長度均增大；在相同的流速和角度下，隨著橋墩尺寸的增加，橋墩紊流區(qū)參數(shù)均有所增大。另外，在其他條件不變時，橋墩紊流寬度隨著橋墩處水深的增大而增大；橋墩紊流寬度還與橋墩形狀有關(guān)，阻水作用越強，紊流寬度越大。上述研究成果說明，影響橋墩紊流總寬度的因素為墩前水流流速、橋墩附近水深、橋墩寬度以及橋墩形狀。

根據(jù)調(diào)研下游已建橋梁橋墩兩側(cè)紊流寬度情況，取值26.5 m。

本工程單孔雙向通航，綜合正交通航凈寬、橫流加寬、斜交加寬和紊流加寬，最小通航孔凈寬值為123.9 m。

3 通航凈高的選取

3.1 最高通航水位的選取

GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》的6.2.1條規(guī)定：不受潮汐影響和潮汐影響不明顯的河段，設(shè)計最高通航水位采用規(guī)定的各級洪水重現(xiàn)期的水位。橋梁所在河道航凈空尺度按照Ⅲ級航道建設(shè)，通航500 t級船隊、兼顧1 000 t級單船考慮，屬于山區(qū)型河流，且洛清江河段不受潮汐影響，因此，取10年一遇洪水重現(xiàn)期作為擬建橋梁最高通航水位。

根據(jù)上游水電站水文資料推得橋址10年一遇洪水時水位為133.95 m。

3.2 工程通航凈高的要求

根據(jù)GB 50139—2014《內(nèi)河通航標準》5.2.2條規(guī)定，擬建橋梁通航凈空尺度按照Ⅲ級航道建設(shè)，通航500 t級船隊、兼顧1 000 t級單船考慮，因此，Ⅲ級航道的通航凈高要求不小于10 m。

3.3 相關(guān)行業(yè)對通航凈高的要求

根據(jù)調(diào)查，在擬建橋梁橋區(qū)河段附近無大型工礦企業(yè)，如海軍、石油、水產(chǎn)、造船廠等工程和相應(yīng)配套的碼頭設(shè)施，因此，其他軍事、船舶工業(yè)等相關(guān)行業(yè)對本橋的通航凈空尺寸沒有特殊要求。

3.4 通航凈高的選取

結(jié)合各種工況，通航凈高選取為10 m。橋梁梁底最低標高應(yīng)大于設(shè)計最高通航水位133.95 m+1 000 t級單船航道的通航凈高10 m=143.95 m，才能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

根據(jù)計算通航凈空最低要求為123.9 m×10 m（凈寬×凈高），設(shè)計跨河主橋為70 m+130 m+70 m變高連續(xù)箱梁，采用130 m主跨一孔雙向通航，避免了航道中立墩對通航船只的影響。橋梁梁底最低設(shè)計標高應(yīng)大于143.95 m。

對洛青江上跨橋梁通航凈空的計算過程是一種滿足國家規(guī)范要求的有效計算方法，對類似項目起到了參考作用，也可作為初步設(shè)計階段預(yù)估橋梁規(guī)模的方法。但對于一些重要河道如長江、珠江等，還需進行更嚴格的實船實驗及數(shù)值模擬等手段，以保證橋區(qū)的船舶安全和快速通航。