非优良建桥河段通航论证

李华奎，程小兵，李旺生

（1.吉林省航道管理局，吉林132000；2.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

随着国民经济的快速发展，我国的交通现代化建设取得了重大进展，连接通航河流两岸交通网的跨江大桥数量也在飞速增长。然而，跨江大桥数量的增加不可避免地会对通航河流的航运业产生影响。能够完全满足建桥要求的天然河段十分有限的，有的桥梁不得不建在不满足选址要求的河道上。在非优良建桥河段建桥，如何确保桥梁建设不对河道通航造成不良影响，是非常具有现实意义的工作。

1 建桥对通航影响及其经验教训

1.1 桥址选择对通航的影响

若桥址处在汊道、弯道、汇流口及河势不稳定段，会给船舶航行和桥梁安全带来威胁，加重航道维护的难度。如已建的重庆白沙沱大桥、荆州长江大桥、武汉白沙洲长江大桥、武汉长江大桥、黄石长江大桥及沅水桃源大桥等。

桥址选择不当对通航的影响主要表现在以下2个方面。

（1）桥梁轴线与航道主流线夹角不当。如重庆白沙沱长江铁路桥，该桥建在峡谷出口，桥轴线与主流线非正交，且桥位上右岸有一石梁坝伸入长江中，中洪水期有明显挑流作用，导致桥区水流条件差，严重影响通航。自1959年建桥至今，发生大小船舶撞桥事件100多起。黄石长江公路大桥桥址位于戴家洲分汊河段的下游，黄石弯道顶部的上端，洪枯水流向不一，枯水主流傍岸，洪水居中，加之该处水流流速大、曲度大，航效差，船舶在该处过桥困难。大桥1995年12月建成通车至今发生20多起船舶撞桥事故。

（2）桥址选在河势不稳定段影响通航。武汉白沙洲长江大桥建于武汉长江大桥上游的白沙洲，该处为变化频繁的分汊河段上，桥轴线穿过白沙洲左侧不稳定的心滩，给航道维护带来很大困难。1999年1月初，建设中的白沙洲大桥因为淤积问题造成主通航孔船舶航行困难。武汉长江大桥亦因为淤积问题影响通航安全，该桥位于支流汉江入汇的上方，1957年建成通车后，每年汛后几乎都在桥位上游左侧汉阳一岸形成汉阳边滩，并在枯水中后期向河心扩展，对船舶航行和桥梁安全均构成极大威胁。至1995年7月，武汉长江大桥仅5号桥墩已被撞击66次［1］，受损非常严重。

1.2 桥梁净空对通航的影响

内河通航标准中，桥梁净空包括桥梁净高和桥梁净宽。桥梁的设计净空高度一般以当地设计最高洪水作为计算基准，桥梁的通航净高与水位有关，枯水期净空高，洪水期净空低。以长江为例［2］，武汉长江大桥以上的桥梁净高是依据《内河通航标准》（GBJ139-90）中的I级（2）类航道标准考虑的，均大于18 m；武汉长江大桥以下至南京长江大桥的桥梁净空是依据《内河通航标准》（GBJ139-90）中的I级（1）类航道标准考虑的，基本达到24 m。在一定的通航水位下，能通过南京以上大桥的海船，首先就过不了南京大桥。长江下游大桥净空普遍偏低，影响长江黄金水道的水运发展，南京长江大桥尤为突出。标准中规定桥梁通航净宽指在建桥优良河段上桥梁的通航孔宽度，在非优良河段上，还补充规定了对通航孔宽度进行调整的计算方法。由于通航孔净宽不够而影响航道通航的例子也不鲜见，通航净宽不够更多的是限制了航道的通航船队尺度，影响航道的运输能力。

1.3 桥梁墩孔布设及桥墩形状对通航的影响

在通航河流上建设桥梁，桥墩的位置及形状直接影响河道的演变及水流条件。不同的河段，墩孔布设和墩形设计有不同的要求，对于不同河段的边界条件和水流条件，需找出与之相适应的墩孔布置形势及桥墩形状，以减小桥墩对河道水流的影响。

在跨河桥梁的设计中，一跨过江的桥梁，在满足通航净高要求的情况下，对通航没有影响。在水中布有桥墩的桥梁，只要安排布置合理，也基本不对通航造成影响，如在通航水域基本不布设或较少布设桥墩；主跨度大且基本覆盖稳定深槽；桥梁轴线法线方向与水流夹角小于5°；采用分水导流性能好的半圆形或椭圆形桥墩形状等。

桥墩对通航造成严重影响的主要情况是通航净宽小、墩位多、缩小过水面积大；在深槽中布置墩位；桥墩形状分水导流性能差，桥区壅水严重。如沅水桃源大桥桥位选在急流滩险跑马滩出口，横跨右侧双洲和左侧无名洲的洲头，该桥设计了两孔通航，跨径各100 m，净数值满足IV级航道通航标准，但两跨中间的6号桥墩却布置在跑马滩口枯水狭窄航槽的中心，再加上该桥桥轴线法线方向与中枯水流向偏角为25°，给船舶安全航行带来严重影响。1998年11月～1999年4月桥区发生7起海损事故，其中4次是撞6号桥墩，1次撞5号桥墩。武汉长江大桥的汉阳边滩出现影响通航问题亦与该桥在江中布置了8个桥墩、壅水作用明显的情况不无关系。黄石长江公路大桥主桥墩采用双层薄壁长方形，水位越高，水流流速越大，水流绕流角就越大，通航孔的流态就越差，而且水流绕角越大，通航孔内的安全航行水域就越窄，船舶航行的安全系数就越小。广西红水河上的天峨龙滩大桥，将2号桥墩建在红水河龙滩中洪水期的航道中心线上，加之2号桥墩断面形式为中空的双矩形，中空部分的急流对过往船舶产生强烈的吸引作用，致使船舶在过往2号桥墩时极易被吸而与之相撞。

2 桥区通航安全的主要影响要素

影响通航安全的要素很多，可分为自然环境因素、人工环境因素和交通环境因素，其中包括水文、气象、航道、航标配布、交通状况等航行条件。已有研究认为，流、风、水深、航道及通航孔宽度、能见度、航道弯曲度、交通强度、交通构成复杂度、助航标志、通航孔净高、碍航物及两桥间距等是影响航道通航安全的关键因素［3］。其中最重要的是水流情况，其次是风、水深和航道宽度及通航孔净宽。这些也是桥区通航论证应该考虑的重点。

2.1 桥区水流对通航的影响

在建桥河段，桥墩和桥台入水使整个河槽过水断面减小，桥墩处因上方水流不畅而产生壅水现象，使桥孔内及其出口处出现较大流速。桥梁轴线法线方向与水流交角的大小亦影响船舶过桥时的航行安全。交角越小，对过船越有利。当存在交角时，在主流的分量具有横流的成分，在横流的作用下，船舶将发生偏移。

总结已建桥梁的成败，桥区水流对通航安全的影响主要表现在流速、流向、和非正常流3个方面。因此，评判水流对通航的影响亦从这3个方面入手，3个因素最后可归结为一个判别指标，即桥区横流对通航的影响。横流对行船的影响体现在船舶（队）随流飘移，偏失船位，而局部横流作用则导致船体局部受到冲压，除使船舶（队）随流漂移外，更主要的是发生偏转而造成危害。

2.2 桥区常风对通航的影响

内河船舶具有吃水浅、稳定性差、抗风能力差的特点，风的影响不容忽视。在桥区航道宽度有着严格的限制，大风导致的船位偏移，增加了船队在通过大桥时碰撞桥墩的风险。因此，在进行墩位布置设计及桥区通航安全评估时，风是个重要的因素。

对于干舷和上层建筑较高的航行船舶，风对其通航安全有明显影响，风对船舶航行安全影响程度和船舶受风面积及风动力中心位置、干舷高度与吃水之比、风级及风舷角大小等有密切关系。风力越大，船舶产生倾斜、漂移、偏转的程度就越大。

2.3 桥区水深对通航的影响

船舶在浅区航行，水流阻力增大，主机负荷增加，功率下降，吃水增值增大，产生船尾纵倾，船舶操控性能变差。研究表明，当水深与船舶吃水深度之比H/d≤4时，水深开始影响船舶航行性能。当船底剩余水深很小，即H/d在1.2～1.5时，船舶以速度V=gH（g为自由加速度）航行时［4］，船舶有擦浅或搁浅的可能。

2.4 航道及通航孔宽度对通航的影响

航道宽度直接约束船舶的横向活动范围。有关学者为研究航道宽度对航行安全的影响［5-6］，对一定长度、不同宽度的航道上发生的事故进行了统计分析，结果表明，航道宽度和事故数或事故百分比之间存在着密切关系，对非桥区航段和桥区航段的水上交通事故进行统计分析也发现了相同规律。因此，按照内河通航标准要求，尽可能加大通航孔宽度是保证桥区船舶安全航行的有效手段。

2.5 航道弯曲度对通航安全的影响

与顺直河段相比，弯曲河段河槽水势比较复杂，航道弯曲和水势扫弯是造成船舶通行困难的主要因素。大桥不宜建在弯道处，但出于多种原因，不少大桥都建在弯道处。船舶通过弯曲航道时，弯曲度不能过大，以免触岸搁浅。根据航行经验，最小弯曲半径除与船长有关外，还应考虑流速、流态、航道情况等因素。在进行桥区通航安全评估时，根据以往航行经验及船模实验经验，选取船舶通过大桥所需累计转舵角度，作为航道安全评估的一个判别指标。

3 松陶铁路第二松花江特大桥通航论证

拟建松陶铁路（松原至陶赖昭铁路）第二松花江特大桥位于第二松花江的下游河段，即五棵树至三岔河口段，属典型平原河流，其水上距离下游松原市第一松花江大桥18.1 km。桥位及其上游河段现状航道尺度达到国家Ⅵ级标准，该段航道每年4月中旬至11月中旬为通航期。

3.1 桥区河段演变分析

从平面形态看，桥区所处河段属于典型的散乱、分汊型河道。该河段自拟建大桥上游3.06 km左右处分为左、右2个汊道，其中左汊在拟建大桥下游2.3 km左右处又分为左右2个支汊，右支汊与右汊在高通岛中部汇合后继续向下游绵延，深泓线处于左汊内，属于通航汊道。左汊自从河道上游分为左右两汊后，河道内靠近岸边就交错连续分布了3个小型江心洲滩，使该段河道在此区间内形成3个急弯，弯曲半径分别为350 m、350 m、410 m。随着弯道作用，河道深泓线也在左、右岸相互交错摆动［7］。

通过桥区河段历史及近期演变调查分析，对拟建桥河段有以下认识。

（1）桥区河段为多汊河型，左汊为发育的一汊，是通航主汊；右汊为支汊，是衰退的一汊。本河段洪水期水流取直，河床过水面积增大，流速减小，泥沙落淤；枯水期水流归槽，流速加大，河床冲刷。洪枯水交替作用使得拟建桥位处河床不稳定。

（2）桥区河段悬移质含沙量几乎全部来自沿程河床补给，由于洪峰持续时间较短，而且集中于汛期，洪水期该段河道以淤积为主，枯水期河道以冲刷为主。

（3）河道内的采砂活动改变了局部河段的河床形态和水流运动特征，增大了泥沙的补给，对该河段洲滩的演变和汊道兴衰发展起着重要作用。

（4）河段内河床质组成及岸滩覆盖层抗冲性能较差，岸线稳固措施较少，洲滩和汊道的平面变形幅度较大。

（5）目前的通航主汊（左汊）相对稳定，拟建桥位上下航道条件相对较好，处在发展的相对较好时期，但该汊航道尚未全线达到Ⅳ级航道标准，还需进行航道治理。

3.2 桥位方案选择的通航要求论证

结合前文关于桥位选择对通航影响分析，对松陶铁路第二松花江大桥桥位选择作出如下判断。

（1）拟建桥位位于散乱、分汊型河道内，河床极易发生变迁，为保证航道的通航条件，一方面必须采取工程措施稳定航道，另一方面可以采取多孔通航的方式达到通航孔的设计要求，而且在通航孔的设计布置时必须采取航行安全措施；

（2）桥址方案在与滩险、弯道方面的距离不符合标准要求，但可以采用一定的整治措施改善河道，使其满足建桥条件。

3.3 通航净空尺度论证

3.3.1 通航水位的计算方法和成果

通航水位的推求以扶余水文站（位于拟建大桥下游17.5 km处）为基本站，采用畅流期（即春季开江流冰结束至秋季封江流冰开始）水位来确定通航水位，水位、流量采用1988～2008年水文资料。设计最高通航水位重现期为10 a；设计最低通航水位采用多年历时保证率法，保证率取95%以上。扶余水文站最高通航水位为134.171 m，最低通航水位为129.537 m，通过推求得桥区最高通航水位（H10%）为136.26 m，最低通航水位（H95%）为 131.759 m。

3.3.2 通航净空方案

根据《内河通航标准》［8］水上过河建筑物通航净空尺度的规定，以及二松船队的船型和航道等级，确定拟建松陶铁路第二松花江特大桥通航孔净高不得小于8.0 m；单向通航孔净宽不得小于50 m，双向通航孔净宽不得小于100 m；通航孔侧高不得小于5 m；计算得出拟建大桥桥梁采用单孔单向通航孔上底宽不得小于57.4 m。

由于桥位河道受上、下游分汊河道河势变化的影响较大，边滩、深槽及洲滩呈不稳定状态，而且桥位现状下的航道走向与桥轴线的法线方向交角大于5°，通过计算桥位处水流横向最大流速为0.32 m/s，为便于船舶安全航行，通航孔净宽应适当放宽。

通过计算，桥区河段航道采用单孔单向通航净宽不应小于70 m，采用单孔双向通航净宽不小于128 m。

根据设计单位桥址方案中提出的4跨通航孔宽80 m的桥梁布置方案，确定拟建大桥的通航方式选择两孔单向通航，单向通航孔净宽不应小于70 m，并根据河道的演变趋势适当预留通航孔。

3.4 通航孔数、布置和通航净宽方案

根据第二松花江航运现状，考虑未来航运发展，拟建松陶铁路第二松花江特大桥不但要满足现状下航道通航的需要，而且要适应该段河道易变的特点，在通航河道多预留通航孔。通航桥孔具体布置方案为：

（1）桥区河段左汊为通航主汊道，由于近年来松花江来水量比较稳定，左汊发育良好，平均水深在1.8 m以上，河床也比较稳定。但由于没有固岸措施，不排除以后受洪水和人工采砂的影响，河床变形，所以确定大桥通航孔覆盖范围不应小于320 m。

（2）通过桥区河段河演分析，结合设计单位提出的4跨通航孔宽80 m的桥梁跨度方案，通过桥梁通航净空尺度论证得出：拟建大桥单向通航孔净宽不得小于70 m，净高不得小于8.0 m、侧高不得小于5.0 m，顶宽不得小于57.4 m。通航方式选择两孔单向通航，其他两孔作为预留通航孔。

（3）桥位河道河床稳定性较差，考虑到今后航道位置可能会发生一定的变化，设计单位要在大桥初步设计阶段，同航道主管部门协商解决桥位河段的河床稳定问题，通过采取适当的工程措施稳定河床以尽可能保证航槽的稳定。

3.5 对松陶铁路第二松花江大桥建设的建议

（1）为稳定桥位河道河势，尽可能保证大桥不影响以后航道通航，必须采取相应的岸滩稳定工程措施，具体方案应由航道主管部门和大桥设计单位在施工图设计时共同协商确定，或委托具有相应资质的设计部门进行分项设计。

（2）大桥建成后，应加强对桥位河道观测工作，尤其要注意对洪汛期水流造床作用、河道水面壅高、河势变化情况进行观测和分析，必要时采取补救措施保证桥区通航安全。

4 结语

在跨河大桥数量不断增加的同时，大型内河船舶（队）及单船航行也愈来愈频繁，通航船舶流密度正逐年增大。在今后的跨河桥梁建设论证中，应更加注重总结跨河桥梁的建设经验，分析研究大桥可能对桥区通航环境造成的影响，充分考虑各影响因素，为桥梁设计和建设单位提供合理建议，确保船舶通航安全和桥梁安全，达到“南北、东西两条通道”均畅通无阻，防止桥梁建设后影响航道通航。

［1］戴彤宇，聂武，刘伟力.长江干线船撞桥事故分析［J］.中国航海，2002，4（53）：44-47.DAI T Y，NIE W，LIU W L.The Analysis of Ship-Bridge Collision in Main Waterway of the Yangtze River［J］.Navigation of China，2002，4（53）：44-47.

［2］长江航道规划设计院.南京过江通道跨江桥梁及过江隧道通航净空尺度和技术要求论证研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计院，2005.

［3］庄元.桥梁通航论证关键技术研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

［4］齐传新.内河船舶运输安全学［M］.大连：大连海运学院出版社，1991.

［5］陈明栋，王多银.探讨跨江桥梁通航净空尺度和通航安全保障措施［J］.水运工程，2001（4）：42-43.CHEN M D，WANG D Y.An Approach to the Navigable Clearance Dimensions and Navigation Safety Guarantee Measures for Crossing-River Bridge［J］.Port&Waterway Engineering，2001（4）：42-43.

［6］沈小雄，胡旭跃.航道边线与桥墩之间安全距离的研究［J］.水运工程，2004（11）：85-87.SHEN X X，HU X Y.Safe Distance Between Channel Sideline and Bridge Pier［J］.Port&Waterway Engineering，2004（11）：85-87.

［7］李华奎.松原至陶赖昭铁路第二松花江特大桥通航净空尺度和技术要求论证研究报告［R］.吉林：吉林省航道局，2009.

［8］GB50139-2004，内河通航标准［S］.