武汉沌口长江公路大桥通航孔布置方案研究

李靓亮，王志军，李文全

（长江航道规划设计研究院，武汉430011）

拟建沌口长江公路大桥是武汉市的第九座长江大桥，是武汉四环线重要过长江通道，根据环线总体走向的规划，桥梁位于沌口水道石咀与河坡山之间，下距已建的武汉白沙洲长江大桥上游约7 km。线路起点位于武汉经济技术开发区徐家堡，接汉洪高速公路，过沌南洲，跨长江，于石咀李家村下游跨武金堤至长江南岸，全长8.4 km，按高速公路标准建设，全程双向八车道，桥宽46 m，建成后将是目前长江上最宽的大桥［1］，且根据环线功能定位，主要以货运重载为主，大桥建成后，8 车道恒活载重量将达到目前同类桥梁世界纪录，因此如何合理确定通航净空宽度，并合理布置通航孔，降低大桥建设风险，并尽可能减少建桥对通航的影响，保障长江中游黄金水道的畅通，成为该大桥前期研究工作中的关键技术问题。

1 河道概况

长江中游沌口水道上起大军山，下至官闸营，全长12.0 km（图1），以杨泗矶为界分为上下两段，上段南岸侧江中有杨泗矶心滩，高程较低，下段北侧岸边依附有沌南洲边滩，下游南侧江中为白沙洲头部［2］。本水道自上而下分布有大军山—槐山矶、小军山—杨泗矶、沌口矶—何坡山3 对对峙节点，对河道平面摆动的控制作用较强，多年来，沌口水道总体河势相对稳定。三峡工程蓄水运用后，工程河段洲滩和深槽冲淤互见，但幅度不大，主流、岸线和河床形态均基本稳定。目前，该水道航道标准维护尺度为3.5 m×80 m×750 m（维护水深×维护宽度×航道弯曲半径，下同），通航保证率为98%，中洪水期航道维护水深可满足3.7～4.5 m。

2 桥位方案选址及通航净空宽度确定

2.1 桥位方案选址论证

按照武汉市四环线的总体走向、武汉市交通规划、长江水道现状和《内河通航标准》（GB50139-2004）［3］关于通航河流过河建筑物间距的要求，沌口长江大桥桥位选定在已建成的白沙洲长江公路大桥上游约7 km及军山大桥下游约9.2 km 处。从河道及航道条件来看，受河道两岸控制节点的制约，工程所在河段河道岸线和平面形态均基本稳定，桥位远离上游易变洲滩杨泗矶心滩，与下游白沙洲相距也较远，桥位处断面形态稳定，桥位北岸侧沌南洲边滩平面位置基本稳定；且从航道多年维护情况来看，沌口水道水深条件相对较好，自然条件下基本满足本河段航道维护尺度要求，为长江中游相对优良水道之一，该桥位河段具备建设桥梁的河势及航道条件。

2.2 通航净空宽度确定

2.2.1 通航代表船型、船队论证

根据交通部、水利部、国家经济贸易委员会交水发［1998］659 号文《关于内河航道技术等级的批复》意见，重庆至武汉河段为Ⅰ级航道，按其航道条件，此段按I-（2）级航道考虑。

《内河通航标准》中对于天然河流I-（2）级航道，最大的通航船队平面尺度为316 m×48.6 m×3.5 m（船队长×船队宽×吃水，下同）。因桥梁为永久性工程，船队平面尺度对通航孔宽度起决定作用。从长远考虑，选用《内河通航标准》规定的代表船队平面尺度，即316.0 m×48.6 m×3.5 m 作为计算桥梁通航净宽的代表船队尺度。

根据交通部制定的《长江干线航道总体规划纲要》［4］，2020 年本河段航道建设标准为3.7 m×150 m×1 000 m，保证率98%，可通航由3 000 t 级驳船组成的万吨级船队，利用航道自然水深通航3 000 t 级海船［4-5］，兼顾拟建桥梁中上游港口的规划情况，选用5 000 t 级船舶为代表船型［6］。

2.2.2 通航净空宽度计算

桥梁通航净空宽度指满足远期规划航道设计水深要求并能供代表船舶或船队安全通过桥孔的最小净空宽度。以下根据《内河通航标准》有关公式对拟选桥位通航净空宽度进行计算。

2.2.2.1 单孔单向通航净空宽度

B单= Bs+L·Sinβ+ΔBm+P+E

式中：B单为单向通航净空宽度；Bs为船舶（队）宽度，取48.6 m；L 为船舶（队）长度，取316 m；β 为船舶（队）航行漂角。按《内河通航标准》规定取6°。ΔBm为富裕宽度，在Ⅰ～Ⅲ级航道中，适用于长江干线航道的按0.6Bf（Bf=Bs+Lsinβ）计算；P 为因水流作用而导致船舶产生的横向漂移量，称为偏航距；E 为桥墩紊流宽度。在上述的有关公式中只需定出偏航距和桥墩紊流宽度值便可以得出单孔单向通航净宽值。

根据桥区水流条件，偏航距值取79.4 m，桥墩紊流宽度E 值取46 m。由此可以计算得单孔单向净宽为256 m［6］。

（1）单孔双向通航净空宽度。

B双= 2Bf+b+ΔBm+P上+P下+E

式中：B双为双向通航净空宽度；b 为上、下水船队间的安全距离，取b=Bs；P上、P下分别为上、下水船队的偏航距，P上=0.85P下。上述公式中偏航距P 值和桥墩紊流宽度E 值的取值和计算同单孔单向通航净宽计算，计算单孔双向通航净空宽度为454 m［6］。

按照《内河通航标准》5.2.1 中第1 条规定“水上过河建筑物的布置不得影响和限制航道的通过能力。通航孔的布置应满足过河建筑物所在河段双向通航的要求”，本河段船舶众多、通航繁忙，因此，本桥梁主通航孔按单孔双向通航设计，主桥孔跨度应为各自的单孔双向通航净空宽度加主桥墩宽度，同时上述通航净宽值是基于桥梁选址符合规范的有关规定前提下计算得出的，且为理论计算最小值，实际通航净空宽度应综合考虑桥位河段深泓摆动幅度、深槽变化范围及桥墩紊流宽度增加等附加宽度［7］。

3 通航孔布置研究

3.1 通航孔布置原则

结合拟建桥梁所在河段的具体情况，本文提出沌口长江大桥通航桥孔布置应考虑以下因素：

（1）工程河段船舶众多、通航繁忙，随着航道条件的改善、航运的发展，为确保船舶通航安全并不限制今后通航能力的发展，拟建桥梁主通航孔至少应按单孔双向通航考虑。

（2）主通航孔布置应与船舶习惯航线相适应，多年来，拟建桥址断面窄深，水深条件较好，深槽位置总体偏南岸侧［8］，但从深槽下游正对白沙洲洲头，为满足船舶通航要求，桥位河段航道偏靠北岸侧布置（图2），为覆盖现行航道水域，主通航孔应适当偏靠北岸侧布置。

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

（3）目前，桥址下游有沌口架空过江电缆，其弧垂最低点位于河心偏南岸位置，在设计最高通航水位时通航净空高度不足18 m，为了保障船舶与电缆的安全，航道部门在河心设有沌口过江电缆#1～#3 红浮，以提醒过往船舶尽量避开该电缆的弧垂最低点，为保障船舶通过桥孔后能安全通过架空电缆，主通航孔布置应尽量避开架空过江电缆弧垂最低点。

（4）桥位河段南岸侧存在江中碍航物，其中江中鸟驼石石堆位于桥位下游约580 m 处，石堆顶部为航行基准面上2.8 m，下游约1 370 m 处有民康号沉船残骸，顶部约为航行基准面下4.4 m，为保障船舶通航安全，主通航孔布置应避开上述水域。

3.2 通航孔布置论证与分析

结合桥位河段河道及航道条件，设计部门提出采用主跨760 m 斜拉桥，桥跨布置为（100+275+760+275+100）m（桥跨布置见图3）。该方案主跨通航净宽为737.5 m，满足设计代表船队单孔双向通航净宽应不小于455 m 的要求；两侧边孔通航净宽为259.6 m，两侧辅助通航孔基本满足设计代表船队单孔单向通航净宽要求。

图3 拟建桥梁桥跨布置方案示意图Fig.3 Bridge span layout scheme of Zhuankou Bridge

根据桥位河段航道演变分析，桥位处深槽偏靠南岸侧（图4），3.5 m 深槽宽度为780～950 m，3.5 m 深槽水域变化范围约1 100 m，275+760+275（m）的桥跨布置基本可覆盖桥位处3.5 m 深槽水域及变化范围。

考虑桥位河段通航条件的影响，设计部门将主通航孔基本沿河心略偏靠北岸布置（图4、图5），从实测船舶航迹线情况看，枯水期水位较低，船舶基本均沿靠河心而行，760 m 跨度主通航孔可覆盖上、下行船舶航迹带，但中、高水期，随着水位的升高，可通航水域范围增大，船舶沿北岸边缓流区而上行，760 m 主跨不能完全覆盖上行船舶航迹带，对上行船舶航行有一定影响，具体表现在：

（1）在洪水期主流区流速较大，大型船舶上行困难，需利用岸边缓流区上行，靠北岸侧水域是船舶通航的密集区，北边墩的布置对该部分上行船舶航行有较大影响［9］；

图4 桥址处航迹范围示意图Fig.4 Sketch of navigation track at bridge site

图5 桥跨布置与航迹线适应性示意图Fig.5 Suitability of bridge span and navigation track

（2）在中水期，随着水位的退落和水流流速的减小，上行船舶逐步利用偏靠江中水域航行，在此过程中由于北主墩的设立可能会对上行船舶通航会有一定影响；

（3）由于北边墩位于高岸上，中枯水期时北边孔内满足通航的水深宽度不足，不能有效满足上行船舶通航要求。

基于以上情况，有必要对设计部门提出的桥墩或桥墩布置方案进行优化调整。

3.3 通航孔布置优化调整方案

3.3.1 通航孔布置优化调整思路

对于现主跨760 m 桥跨及桥墩布置方案对北岸侧船舶航行存在的影响问题，本文初步提出如下3 种优化思路：

（1）加大主跨跨度，使北主墩位于上行船舶航行水域以外；

（2）桥型整体向北岸侧平移，使北主墩尽可能不占用通航水域；

（3）桥型整体向南岸侧平移，使洪水期上行船舶充分利用北侧边孔通航。

3.3.2 通航孔布置优化调整方案及可行性分析

（1）如采取加大主跨跨度，则主跨需加大200 m 左右，因为若桥跨加大幅度较小，北主墩或者北边墩仍位于上行船舶航行水域以内，未完全解决桥墩布置对船舶航行的影响，但由于拟建沌口长江大桥按全程双向八车道建设，主跨760 m 恒活载重量已达到目前同类桥梁世界纪录，如果主跨加大至900～1 000 m，桥梁建设投资、技术成熟度均会受到限制。

（2）桥型整体向北岸侧平移，根据船舶实际通航状况，则桥型整体需向北岸侧平移200 m，平移200 m 后北侧辅助通航孔位于高岸上，无通航作用，该方案只有双线通航能力，主通航孔基本覆盖洪、中、枯水位期船舶上行航迹线，但实际上北主墩仍对洪水期上行船舶的通航存在一定威胁。另外，北移后的南主墩将位于现行通航水域内，对枯、中水位期下行船舶通航会构成较大影响；且南边墩将移至南岸侧深水区域，即便今后去除桥位下游鸟驼石、明康沉船及提高既有过江电缆弧垂最低点高程，由于南边墩的布置，将导致南侧深水区域彻底无法有效开发利用。

（3）桥型整体向南岸侧平移，使洪水期上行船舶充分利用北侧边孔通航。首先考虑主通航孔水域应满足设计代表船队单孔双向通航要求，兼顾船舶现行上行船舶航行习惯，在平均水位条件下（1985 国家高程基准19.10 m），北侧边孔内维持4.0 m 水深的水域宽度满足设计代表船队单孔单向通航256 m 要求，桥跨整体向南岸侧平移50～70 m。根据桥区河段实测水流情况来看，当水位为21.30 m 时主通航孔内最大流速为1.91 m/s，北边孔内最大流速为1.49 m/s；当水位为24.2～24.4 m 时主通航孔内最大流速为2.79 m/s，北边孔内最大流速为1.9 m/s，在中高水位期，主通航孔内流速较大，船舶上行困难，北边孔内水深及流速满足上行船舶通航要求。当低水位时，比如水位为12.30 m 时，主通航孔内最大流速为0.96 m/s，大型船队上行可利用主通航孔，北边孔内维持4.0 m 水深的水域宽度为175 m，可满足中小型船舶通航要求，该方案可满足三线通航方案。另外，南移后的桥跨方案更好地覆盖了桥位处南岸侧深水区域，有利于今后南岸侧水域的有效开发利用。

从投资经济性、建桥技术成熟度、对航道资源的占用程度、对船舶通航影响等方面综合考虑（表1），推荐采用桥型整体向南岸侧平移50～70 m 的方案，经过设计部门的综合研究，采用了本文提出的整体向南岸侧平移70 m 的桥跨布置方案。

表1 通航孔布置优化调整方案综合比选Tab.1 Comprehensive comparison of optimized programs of navigable span

4 相关建议

为避免船撞桥事故的发生，桥墩防撞标准的确定也十分重要，推荐优化调整后的桥跨布置北岸侧边孔具备本河段设计代表船队单孔单向通航条件，相应防撞标准应与主桥墩防撞标准一致。

优化调整后的北侧边孔可作为大型船队高洪水期上行通航孔，枯水期可作为中小船舶上行通航孔，建议针对北侧辅助通航孔的开通专门予以信息发布，设置合适的通航期，并设置相应助航标志。另外，考虑到北侧辅助通航孔位于沌南洲边滩上，该边滩河床在年际间仍有一定冲淤变化，当遇到特殊水文年，如1993 年，北边孔内维持4 m 水深的水域宽度仅220 m，不能满足工程河段设计代表船队单向航宽要求，因此应加强桥区河段河床地形的观测，以便及时采取相应措施。

［1］冯鹏程，陈毅明.武汉市四环线沌口长江公路大桥工程可行性研究报告［R］.武汉：中交第二公路勘察设计研究院有限公司，2011.

［2］岳红艳，朱勇辉，王越，等.武汉长江杨泗矶采砂对局部河道的影响分析［J］.人民长江，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，内河通航标准［S］.

［4］交规划发［2009］35 号，长江干线航道总体规划纲要［S］.

［5］交通部交规划发［2003］2 号，长江干线航道发展规划［S］.

［6］王志军，李文全，李靓亮，等.武汉市四环线沌口长江公路大桥通航净空尺度与技术要求论证研究报告［R］.武汉：长江航道规划设计研究院，2012.

［7］JTJ287-2005，内河航道维护技术规范［S］.

［8］韩友平，许全喜，袁晶，等.武汉市四环线沌口长江公路大桥河床演变分析研究报告［R］.武汉：长江水利委员会长江水文局，2011.

［9］黄立文，范耀天，文元桥，等.武汉市四环线沌口长江公路大桥通航安全论证研究报告［R］.武汉：武汉理工大学，2012.