跨航道橋梁通航空腹尺度的探討

跨航道橋梁通航空腹尺度的探討

在所有的跨境、交叉和穿越運(yùn)河的建筑中，橋梁對(duì)航道的影響最大。此外，橋梁的航行許可證和航行孔的配置直接影響了航行能力和航行安全。橋梁的航行許可證標(biāo)準(zhǔn)控制對(duì)運(yùn)河的發(fā)展和船舶的航行有重大影響。通過(guò)對(duì)新長(zhǎng)鐵路、寧啟鐵路等協(xié)調(diào)工作,對(duì)淮江、寧杭、寧宿徐等多條高速公路跨航道橋梁的預(yù)可、工可、初設(shè)審查,對(duì)橋梁的通航凈空尺度想法闡述如下。1航道凈高和凈寬在設(shè)計(jì)中的作用按照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ139-90)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)標(biāo)”)的界定,橋梁的通航尺度涉及橋梁的通航凈空、橋位、設(shè)計(jì)通航水位3個(gè)主要部分,其中,通航凈空由通航凈高、凈寬、側(cè)高和上底寬組成,并涉及航道中心線、航道寬度等。在上述的3個(gè)主要部分中,影響最大的是通航凈空尺度。通航凈空尺度雖然由4個(gè)基本元素組成,但凈空尺度卻與橋位、通航水位密切相關(guān),如對(duì)一些不甚理想的橋位,或?qū)νê接绊戄^大的橋位,在橋梁的設(shè)計(jì)時(shí),可通過(guò)調(diào)整橋梁的通航凈空尺度來(lái)滿足船舶航行和航道規(guī)劃的要求。且由于大、中橋一般都是公路、鐵路橋梁,為了優(yōu)化公路、鐵路的線型,減少項(xiàng)目的投資,其橋位一般都難以調(diào)整,常常通過(guò)調(diào)整通航凈空及孔跨布設(shè)來(lái)達(dá)到滿足通航要求的目的?，F(xiàn)在建橋基本摒棄了拱橋這種舊式橋型,且由于變截面梁的橋梁一般都為大跨徑,所以,如果滿足通航凈高和凈寬的要求,也同時(shí)滿足側(cè)高和上底寬的要求,“國(guó)標(biāo)”中也說(shuō)明對(duì)跨徑較大的橋梁,可不考慮上底寬等因素。因此,本文將主要討論橋梁的通航凈高和凈寬這2個(gè)最基本、也是最主要的尺度。1.1橋址位置的確定按照“國(guó)標(biāo)”的要求,對(duì)非1跨過(guò)河、中有墩柱的橋梁(大多數(shù)的跨航道橋梁),它們應(yīng)同時(shí)符合下述規(guī)定。而對(duì)1跨過(guò)河、中無(wú)墩柱的橋梁,其位置與航行無(wú)關(guān)。(1)橋址應(yīng)選擇在河床穩(wěn)定、航道水深充裕、水流條件良好的平順河段。這是保證船舶在橋梁通航孔中航行的基本條件?！昂哟卜€(wěn)定”:指橋址必須處于穩(wěn)定的河段,包括航道的中心線位置(即航道的基本走向)、航寬等在多年內(nèi)變化甚微,且沒(méi)有大的淤積、擺動(dòng)和偏向的。“航道水深充?！?指橋址處的航道水深能滿足目前航道等級(jí)要求的水深值。一般地,橋梁設(shè)計(jì)單位須進(jìn)行橋址處上下游數(shù)百米范圍的航道斷面的測(cè)量,并在橋梁平面圖上畫(huà)出航道的水深等值線,同時(shí)在橋梁的立面布置圖(橋型方案圖)上畫(huà)出航道斷面,以此作為水深值的校驗(yàn)。“水流條件良好”:指橋址處的航道水流不應(yīng)有橫流、偏流或較大流速。(2)橋址應(yīng)遠(yuǎn)離淺灘、錨地、彎道、交叉口。其距離橋梁上游方向不得小于頂推船隊(duì)的4倍或拖帶船隊(duì)的3倍;距離橋梁的下游方向,不得小于頂推船隊(duì)的2倍或拖帶船隊(duì)的1.5倍。在航道的險(xiǎn)灘、彎道、匯流口,船舶航行比較困難,或需要謹(jǐn)慎駕駛的地方,如果橋梁建在此處,必然會(huì)增加船舶駕駛難度,影響航行安全。因此,橋址的選擇應(yīng)遠(yuǎn)離這些地方。而港口作業(yè)區(qū)和錨地是船舶作業(yè)頻繁、拋錨編解船隊(duì)作業(yè)的水域,自然不宜增設(shè)任何水上設(shè)施。由于航道水流的方向,因此,物體位于橋梁上游時(shí),其與橋梁的距離要大于它們位于橋梁下游時(shí)的距離。但對(duì)于一些特殊的航道,如通江、通海及通湖區(qū)的航道中臨江、海、湖的某些航段,以及臨近大型水利設(shè)施的航段,常常存在雙向水頭,因此,不論已有建筑設(shè)施或淺灘等位于待建橋梁的上游或下游,均應(yīng)取用其位于橋梁上游時(shí)的距離測(cè)算。(3)相鄰2座橋的軸向間距,Ⅱ~Ⅴ級(jí)航道不得小于船隊(duì)長(zhǎng)度加船隊(duì)下水5min航程之和;Ⅵ~Ⅶ級(jí)航道不得小于船隊(duì)長(zhǎng)度加船隊(duì)下水3min航程之和。這是新建的橋梁距原有橋梁及水上跨河管道之間的最小距離。這是為了保證船舶航行和橋梁的安全,不致降低橋址段航道的通過(guò)能力。與(2)中論述相同,該尺度應(yīng)按Ⅵ級(jí)航道船隊(duì)尺度或主要船隊(duì)尺度取用。值得一提的是,對(duì)江蘇省比較狹窄的航道而言,因?yàn)槎紴橄拗菩院降?根據(jù)“國(guó)標(biāo)”第4.1.4條的規(guī)定“橋梁宜1跨過(guò)河”,在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)凈空尺度的基礎(chǔ)上,1跨過(guò)河,水中不設(shè)墩柱。對(duì)此,橋址可不受上述(2)、(3)的限制。要注意的是,設(shè)計(jì)最高通航水位時(shí)的水面寬度為“1跨過(guò)河”時(shí)要控制的寬度。在某些情況下,水面寬度難以確定時(shí),一般可采用2個(gè)步驟計(jì)算:①取用等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)航寬和常水位時(shí)的水面寬度兩者中的大值;②如果有航道整治規(guī)劃設(shè)計(jì)航寬,可直接取用航道設(shè)計(jì)駁岸間的寬度,或者采用航道養(yǎng)護(hù)疏浚工程使用的維護(hù)航寬與①中所得航寬對(duì)比,取其大值。1.2航道設(shè)置方案比選如果確定了橋位,就相應(yīng)確定了橋梁的通航凈寬及橋梁的平面布置。如果橋梁非1跨過(guò)河時(shí),橋梁平面布置涉及的通航尺度有以下2個(gè)方面:(1)橋梁軸線的法線方向應(yīng)盡可能與水流方向一致,其偏角不得大于5°,若超過(guò)5°,凈寬必須相應(yīng)加大,應(yīng)滿足垂直于水流方向上的凈寬投影值,不小于等級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)要求的最小凈寬值。在橋梁設(shè)計(jì)時(shí),為了保證公路或鐵路線型的經(jīng)濟(jì)、流暢,以及橋梁接線的經(jīng)濟(jì)等,對(duì)跨河橋梁軸法線與航道的水流的夾角常常設(shè)計(jì)得過(guò)大。對(duì)于這種超過(guò)5°交角的橋梁,可以按2種方案來(lái)優(yōu)化橋孔布設(shè):①在盡可能的情況下,重新局部調(diào)整公路或鐵路的線型。②加大橋梁的通航凈寬值,加大到垂直水流方向上的投影值不小于等級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)要求的最小凈寬值,即滿足實(shí)際的通航凈寬值。船舶航行時(shí),是以橋孔下的直線通道來(lái)作為航行通道的,因此,為了避免航行事故的發(fā)生,必須避免在橋梁的上下游變換航行方向,這對(duì)拖帶船隊(duì)和頂推船隊(duì)尤為重要。不論上述2種方案中的哪1種,都必須調(diào)整橋墩(或墩柱)的方向,盡量做到“斜橋斜做”。若受橋梁的橋型或施工難度等因素限制,難以做到“斜橋斜做”,可采用錯(cuò)孔布設(shè),即橋梁左、右半幅的墩柱按航道中心線或航槽線方向錯(cuò)開(kāi)布設(shè),并在凈寬滿足投影值的基礎(chǔ)上,適當(dāng)加大凈寬值,以保證船舶航行的安全。(2)橋梁通航孔的布設(shè)是否與航道中心線一致,否則應(yīng)調(diào)整通航孔中心線或航道中心線。對(duì)于有規(guī)劃中心線的航道,在條件許可的情況下,通航孔布設(shè)尚應(yīng)同時(shí)滿足規(guī)劃中心線的要求。目前江蘇省絕大多數(shù)航道尚無(wú)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,航道中心線為航道深泓線。因此橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)對(duì)橋位進(jìn)行勘測(cè),對(duì)橋梁上下游約500m的范圍內(nèi)的航道進(jìn)行斷面測(cè)量,標(biāo)示測(cè)量范圍內(nèi)的等深線和航道深槽,并勾畫(huà)出航道深泓線,用以確定航道走向。如果某些航道經(jīng)過(guò)了規(guī)劃論證,有了明確的規(guī)劃中心線,橋梁的孔跨布設(shè)應(yīng)同時(shí)滿足現(xiàn)有的和規(guī)劃的中心線要求,即橋梁的通航孔凈寬值必須能涵蓋現(xiàn)有航道和規(guī)劃航道。此時(shí),可采取1跨包含的方式,或者橋位處規(guī)劃的航段是航道改線段,如裁彎取直等?，F(xiàn)有航道與規(guī)劃航道距離較遠(yuǎn),可分別設(shè)置2個(gè)通航孔,以滿足現(xiàn)有航道和規(guī)劃航道的通航需要。如改建的邳州大橋,設(shè)置了2個(gè)主通航孔,1個(gè)通航孔是規(guī)劃通航孔,為旱橋,另1個(gè)通航孔為供目前船舶航行的通航孔。1.3橋梁承臺(tái)和航道設(shè)計(jì)的關(guān)系橋梁的立面布置中涉及航道通航水位、凈高、凈寬、側(cè)高、上底寬等尺度及承臺(tái)設(shè)置等,它應(yīng)同時(shí)遵循以下3個(gè)方面:(1)橋址段航道設(shè)計(jì)最高、最低通航水位應(yīng)經(jīng)論證。航道設(shè)計(jì)最高通航水位是確定橋梁通航凈高,以及橋梁承臺(tái)頂高程的控制水位;最低通航水位是校核橋下水深值的控制水位,也是橋址選擇的依據(jù)之一。架設(shè)橋梁處的航道最高、最低通航水位應(yīng)由有關(guān)部門(mén)提供或論證。隨江蘇航道定級(jí)發(fā)布的水位基準(zhǔn)點(diǎn),蘇南地區(qū)為吳淞零點(diǎn),蘇北地區(qū)為廢黃河零點(diǎn)。(2)通航孔內(nèi)不得有突出凈空范圍的任何構(gòu)件,特別應(yīng)該注意的是,對(duì)水中設(shè)有墩臺(tái)的橋梁,其承臺(tái)應(yīng)設(shè)置在設(shè)計(jì)最高通航水位以上或航道設(shè)計(jì)底高程以下,如現(xiàn)有航道底高程低于航道設(shè)計(jì)底高程,以現(xiàn)有航道底高程計(jì)。橋梁通航凈空是指通航凈空范圍內(nèi)的立體空間值,以橋梁與航道正交而言,其豎向范圍(Z軸)是從位于梁底附近的上底寬線到規(guī)劃的航道設(shè)計(jì)底高程,橫向(X軸)范圍為左右橋墩、或承臺(tái)間的最小凈距離,縱向范圍(Y軸)為橋梁寬度,在此空間范圍內(nèi)不得有任何突出構(gòu)件存在。如果橋梁設(shè)有承臺(tái)(墩臺(tái)),且承臺(tái)設(shè)置在最高通航水位以下,淹沒(méi)在水中,這樣極易造成海損事故。如原邳州大橋,其水下承臺(tái)被船舶和船隊(duì)撞擊過(guò)108次,使得該橋過(guò)早地成為危橋,不僅給船舶航行安全帶來(lái)極大的隱患,也影響到橋梁自身安全。橋梁承臺(tái)頂部應(yīng)設(shè)置在航道設(shè)計(jì)最高通航水位以上或航道設(shè)計(jì)底高程以下,以保證橋梁和船舶航行安全的需要。若現(xiàn)有航道底高程低于設(shè)計(jì)底高程,自然以現(xiàn)有航道底高程為準(zhǔn)。目前,江蘇尚有相當(dāng)部分的橋梁,承臺(tái)在最高通航水位以下,因此,不得不采用鋼護(hù)筒將通航孔的承臺(tái)內(nèi)側(cè)保護(hù)起來(lái)。鋼護(hù)筒的高度應(yīng)超出設(shè)計(jì)最高通航水位以上1m左右,同時(shí)注意對(duì)橋涵標(biāo)的養(yǎng)護(hù),使之夜間發(fā)光引航。采用鋼護(hù)筒的方法只是權(quán)益之策。(3)橋梁不應(yīng)過(guò)于縮小航道的過(guò)水?dāng)嗝?不得使通航孔附近產(chǎn)生危害船舶航行安全的不良水流。對(duì)于航寬較大,水運(yùn)較繁忙的航道,在條件允許的情況下,應(yīng)設(shè)多孔通航,或加大通航孔的凈寬,且橋墩的外部形狀在迎水面和背水面要設(shè)計(jì)成孤形,不影響通航孔附近水流流態(tài)。對(duì)于江蘇絕大部分列入省干線航道網(wǎng)中的航道。(4)橋梁的通航尺度應(yīng)不小于國(guó)家規(guī)定的等級(jí)航道通航凈空標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)的技術(shù)要求。2航道設(shè)計(jì)中的障礙綜上所述,在設(shè)計(jì)橋梁的通航凈空時(shí)應(yīng)考慮到橋位、航道中心線、航道通過(guò)量、航道現(xiàn)有寬度、橋梁與航道的交角、通航水位、承臺(tái)設(shè)置等。但在橋梁的設(shè)計(jì)中常存在一些錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),給橋梁的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度、橋梁和航行安全帶來(lái)一些不利影響。概括有以下幾點(diǎn):(1)通航凈寬只要滿足航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)就可以?！皣?guó)標(biāo)”中的通航凈寬值是指最小的凈寬值,即設(shè)計(jì)的橋梁凈寬不得小于該值。應(yīng)“滿足通航要求”才行。通航要求涵蓋了通航凈空尺度,而橋梁與航道之間的關(guān)系,不是一個(gè)通航凈空尺度,如Ⅴ級(jí)航道的38m×5m就可以解決的。(2)較寬、較高的橋梁,不能只畫(huà)標(biāo)準(zhǔn)通航凈空?qǐng)D。因?yàn)橥ê絻艨諔?yīng)該是同時(shí)滿足通航孔內(nèi)的最大凈高和凈寬。因此,此時(shí)凈空?qǐng)D應(yīng)按最大凈高和凈寬標(biāo)示。(3)有的橋梁設(shè)計(jì),將承臺(tái)設(shè)置在最高和最低通航水位之間,形成了水下障礙,這種設(shè)計(jì)是相當(dāng)危險(xiǎn)的。(4)有時(shí)考慮航道的航運(yùn)實(shí)際情況,設(shè)置多孔通航(如2孔通航),但將2孔之間的墩柱設(shè)置在航道中心,認(rèn)為與公路上一樣,船舶可按左、右邊分別通航。這是一種十分錯(cuò)誤和危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。船舶在航行到橋梁時(shí),如果附近沒(méi)有其他待過(guò)橋的船舶,將沿航道中心過(guò)橋;而且根據(jù)船舶特性,為減小水流阻力,船舶一般都是航行在內(nèi)河(特別是等級(jí)較低的)航道中心,因此,不可能在過(guò)橋時(shí)主動(dòng)地偏到航道一側(cè)(除非在橋下交會(huì));況且正常情況下,航道中心的流速應(yīng)該是最大的,此時(shí),位于航道中心的墩柱對(duì)水流流態(tài)的影響較大,易形成不良水流。(5)在橋梁的設(shè)計(jì)中,存在下述凈寬計(jì)算上的誤區(qū),現(xiàn)舉例說(shuō)明。圖1是1座跨Ⅳ級(jí)航道的高速公路橋梁通航孔的設(shè)計(jì)平面布置示意。通航孔凈跨L=60m,承臺(tái)長(zhǎng)A=20.0m,橋梁軸法線與航道中心線交角α=40°。雖然通航孔凈跨為60m,如果折算為垂直于航道中心線方向的投影寬度為60×cos40°=45.96m,大于“國(guó)標(biāo)”要求的45m,似乎滿足45m的凈寬標(biāo)準(zhǔn),但是由于船舶在橋下是直線航行,其實(shí)際可航行寬度是兩承臺(tái)之間的最小寬度B,即實(shí)際的通航凈寬,B=L×cosα-A×sinα=60×cos40°-20×sin40°=45.96-12.86=33.10m<45m。現(xiàn)在大多數(shù)斜交橋梁的設(shè)計(jì),一般都以航道等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)凈寬再除以交角的余弦值得出通航孔凈跨值。本例中,橋梁設(shè)計(jì)凈跨值L≥45/cos40°=58.74m,取60m。此時(shí)有兩種情況:①橋梁為“斜橋斜做”,即橋梁承臺(tái)按航道走向布設(shè),其邊線平行于航道中心線,一般來(lái)說(shuō),此時(shí)橋梁通航孔的凈跨值應(yīng)滿足其在橋梁軸法線方向的投影值不小于“國(guó)標(biāo)”規(guī)定的通航凈寬,即L≥45/cosα,可取60m;②橋梁為“斜橋正做”,即如圖1所示,此時(shí),若仍取60m的凈跨值,則實(shí)際通航凈寬比標(biāo)準(zhǔn)凈寬小,由于高速公路橋梁寬度一般與公路同寬,所以本例中的承臺(tái)20m的長(zhǎng)度是固定的,因此實(shí)際需要的凈跨值可以通過(guò)解下述一元一次方程得出:設(shè)需要的實(shí)際凈跨值為y,則y×cos40°-20×sin40°≥45m解得:y≥75.53m所以,相同條件下,“斜橋正做”需要的凈跨值(75.53m)比“斜橋斜做”采用的凈跨值(60m)大了不少。上述算式也可用來(lái)校核橋梁中孔通航凈空的設(shè)計(jì)尺度。3應(yīng)該考慮的問(wèn)題3.1橋梁的厚度設(shè)置由于橋梁的設(shè)置增加船舶航行困難度,因此,為了保證橋梁及過(guò)往船舶的安全,在橋梁設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)同時(shí)設(shè)置發(fā)光橋涵標(biāo)。筆者認(rèn)為,對(duì)于所有的橋梁都應(yīng)設(shè)置橋涵標(biāo)。有一種看法認(rèn)為1跨過(guò)河、水中無(wú)墩柱的橋梁可不設(shè)置橋涵標(biāo),其理由是這類(lèi)橋梁除凈高外,對(duì)航道無(wú)任何影響。但正是由于有橋梁凈高的因素,在高水位時(shí),大噸位船舶高度超過(guò)或接近等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)凈高,極有可能撞橋,給橋梁和船舶都帶來(lái)危險(xiǎn)。3.2管道橋通航凈高管道橋作為1種跨河建筑物,它對(duì)航道的影響與其他橋梁是一樣的。因此,管道橋同樣應(yīng)該考慮上述因素