跨航道橋梁通航空腹尺度的探討

在所有的跨境、交叉和穿越運河的建筑中，橋梁對航道的影響最大。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準控制對運河的發(fā)展和船舶的航行有重大影響。通過對新長鐵路、寧啟鐵路等協(xié)調(diào)工作,對淮江、寧杭、寧宿徐等多條高速公路跨航道橋梁的預可、工可、初設(shè)審查,對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)計中的作用按照《內(nèi)河通航標準》(GBJ139-90)(以下簡稱“國標”)的界定,橋梁的通航尺度涉及橋梁的通航凈空、橋位、設(shè)計通航水位3個主要部分,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)計時,可通過調(diào)整橋梁的通航凈空尺度來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,減少項目的投資,其橋位一般都難以調(diào)整,常常通過調(diào)整通航凈空及孔跨布設(shè)來達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,也同時滿足側(cè)高和上底寬的要求,“國標”中也說明對跨徑較大的橋梁,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個最基本、也是最主要的尺度。1.1橋址位置的確定按照“國標”的要求,對非1跨過河、中有墩柱的橋梁(大多數(shù)的跨航道橋梁),它們應同時符合下述規(guī)定。而對1跨過河、中無墩柱的橋梁,其位置與航行無關(guān)。(1)橋址應選擇在河床穩(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。“河床穩(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,且沒有大的淤積、擺動和偏向的。“航道水深充?！?指橋址處的航道水深能滿足目前航道等級要求的水深值。一般地,橋梁設(shè)計單位須進行橋址處上下游數(shù)百米范圍的航道斷面的測量,并在橋梁平面圖上畫出航道的水深等值線,同時在橋梁的立面布置圖(橋型方案圖)上畫出航道斷面,以此作為水深值的校驗。“水流條件良好”:指橋址處的航道水流不應有橫流、偏流或較大流速。(2)橋址應遠離淺灘、錨地、彎道、交叉口。其距離橋梁上游方向不得小于頂推船隊的4倍或拖帶船隊的3倍;距離橋梁的下游方向,不得小于頂推船隊的2倍或拖帶船隊的1.5倍。在航道的險灘、彎道、匯流口,船舶航行比較困難,或需要謹慎駕駛的地方,如果橋梁建在此處,必然會增加船舶駕駛難度,影響航行安全。因此,橋址的選擇應遠離這些地方。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,其與橋梁的距離要大于它們位于橋梁下游時的距離。但對于一些特殊的航道,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,均應取用其位于橋梁上游時的距離測算。(3)相鄰2座橋的軸向間距,Ⅱ~Ⅴ級航道不得小于船隊長度加船隊下水5min航程之和;Ⅵ~Ⅶ級航道不得小于船隊長度加船隊下水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能力。與(2)中論述相同,該尺度應按Ⅵ級航道船隊尺度或主要船隊尺度取用。值得一提的是,對江蘇省比較狹窄的航道而言,因為都為限制性航道,根據(jù)“國標”第4.1.4條的規(guī)定“橋梁宜1跨過河”,在橋梁設(shè)計時應在航道等級標準凈空尺度的基礎(chǔ)上,1跨過河,水中不設(shè)墩柱。對此,橋址可不受上述(2)、(3)的限制。要注意的是,設(shè)計最高通航水位時的水面寬度為“1跨過河”時要控制的寬度。在某些情況下,水面寬度難以確定時,一般可采用2個步驟計算:①取用等級標準航寬和常水位時的水面寬度兩者中的大值;②如果有航道整治規(guī)劃設(shè)計航寬,可直接取用航道設(shè)計駁岸間的寬度,或者采用航道養(yǎng)護疏浚工程使用的維護航寬與①中所得航寬對比,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跨過河時,橋梁平面布置涉及的通航尺度有以下2個方面:(1)橋梁軸線的法線方向應盡可能與水流方向一致,其偏角不得大于5°,若超過5°,凈寬必須相應加大,應滿足垂直于水流方向上的凈寬投影值,不小于等級航道標準要求的最小凈寬值。在橋梁設(shè)計時,為了保證公路或鐵路線型的經(jīng)濟、流暢,以及橋梁接線的經(jīng)濟等,對跨河橋梁軸法線與航道的水流的夾角常常設(shè)計得過大。對于這種超過5°交角的橋梁,可以按2種方案來優(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航道標準要求的最小凈寬值,即滿足實際的通航凈寬值。船舶航行時,是以橋孔下的直線通道來作為航行通道的,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,這對拖帶船隊和頂推船隊尤為重要。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開布設(shè),并在凈寬滿足投影值的基礎(chǔ)上,適當加大凈寬值,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,否則應調(diào)整通航孔中心線或航道中心線。對于有規(guī)劃中心線的航道,在條件許可的情況下,通航孔布設(shè)尚應同時滿足規(guī)劃中心線的要求。目前江蘇省絕大多數(shù)航道尚無規(guī)劃設(shè)計方案,航道中心線為航道深泓線。因此橋梁設(shè)計過程中,應對橋位進行勘測,對橋梁上下游約500m的范圍內(nèi)的航道進行斷面測量,標示測量范圍內(nèi)的等深線和航道深槽,并勾畫出航道深泓線,用以確定航道走向。如果某些航道經(jīng)過了規(guī)劃論證,有了明確的規(guī)劃中心線,橋梁的孔跨布設(shè)應同時滿足現(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,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。現(xiàn)有航道與規(guī)劃航道距離較遠,可分別設(shè)置2個通航孔,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個主通航孔,1個通航孔是規(guī)劃通航孔,為旱橋,另1個通航孔為供目前船舶航行的通航孔。1.3橋梁承臺和航道設(shè)計的關(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設(shè)置等,它應同時遵循以下3個方面:(1)橋址段航道設(shè)計最高、最低通航水位應經(jīng)論證。航道設(shè)計最高通航水位是確定橋梁通航凈高,以及橋梁承臺頂高程的控制水位;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、最低通航水位應由有關(guān)部門提供或論證。隨江蘇航道定級發(fā)布的水位基準點,蘇南地區(qū)為吳淞零點,蘇北地區(qū)為廢黃河零點。(2)通航孔內(nèi)不得有突出凈空范圍的任何構(gòu)件,特別應該注意的是,對水中設(shè)有墩臺的橋梁,其承臺應設(shè)置在設(shè)計最高通航水位以上或航道設(shè)計底高程以下,如現(xiàn)有航道底高程低于航道設(shè)計底高程,以現(xiàn)有航道底高程計。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)計底高程,橫向(X軸)范圍為左右橋墩、或承臺間的最小凈距離,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(墩臺),且承臺設(shè)置在最高通航水位以下,淹沒在水中,這樣極易造成海損事故。如原邳州大橋,其水下承臺被船舶和船隊撞擊過108次,使得該橋過早地成為危橋,不僅給船舶航行安全帶來極大的隱患,也影響到橋梁自身安全。橋梁承臺頂部應設(shè)置在航道設(shè)計最高通航水位以上或航道設(shè)計底高程以下,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)計底高程,自然以現(xiàn)有航道底高程為準。目前,江蘇尚有相當部分的橋梁,承臺在最高通航水位以下,因此,不得不采用鋼護筒將通航孔的承臺內(nèi)側(cè)保護起來。鋼護筒的高度應超出設(shè)計最高通航水位以上1m左右,同時注意對橋涵標的養(yǎng)護,使之夜間發(fā)光引航。采用鋼護筒的方法只是權(quán)益之策。(3)橋梁不應過于縮小航道的過水斷面,不得使通航孔附近產(chǎn)生危害船舶航行安全的不良水流。對于航寬較大,水運較繁忙的航道,在條件允許的情況下,應設(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)計成孤形,不影響通航孔附近水流流態(tài)。對于江蘇絕大部分列入省干線航道網(wǎng)中的航道。(4)橋梁的通航尺度應不小于國家規(guī)定的等級航道通航凈空標準和有關(guān)的技術(shù)要求。2航道設(shè)計中的障礙綜上所述,在設(shè)計橋梁的通航凈空時應考慮到橋位、航道中心線、航道通過量、航道現(xiàn)有寬度、橋梁與航道的交角、通航水位、承臺設(shè)置等。但在橋梁的設(shè)計中常存在一些錯誤的認識,給橋梁的設(shè)計和施工進度、橋梁和航行安全帶來一些不利影響。概括有以下幾點:(1)通航凈寬只要滿足航道等級標準就可以?！皣鴺恕敝械耐ê絻魧捴凳侵缸钚〉膬魧捴?即設(shè)計的橋梁凈寬不得小于該值。應“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,不是一個通航凈空尺度,如Ⅴ級航道的38m×5m就可以解決的。(2)較寬、較高的橋梁,不能只畫標準通航凈空圖。因為通航凈空應該是同時滿足通航孔內(nèi)的最大凈高和凈寬。因此,此時凈空圖應按最大凈高和凈寬標示。(3)有的橋梁設(shè)計,將承臺設(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)計是相當危險的。(4)有時考慮航道的航運實際情況,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。這是一種十分錯誤和危險的認識。船舶在航行到橋梁時,如果附近沒有其他待過橋的船舶,將沿航道中心過橋;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(特別是等級較低的)航道中心,因此,不可能在過橋時主動地偏到航道一側(cè)(除非在橋下交會);況且正常情況下,航道中心的流速應該是最大的,此時,位于航道中心的墩柱對水流流態(tài)的影響較大,易形成不良水流。(5)在橋梁的設(shè)計中,存在下述凈寬計算上的誤區(qū),現(xiàn)舉例說明。圖1是1座跨Ⅳ級航道的高速公路橋梁通航孔的設(shè)計平面布置示意。通航孔凈跨L=60m,承臺長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“國標”要求的45m,似乎滿足45m的凈寬標準,但是由于船舶在橋下是直線航行,其實際可航行寬度是兩承臺之間的最小寬度B,即實際的通航凈寬,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,一般都以航道等級標準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)計凈跨值L≥45/cos40°=58.74m,取60m。此時有兩種情況:①橋梁為“斜橋斜做”,即橋梁承臺按航道走向布設(shè),其邊線平行于航道中心線,一般來說,此時橋梁通航孔的凈跨值應滿足其在橋梁軸法線方向的投影值不小于“國標”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,若仍取60m的凈跨值,則實際通航凈寬比標準凈寬小,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20m的長度是固定的,因此實際需要的凈跨值可以通過解下述一元一次方程得出:設(shè)需要的實際凈跨值為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。上述算式也可用來校核橋梁中孔通航凈空的設(shè)計尺度。3應該考慮的問題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,為了保證橋梁及過往船舶的安全,在橋梁設(shè)計時,應同時設(shè)置發(fā)光橋涵標。筆者認為,對于所有的橋梁都應設(shè)置橋涵標。有一種看法認為1跨過河、水中無墩柱的橋梁可不設(shè)置橋涵標,其理由是這類橋梁除凈高外,對航道無任何影響。但正是由于有橋梁凈高的因素,在高水位時,大噸位船舶高度超過或接近等級標準凈高,極有可能撞橋,給橋梁和船舶都帶來危險。3.2管道橋通航凈高管道橋作為1種跨河建筑物,它對航道的影響與其他橋梁是一樣的。因此,管道橋同樣應該考慮上述因素