陳婷婷，胡 陽，周玉潔，何 熙，謝玉杰

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610017)

現(xiàn)代陸路交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使橋梁建設(shè)進(jìn)入高峰期，在溝通陸上交通的同時(shí)，受河道條件、橋梁跨江路線、岸線資源、拆遷以及資金的影響，橋梁跨度及墩臺(tái)布設(shè)等往往會(huì)對(duì)河道船舶通航產(chǎn)生一定影響。

陳明棟等[1]首次給出了橋群的基本定義，即指同一河段上建有2座或以上、且其間距不滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[2]要求的多座小間距橋梁。橋群不僅危及到船舶的通航安全和橋梁自身結(jié)構(gòu)安全，且嚴(yán)重制約航道升級(jí)改造及水運(yùn)交通的遠(yuǎn)期發(fā)展。彭鉅新[3-4]針對(duì)跨河橋群引發(fā)的通航標(biāo)準(zhǔn)問題開展了初步的研究，提出了限制橋洞縱深長(zhǎng)度的建議和調(diào)整橋群凈寬的計(jì)算方法。陳明[5]根據(jù)重慶石板坡長(zhǎng)江大橋—儲(chǔ)奇門河段的河勢(shì)條件以及通航環(huán)境，把該橋群河段半概化為山區(qū)河流典型的順直微彎河道，通過采用二維水流數(shù)值模擬和小尺度船舶物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出了在山區(qū)河流典型的順直微彎橋群河段上的橋跨與橋間距的合理組合。林巧[6]通過菜園壩橋群河段，對(duì)形成的橋群橋梁選址及橋跨布置方法進(jìn)行了細(xì)化研究，提出試驗(yàn)河段在已有橋梁的約束下修建新橋合適的橋間距和橋跨布設(shè)方案。張有林等[7]以四川沱江鄧家壩橋群河段為例，結(jié)合船舶下行通過橋群河段的操縱參數(shù)，研究不同橋梁凈跨及間距情況下建橋?qū)νê降挠绊懀瑥亩鴶M定出橋群河段上的橋間距與橋梁凈跨間的內(nèi)在關(guān)系。楊韻等[8]將船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于橋梁通航孔布設(shè)選取中，模擬預(yù)測(cè)船舶通過橋區(qū)通航孔時(shí)的航行姿態(tài)和航行參數(shù)，可為相關(guān)設(shè)計(jì)研究和決策提供依據(jù)。

本文以擬建成達(dá)萬高鐵涪江橋?yàn)槔?，在通航條件較為復(fù)雜的橋群河段，針對(duì)不同疏浚工程方案，采用二維水流數(shù)學(xué)模型和船舶操縱模擬試驗(yàn)，對(duì)大橋通航條件進(jìn)行對(duì)比研究，給出最優(yōu)的疏浚工程方案，保障船舶通航安全與效率，為國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程概況

擬建成達(dá)萬高鐵涪江橋跨越涪江干流，位于在建唐家渡樞紐下游約3.9 km。大橋位于橋群河段，在推薦橋位上游有已建老達(dá)成鐵路橋和在建涪江六橋，下游緊鄰已建新達(dá)成鐵路橋，屬于典型的橋群河段，橋位方案通航環(huán)境見圖1。橋位下游河道為S形連續(xù)彎道，河面較寬，約1.2～1.3 km；在彎道處有一長(zhǎng)約1 700 m、寬約650 m的較大江心洲，將河道分為左右兩汊，其中左汊為主汊和通航汊道，右汊進(jìn)口段零星心洲較多，水流條件較差，不具備通航條件。橋位上下游已建和擬建橋梁通航技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 橋位上下游已建和擬建橋梁通航技術(shù)參數(shù)

圖1 橋位方案通航環(huán)境

2 疏浚工程方案

擬建大橋上段左岸邊修建有面積較大的濕地公園，侵入新達(dá)成鐵路橋左岸80 m通航孔內(nèi)，占用了部分通航凈寬，并惡化了橋區(qū)水流條件，使橋區(qū)河段無法滿足立項(xiàng)批復(fù)的Ⅴ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，Ⅲ-(3)級(jí)航道按照2排1列船隊(duì)雙向取值，需滿足10 m通航凈高時(shí)的要求，即最小雙向通航凈寬110 m，上底寬96 m，側(cè)高6 m。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算成果，擬建大橋上游3倍船長(zhǎng)范圍內(nèi)的橫向流速大于0.8 m/s，無法滿足橋梁通航凈寬尺度的要求。

在大橋選址確定的情況下，擬對(duì)濕地公園進(jìn)行疏浚，使其退回至涪江六橋批復(fù)時(shí)的岸線位置，并最大程度改善下游已建新達(dá)成鐵路橋的通航條件。擬定的4種疏浚方案見表2，疏浚方案平面布置見圖2。根據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果，推薦方案4為最優(yōu)疏浚方案。

表2 橋區(qū)疏浚工程方案對(duì)比

圖2 工程河段疏浚區(qū)平面布置

3 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)

3.1 通航標(biāo)準(zhǔn)

擬建涪江橋航道等級(jí)為Ⅲ級(jí)，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求，滿足單孔雙向的基礎(chǔ)凈寬為110 m、上底寬96 m、側(cè)高6 m。疏浚工程實(shí)施后，能達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：1)擬建大橋能滿足Ⅲ級(jí)航道通航條件，且最大程度控制工程造價(jià)；2)下游已建新達(dá)成鐵路橋在各種工況下均可以滿足批復(fù)時(shí)的Ⅴ級(jí)航道通航條件；3)在下游過軍渡電站敞泄工況下，下游已建新達(dá)成鐵路橋凈寬要求值(75.9 m)小于通航孔跨度(80 m)，新達(dá)成鐵路橋滿足Ⅳ級(jí)航道通航條件；4)在下游過軍渡電站敞泄前，其凈寬要求值(73.2 m)小于通航孔跨度(80 m)，新達(dá)成鐵路橋滿足Ⅲ級(jí)航道通航條件。

3.2 試驗(yàn)工況

過軍渡電站正常運(yùn)行后，工程河段位于過軍渡水庫常年回水區(qū)。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，最高通航水位應(yīng)采用水庫正常蓄水位與洪水頻率10%入庫洪水(Q=15 500 m3/s)所形成庫水位中較高者，并計(jì)入河床可能淤積引起的水位抬高值，而橋位處最低通航水位亦受過軍渡死水位控制。根據(jù)過軍渡電站的運(yùn)行方式，結(jié)合橋區(qū)河段的具體情況，選擇4級(jí)典型工況進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)模計(jì)算工況及邊界條件見表3。

表3 數(shù)模計(jì)算工況及邊界條件

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在本方案中，除跨涪江橋的成達(dá)萬高鐵外，左岸實(shí)施大范圍疏浚且對(duì)上游老達(dá)成鐵路進(jìn)行拆除，工程實(shí)施后，河段內(nèi)水流條件改變較為明顯，見圖3。

圖3 工程實(shí)施后流速流向(單位：m/s)

1)敞泄流量時(shí)，兩側(cè)主通航孔橋墩位于水邊線以下，橋區(qū)河段范圍內(nèi)流速有增有減，其變化范圍在0～0.69 m/s，最大增加值為0.33 m/s，最大減小值為0.69 m/s。

2)中洪水流量時(shí)，兩側(cè)主通航孔橋墩位于水邊線以下，橋區(qū)河段范圍內(nèi)流速有增有減，其變化范圍在0～0.50 m/s，最大增加值為0.05 m/s，最大減小值為0.50 m/s。

3)3a一遇洪水時(shí)，兩側(cè)主通航孔橋墩位于水邊線以下，橋區(qū)河段范圍內(nèi)流速有增有減，其變化范圍在0～0.38 m/s，最大增加值為0.06 m/s，最大減小值為0.38 m/s。

4)10 a一遇洪水時(shí)，兩側(cè)主通航孔橋墩位于水邊線以下，橋區(qū)河段范圍內(nèi)流速有增有減，其變化范圍在0～0.37 m/s，最大增加值為0.09 m/s，最大減小值為0.37 m/s。

工程前后代表工況下，涪江大橋軸線上游3倍代表船型長(zhǎng)度范圍內(nèi)最大橫向流速值見表4。

表4 不同流量下橋區(qū)河段水流條件特征值(推薦橋型)

在濕地公園疏浚后，橋區(qū)河段最大流速減少0.46 m/s，減少幅度為21.88%；橋區(qū)河段最大橫向流速減少0.33 m/s，減少幅度為33.67%，橋區(qū)河段最大橫向流速降低為0.65 m/s，航道條件得到改善。

4 船舶操縱模擬試驗(yàn)

4.1 船舶操縱模擬試驗(yàn)

擬建橋梁與上游涪江六橋、下游新達(dá)成鐵路橋較近，且處于彎道水域，通航環(huán)境復(fù)雜，因此，有必要開展大橋船舶操縱模擬試驗(yàn)研究，利用船舶操縱模擬器分析橋梁方案能否滿足設(shè)計(jì)船型航道安全航行的要求，評(píng)價(jià)方案合理性，分析船舶通過橋區(qū)水域的航行風(fēng)險(xiǎn)。在考慮疏浚工程推薦方案的條件下，選擇的試驗(yàn)船型為1 000噸級(jí)貨船(長(zhǎng)85.0 m×寬10.8 m×吃水2.0 m)、1頂2船隊(duì)(長(zhǎng)160.0 m×寬10.8 m×吃水2.0 m)。根據(jù)模擬試驗(yàn)最不利原則，選擇敞泄流量、中洪水流量、3 a一遇流量和10 a一遇流量。選擇該地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向和對(duì)船舶影響最大的風(fēng)向?yàn)樵囼?yàn)條件，分別為N、S、W和E風(fēng)，風(fēng)力選擇為5～7級(jí)。各工況下雙線航行軌跡見圖4。

圖4 不同流量工況下雙向航行軌跡

根據(jù)船舶操縱模擬試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)1 000噸級(jí)貨船模擬試驗(yàn)中，上行時(shí)橋址處航跡帶寬度為34.7 m，下行時(shí)為76.0 m，雙向航行時(shí)上下行船舶各自靠右，軌跡均在通航水域內(nèi)，航跡帶與擬建涪江橋主橋墩存在較大安全富余量；但下行航跡帶距離新達(dá)成鐵路橋的富余量最小為1.8 m，從操縱風(fēng)險(xiǎn)分析，在6、7級(jí)風(fēng)況條件下，1 000噸級(jí)貨船可通過橋區(qū)水域。

2)1頂2船隊(duì)模擬試驗(yàn)中，5級(jí)及以下風(fēng)力情況下，船隊(duì)可順利通過新達(dá)成鐵路橋、涪江橋、涪江六橋組成的橋群水域；當(dāng)出現(xiàn)6級(jí)風(fēng)時(shí)，上行船隊(duì)存在觸碰左側(cè)岸線的風(fēng)險(xiǎn)，下行船隊(duì)存在觸碰新達(dá)成鐵路橋主橋墩的風(fēng)險(xiǎn)。

3)1 000噸級(jí)貨船在橋區(qū)水域下行失控時(shí)，除在偏E強(qiáng)風(fēng)時(shí)存在觸碰右主墩的風(fēng)險(xiǎn)外，其它工況均可順利通過涪江橋；1頂2船隊(duì)在無風(fēng)情況下可順利通過涪江橋，當(dāng)出現(xiàn)橫風(fēng)時(shí)，雖可通過涪江橋，但觸碰新達(dá)成鐵路橋的風(fēng)險(xiǎn)較高。

4.2 橋梁抗船風(fēng)險(xiǎn)分析

現(xiàn)有的船橋碰撞概率計(jì)算模型均存在各自優(yōu)缺點(diǎn)，本文結(jié)合AASHTO和KUNZI模型的優(yōu)點(diǎn)，以AASHTO模型為基礎(chǔ)，針對(duì)其不足之處進(jìn)行以下2點(diǎn)改進(jìn)：

1)對(duì)幾何概率分布曲線的改進(jìn)。AASHTO模型在計(jì)算幾何概率時(shí)，其航跡分布曲線是以航道中心線為正態(tài)分布中心、船舶長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)差的理想化分布，而忽略了風(fēng)、流、人為因素等的影響，本研究建立的船舶數(shù)學(xué)模型加入了風(fēng)、流、地形及人為操作的影響，在船舶模擬器上得到船舶航跡帶分布，見圖5。在風(fēng)、流及人為因素等影響下，航跡帶正態(tài)分布中心并不位于航道中心線上，因此，對(duì)各個(gè)橋墩船撞幾何概率影響也相差較大。

注：陰影部分為橋墩船撞幾何概率。

2)引入停船概率函數(shù)。當(dāng)船舶發(fā)生偏航駛?cè)霂缀闻鲎矃^(qū)，如船舶能在碰到橋墩之前停住，則即使偏航也不會(huì)發(fā)生碰撞事故；船舶在碰到橋墩前不能停下，則必定發(fā)生碰撞事件。因此，引入KUNZI模型停船概率函數(shù)Fs，該函數(shù)綜合考慮了船舶機(jī)械性能、噸位、平均航速、外形尺寸、駕駛者平均素質(zhì)、橋位處水流特性以及橋墩外形尺寸等諸多因素，是一個(gè)考慮比較全面的分布函數(shù)。

(1)

式中：f(s)為停船距離分布函數(shù)；D為沿橫向方向距離橋軸線的距離；均值μs和方差σs的取值可通過船舶數(shù)學(xué)模型得到。

改進(jìn)后的AASHTO模型中船橋發(fā)生碰撞的概率計(jì)算公式如下：

P=NPAPGPS′

(2)

式中：P為船橋發(fā)生碰撞的概率；N為根據(jù)船舶類型、大小和裝載情況分類的船舶年度數(shù)量；PA為船舶的偏航概率；PG為碰撞的幾何概率；PS為船舶未能停船概率，PS=1-FS。

采用改進(jìn)后的AASHTO經(jīng)典碰撞模型對(duì)1 000噸級(jí)貨船的碰撞概率進(jìn)行了計(jì)算，涪江六橋的船橋碰撞概率最大為2.8×10-7次/a，擬建橋梁的船橋碰撞概率最大為5.13×10-9次/a，新達(dá)成鐵路橋的最大碰撞概率2.29×10-3次/a。擬建涪江橋的碰撞概率小于《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》中1×10-3次/a的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，鐵路橋的碰撞概率大于《公路橋梁抗撞設(shè)計(jì)規(guī)范》中1×10-3次/年的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 布置方案適應(yīng)性分析

根據(jù)涪江特大橋船舶操縱模擬試驗(yàn)，在各級(jí)工況下，擬建涪江橋右側(cè)主橋墩的最大碰撞年頻率為5.13×10-9次/a。因此，右側(cè)主橋墩的碰撞年頻率極低，可以認(rèn)為右墩跨過了通航水域；左側(cè)主橋墩位于通航水域邊線以外且位于設(shè)計(jì)最高通航水位時(shí)(10 a一遇)的水面線以上；擬建大橋推薦方案通航孔主跨305 m，跨過了橋區(qū)河段通航水域(寬253 m)，滿足規(guī)范要求。

5 工程建成后橋梁通航凈空尺度

1)根據(jù)數(shù)模計(jì)算成果，濕地公園疏浚后，當(dāng)橫向流速為0.65 m/s時(shí)，Ⅲ-(3)級(jí)航道單向通航凈寬增加值為65 m，雙向增加值為130 m。擬建大橋單孔雙向最小通航凈寬為240 m。大橋通航孔寬度為305 m，扣除紊流寬度13 m，橋墩寬度10 m，通航凈寬計(jì)算值為282 m，大于最小通航凈寬240 m，滿足規(guī)范要求。

2)左岸通航水域邊線結(jié)合上下游橋梁通航孔左墩、扣除橋墩紊流寬度后連線確定；由于下游已建新達(dá)城鐵路橋不會(huì)拆除，右岸通航水域綜合考慮上下游橋梁通航孔右墩連線，并根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算流場(chǎng)圖，從上游涪江六橋主通航孔右墩處紊流寬度外，沿著水流流向，下沿至橋位處的直線擬定為右岸的通航水域邊線。

圖6 推薦橋型通航水域

推薦方案通航孔跨度305 m，其左側(cè)橋墩位于通航水域以外；右側(cè)橋墩與上下游橋梁的通航孔對(duì)應(yīng)布置，扣除紊流寬度后跨過了右岸通航水域，因此推薦方案通航凈寬滿足要求。經(jīng)界定，推薦方案的通航水域?qū)?53 m。

根據(jù)水流流向與航線夾角確定通航凈寬：擬建大橋軸線處可通航水域?qū)挾葹?53 m(遠(yuǎn)期)，投影至航線法線方向?yàn)?36 m，本橋與上、下游橋梁采取對(duì)孔布置，通航孔跨度305 m，設(shè)計(jì)凈跨287 m，大橋一孔跨過通航水域，能夠滿足要求。

6 結(jié)語

1)根據(jù)擬建涪江特大橋船舶操縱模擬試驗(yàn)，在各級(jí)工況下，航跡帶與擬建大橋通航孔2側(cè)橋墩存在較大安全富余量，通航孔右側(cè)橋墩的碰撞年頻率極低，左側(cè)橋墩位于設(shè)計(jì)最高通航水位時(shí)(10 a一遇)的水面線以上。因此，經(jīng)船舶操縱模擬試驗(yàn)研究驗(yàn)證，擬建大橋橋墩布置方案可行；

2)大橋采用單孔雙向通航，一孔跨過通航水域，大橋通航凈空尺度滿足通航要求，對(duì)工程河段的航道及航標(biāo)配布無影響；

3)擬建大橋推薦方案主跨305 m一孔跨過通航水域，大橋的通航孔能夠滿足通航船舶的安全通航要求，且在滿足通航標(biāo)準(zhǔn)的條件下，最大程度減小跨度，節(jié)約投資；本項(xiàng)目建成后將拆除上游老達(dá)成鐵路橋，屆時(shí)航路將大為縮短且更為順暢，因此擬建大橋?qū)νê桨踩绊戄^小。