桥群河段通航条件及通航安全研究综述

陈 明，陈明栋，杨 斌，王多银

(重庆交通大学 河海学院，重庆 400074)

“桥群”通常是指桥区河段上建有两座或两座以上、且其间距不满足《内河通航标准》(以下简称“内标”)［1］要求的多座桥梁桥群，对船舶航行安全带来很大影响，对桥区通航条件的影响、桥梁选址与墩跨布设、桥区通航安全保障措施等方面带来新的技术难题.本文基于国内外大量研究资料，系统论述了桥群河段通航条件及通航安全的研究现状，并探讨了其研究前景.

1 桥群建设对通航条件的影响

桥梁建设与航道建设同为交通基础设施建设，对区域经济乃至国民经济的快速发展都起着重要作用，但规划设计时考虑的侧重点不尽相同，一些桥梁在规划设计中常常忽视可能对通航造成的影响.仅从单桥而言，其建设对通航造成的影响主要表现在:①改变桥区的通航水流条件;②改变桥区河床演变规律;③改变桥区习惯航线;④桥址选择、桥跨布设不当对桥区通航条件的影响;⑤施工期对桥区通航条件的影响［2-9］.

相比单座桥梁，桥群建设对通航条件的影响更为复杂.在理论研究方面，张兰丁［10］根据桥墩群体绕流的复变函数理论解给出了在平面无旋流条件下多个桥墩绕流的理论解，并采用该理论解，通过试算得出了桥墩横断面的理论曲线，从而可根据预定的墩间流速进行多个桥墩绕流时的横断面设计，合理地确定桥墩间距，并可给出墩间二维流场理论解.林巧［11］通过菜园坝桥群河段的物理模型试验(包括水流与船模试验)，分析了桥群建设前后对水流条件及船舶航行的影响程度，同时也分析了不同间距桥梁的修建对通航条件的影响.随着计算机领域的高速发展，数值模拟在桥区通航条件中的应用与研究已得到了充分的发展.林姗［12］利用自主研发的船舶操纵运动仿真平台，通过船舶航行参数的变化，就菜园坝河段桥群的建设对船舶航行的影响进行了研究.陈明［13］基于重庆石板坡长江大桥—储奇门河段的河势条件以及通航环境，将该河段(桥群河段)半概化为山区河流典型的顺直微弯河道，通过平面二维水流数学模型，详细研究了桥群河段上桥间距与桥跨的不同组合时分别对通航水流条件的影响程度.J.G.Duan［14］通过水深平均的二维水动力学模型对清水环境下圆形桥墩群的水流条件进行了数值模拟，并考虑由于水流分离和漩涡而引起的流线曲率影响，得出了水流摩擦项中的一个修正因子.小间距桥梁(复线桥等)的建设对通航带来的影响亦不容忽视.彭钜新［15］针对跨河桥群引发的通航标准问题开展了初步的探讨，研究了桥洞纵深长度和船舶通视角等对船舶安全通过桥区的影响，以及船舶碰撞角和桥群斜交时桥梁净宽要求的影响.吴飞等［16］为研究桥墩组中轴线与水流方向夹角过大对河流流场的影响，采用平面二维数学模型首先模拟不同夹角下桥墩组对理想矩形水槽水流流场的影响，然后结合工程实例进行计算，结果表明桥墩组中轴线与水流方向夹角越大，桥墩对水流流场影响越大，得出了将左右桥墩错开布置可较好地减少因桥墩组中轴线与水流方向夹角过大而引起的对河流流场不利的影响.胡旭跃等［17］利用平面二维非恒定流定床模型，分析研究了肇庆西江大桥复线工程建成后桥区通航水流条件.桥(墩)群建设对通航水流条件的研究手段，已发展到了三维水流数学模型.何国建等［18］采用具有自由水面和河床切应力计算的三维数学模型分析了桥墩群对河道水流的影响.此外，在桥梁施工期间，桥墩围堰、导向船定位及锚定设施将占据较大部分通航水域，船舶可通航宽度缩窄，加之工程船舶和供应船舶穿梭，也会给船舶航行和避让造成很大困难［19］.曾永容［20］对两座特殊对孔布置桥梁可能对桥区通航条件的影响分施工期和营运期进行了专门探讨.

2 桥群河段桥梁选址与桥跨布设

关于桥梁选址和桥跨布设涉及的因素和学科门类较多，需要采用跨学科的方法来综合考虑［21-22］.针对桥群河段上的桥梁选址，王多银等［23］提出，桥址选择应合理利用岸线，并充分考虑拟建桥对上下游桥梁的影响.而纵观其他有关研究成果，针对桥群的甚少，较为普遍的是针对单座拟建桥梁的选址、桥墩桥跨布设和通航技术要求的专题研究［24-27］.与单座桥梁相比，桥群河段桥址选择和桥跨布设不仅要对桥区的航道条件进行调查分析，且需考虑两座或多座桥梁对船舶航行安全的共同作用.因此，在此类河段上进行桥址选择和桥跨布设研究时，考虑航道条件的同时，还应考虑桥梁间距、桥梁净空尺度对船行安全的影响等关键环节.

对于纯粹的桥梁间距研究，“内标”规定:两座相邻水上过河建筑物的轴线间距，Ⅰ～Ⅴ级航道应大于代表船队长度与代表船队下行5min航程之和，Ⅵ级和Ⅶ级航道应大于代表船队长度与代表船队下行3min航程之和.由此看来，一方面，桥间距要求是桥梁建设过程中的重要设计内容;而另一方面，“内标”中桥间距的规定较为笼统，未对桥间距的计算进行细化，而实际的河道条件常常千变万化，船行安全对桥间距的要求也自然不同.后来闵朝斌［28］对“内标”中“两座相邻水上过河建筑物的轴线间距”进行分析讨论，在与欧美国家进行比较后，对我国内河通航标准提出了修改建议.K.Shoji［29］则认为，若顺直航道中桥梁间距小于船长的8倍，或者主通航孔的跨度小于船长的2～3倍，船撞桥的风险概率就会提高.

实际上，桥间距与桥跨大小(桥梁净宽)并非独立的，两者间存在一定的耦合关系，即桥间距一旦减小，船行对桥跨的要求必然增大，反之亦然.因此，对桥间距与桥跨的布设研究，应予以综合考虑.陈明［13］通过采用平面二维水流数值模拟和小尺度船舶物理模型试验相结合的方法，同时以桥跨与桥间距作为研究对象，得出了在山区河流典型的顺直微弯桥群河段上的桥跨与桥间距的合理组合.林巧［11］通过菜园坝桥群河段，对形成的桥群桥梁选址及桥跨布置方法进行了细化研究，提出了试验河段在已有桥梁的约束下修建新桥合适的桥间距和桥跨布设方案.针对小间距桥梁或复线桥等，黄美兰［30］根据每座桥的桥前壅水高度，采用壅水平衡法综合确定每座桥的孔径长度，从而确定一河多桥的总长度.徐亚平等［31］对平原宽滩河流上的一河多桥特殊情况下的流量分配方法进行了简要分析，给出了计算方法，以便合理确定一河多桥桥孔位置及合理的桥孔长度.彭钜新［15，32］基于桥洞纵深长度和船舶通视角等对船舶安全通过桥区的影响，以及船舶碰撞角和桥群斜交时桥梁净宽的要求，提出了限制桥洞纵深长度等的建议和调整桥群净宽的计算方法;同时通过引入桥洞纵深长度概念结合航道轴线夹角、水流夹角等，提出了桥洞通航净宽尺度的计算方法.

3 桥群河段通航安全保障措施

解决桥区的通航安全，就是避免过往船舶通过大桥通航水域时发生船舶撞击桥梁的海损事故.防止船舶撞击桥梁的安全保障措施主要分为两大类，一是主动设防，二是被动设防.主动设防安全保障措施主要包括设置航标和导航系统、建立应急救助体系、改善桥区航道条件等［33－34］;被动设防是指对桥梁采取直接的保护，防止和阻拦船舶撞击大桥，或减轻船舶撞上桥梁后对结构的破坏，目前在该领域的研究，较为多见的是针对防撞装置的研究［35-36］.但无论是主动设防，还是被动设防，目前更多的也是针对单座桥梁，对于桥群河段安全保障措施的研究涉及较少.

4 展望

结合桥群河段通航条件及通航安全研究现状，认为可着重从以下几方面进行更为深入的研究:

(1)桥群建设后，由于通航水域中桥墩数相比单桥增多，对桥群河段的河床演变规律、河势条件影响更为明显.因此，通过河工物理模型和数值模拟相结合的试验方法研究桥群建设对通航条件的影响显得十分重要.

(2)本文分析阐述的桥间距与桥跨布设研究成果，所提出的桥间距计算公式较为笼统，而实际河道上的船行安全对桥间距的要求却不尽相同，若按原有公式计算则不利于节约岸线资源.故亟待开展针对不同河道条件的桥间距计算公式的研究，使之物理意义明确、参数取值合理、使用方便.

(3)对于桥区通航安全保障措施的研究，目前大多数仅局限于单座桥梁，而针对桥群河段配布水上标，以整体考虑、统一管理的论断涉及很少.因此，将桥群河段通航安全保障措施及相关要求进行一体化研究的思路，不仅是该领域的研究方向，同时也符合现代化的管理理念和经济需要.

(4)为规范桥群的建设和加强桥群河段的通航安全管理，应及时结合相关研究成果，制定针对桥群的桥梁选址、桥跨布设、桥型选择等一系列的基本原则和技术要求.

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