通航河流桥梁主动防船撞措施探讨

陈明栋，黄世连

（重庆交通大学，重庆400074）

从航道维护及船舶驾驶人员的角度来看，通航河流中建设的桥梁均属碍航建筑物。原因是桥梁的墩、梁结构压缩了天然河流的通航净空尺度，不同程度地挤占通航水域，并且会诱发河床演变，导致水流条件恶化。其结果不仅增加了船舶驾驶操纵的难度，也增加了船撞桥的风险概率。不少船撞桥实例表明，发生船撞桥的主要原因之一是天然河道上碍航桥梁的出现，而这些桥梁多数是在建设方案拟定时未能充分考虑河道的建桥条件和船舶通航等要求，以致桥梁建成后桥墩及梁拱结构对船舶航行产生障碍。因此，要避免船撞桥事故的发生，首先应从桥梁选址、桥跨方案和桥墩位布设以及通航净空尺度等三大主要环节认真对待，即从桥梁建设环节去减小船撞桥发生的概率，以避免事故的发生。这就是从防船撞角度进行的桥梁主动防撞。

1 建桥对船舶航行安全的影响

桥梁设计阶段，当受到桥梁选址、路线走向及交通疏导功能、两岸征地撤迁以及工程造价等建桥条件限制时，往往容易忽视对河流特性、河床演变规律及船舶通航要求等因素的认真考虑，其结果导致了桥梁的选址不理想，桥跨、桥墩布置不当，通航净空尺度设计不足等。碍航桥梁不仅会恶化航道水流条件，增加船舶航行难度，严重的将诱发船撞桥事故的发生，这对水运通道的畅通及船舶航行安全构成了巨大隐患。

重庆白沙沱长江大桥就是众多存在通航安全隐患的桥梁之一。该桥位于重庆白沙沱和江津珞璜乡之间，修建于1958年。大桥共设16个桥孔，主跨为4孔80 m一联下承铆接连续钢桁梁（图1）。白沙沱大桥是一座双线铁路桥，北接成渝铁路，南接川黔铁路，对西南、西北地区的物流运输和经济发展起着重要作用。然而受早年建桥技术标准及财力等条件制约，使其因较差的河道条件和偏小的桥跨成为长江上游著名的碍航桥梁。

长江白沙沱河段（图2）上游为峡谷型河道，枯水时两石盘出露，岸线不规则；洪水期水流湍急，船舶下行航速较高，船舶出峡后很难在仅约700 m的航程范围内，调整航向对准80 m的通航桥孔。桥梁的下游是一大江心洲（中坝），主航道位于左岸。随着长江水位变化，主流及主航道位置相应改变。不同水位期主流流向与桥轴线法向夹角变动较大，不仅使得航道条件多变，水流夹角远不能满足规范小于5°的要求，实际上缩小了原本就不宽裕的通航净宽。因此该桥建成至今已酿成了上百起船撞事故，仅在2005年的洪水期，一月左右的时间内就发生5次船撞桥事故。

图1 重庆白沙沱长江大桥Fig.1 Chongqing Baishatuo Yangtze River bridge

随着我国桥梁建设速度猛增，水运事业的发展也随之提速，航行船舶的数量及载重吨位都在迅速增加。要减小对桥梁和船舶安全航行的影响，避免船撞桥事故的发生，就需要在桥梁建设前期对拟建桥梁的通航条件及通航安全技术要求进行研究和评价，即从桥梁选址、桥跨方案的拟定以及桥墩位的布设等环节着手，从桥梁建设环节去减小船撞桥发生的概率，以避免船撞桥事故的发生。

图2 重庆白沙沱长江大桥河段Fig.2 Chongqing Baishatuo Yangtze River bridge reach

2 建桥条件与桥位选择

桥梁为陆上交通带来了很大的便利，是最常见的跨河建筑物之一。然而，由于桥梁建设在通航河流之中，在考虑到桥梁结构要求、工程造价及综合指标合理的前提下，通常难以单方面追求大跨度一跨跨越通航水域。应该说，只要水中设置有桥墩，就会对河道条件及船舶航行带来影响。接下来要做的事就是理性的研究和分析，最大化地减小建桥影响。

2.1 桥梁选址与河道条件

根据国家相关规范和标准，桥址应该选择在单一、顺直的河段上，并尽量避开弯曲河段。原因是顺直河道的主河槽、主流位置及水动力轴线基本固定，水流条件较好。而弯曲河道的主流及动力轴线会在洪、枯水期随水位发生变化，在弯道的环流作用下常伴有泡漩、回流、横流等发生，引起流速分布不均匀，水流条件复杂［1］。弯道还导致不同水位期主航道位置多变、通航条件复杂，使桥墩位很难在不同水位期有效避开船舶航路，由此形成的碍航因素增加了船撞桥风险的概率；同时，弯曲河流中随着水位变化，水流流向与桥轴线法向的夹角随之改变，难以满足桥轴线的法线与主流交角不宜超过5°［2］的要求。例如黄石长江大桥，因其桥址河段河势弯曲，通航净宽偏小，导致施工期内发生了十余起船撞事故，而成为年均船撞事故率最高的大桥。

桥位也不宜选择在分汊、洲滩以及汇合口（河口）等河段。分汊、州滩及河口河段河道主流、主航槽及航道水深会随着汊道分流比改变，洲头、洲尾易出现横向流速和水面比降较大的区域，水流条件差；同时，分流比的变化容易使河床的冲淤不平衡，容易扰动和冲刷河床质，易形成碍航滩险。若桥位选择在该河段，则不稳定的河道条件会对桥梁的建设及安全运行造成一定影响，复杂的水流条件会增加船舶航行难度，更容易造成船撞桥事故的发生。如桃源沆水大桥，大桥位于分汊河段上，距洲头分流点较近，分汊后的水流存在较大偏角；大桥桥墩布置在航槽中间，恶化了桥下的水流条件，缩窄了桥位附近航槽宽度，船舶上行困难下行危险［3］。

桥位应当选择在河床、河势稳定、航槽深浅变化不大的河段［2］。稳定的河床及河势有利于桥梁及相邻水工建筑物的布置。稳定、深浅变化较小的航道在不同洪水位期都能保证航道尺度。而不稳的河床和航道不利于桥区航道区域的划分、航道布置以及桥区航道的维护；同时，桥梁建设后易诱发河床演变，易导致设计航道与桥墩位的错位，增加了船撞桥的概率，不利于船舶安全航行及桥梁的安全运行。例如荆州长江大桥，大桥位于荆州市转弯的分汊河道上，由于汊道兴衰交替，导致主航道变迁异常；而在长江洪水过后，河道冲淤失衡，航道主流改变，原设计通航孔被泥沙淤积，船舶不能正常行驶，对通航造成了巨大影响。

2.2 桥梁选址要求与相邻建筑物的间距要求

以码头为例，两建筑物的间距要求主要是考虑了船舶进出港口的通道、掉头水域面积范围以及船舶间会船需要的水域范围。在码头附近建桥，除应满足间距要求外，还应考虑进出通道水流条件、水中桥墩和桥梁的净空是否妨碍船舶进出及码头正常作业。

桥梁与桥梁的间距指顺水流方向两者轴线的间距。《内河通航标准》相关规定是：I～V级航道应大于代表船队长度与代表船队下行5 min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3 min航程之和［2］。而对不满足《内河通航标准》间距的多座桥梁即为桥群［4］。

以前在桥梁间距要求的“国标”制定时，受建桥技术和造价的控制，早年建设的桥梁跨度均相对较小，水中往往布设有多个桥墩。船舶经过大桥时，需要根据航行标志调正航向对准通航桥孔航行。当河道中建有多座桥梁时，船舶调整航向的时间和距离减少，极易因操纵不当或失控撞上桥梁，特别是对于洪水期高速下行的船舶，因船舶对岸航速较高，很难以保证船舶沿正常航路航行，稍有不慎就将发生船舶撞击桥墩的海损事故。为此，《内河通航标准》做出了以上规定。但随着经济的发展和建桥技术的提高，大跨度桥梁和一跨过江桥梁越来越多，这些桥梁桥墩较少，且大多远离航道，对通航的影响也越小，当所处通航水域无碍航水流时，两桥可靠近布置［5］。

当拟建桥与已建桥并排修建，构成“并建桥”或“复线桥”时，两桥的相邻边缘间距应控制在50 m内，且通航孔必须相互对应［2］。“并建桥”的修建会形成“桥洞”效应，当“并建桥”之间的桥间距增大或多桥并排时，“桥洞”纵深长度增加，巷道效应就越明显。当船舶进入该区域时，既要克服水流条件的影响，又要驾驶船舶连续避让多座桥梁的桥墩，驾驶员将承受巨大的心理压力，对船舶安全航行不利。但对水流平缓、河道顺直的河网地区，两桥的边缘距离经论证可适当加大［2］。

3 桥梁跨度与桥墩位的合理布置

3.1 桥跨布置的主要原则

桥梁的跨度和桥墩位的布置与桥梁的总体布置、造价、技术难度等都有密切关系，对通航河道的水流流态、河床演变及船舶的安全航行都有影响。从减小建桥对河流及通航影响角度来看，桥跨的布置首先应满足《内河通航标准》中最小航宽的规定，其次应考虑设置的桥墩位是否恶化水流条件、诱发河床演变，避免侵占船舶航道。在我国已建桥梁中，有许多为了降低工程造价而参照最小通航净宽设置桥跨的实例，由于设置的桥墩压缩了原河道通航尺度和船舶航迹带范围，在通航河流中增加了碍航点和船舶撞桥的风险概率，其结果不仅给船舶航行安全构成巨大威胁，也对桥梁的寿命和结构安全带来长久的危害。

3.2 不同河段上桥孔的布置要求

在地理环境不同的山区和平原河流上，由于河流洪水涨落幅度、河槽断面形状、河床构造等存在差异，桥跨和墩位的布置也有所区别。

山区河流特点是洪水陡涨陡落，河槽断面狭窄，岸线不规则，开阔段与峡谷段相间出现，河道主流及航线范围多随水位改变，航道条件较复杂。优点是河床稳定性较好，除少量冲击性浅滩外，河床多年可保持不变。但是在山区河流峡谷河段建桥，桥孔布设不宜压缩河槽，宜单孔跨越；桥轴线方向的选择应主要考虑对通航安全影响较大的水位期，尽量使其轴线与河岸线或洪水总趋势正交。

平原河流河面较宽，纵坡平缓，河流分汊河槽游荡，由于河床多为细颗粒泥沙组成，河床形态受洪水冲击影响较大。在这种河道上建桥，桥跨和墩台的布设应充分考虑航道条件，主桥孔宜跨越主航道和河槽变化范围。在规划的主航线范围及主桥孔的两端，应有效护岸，防止航槽变迁。在滩槽不稳定的分汊河段上，桥孔布设应预估各汊流量分配比例的变化，并设置同流量分配相对应的导流或固滩建筑物；游荡河段，桥孔布设不宜过多压缩河床，应结合适当的治理规划，辅以必要的整治工程，在深泓线可能摆动的范围内均应布设桥孔。

嘉陵江水土大桥（图3）是桥孔布设较为成功的例子。该桥最小通航净宽验算选用参数是嘉陵江发生20 a一遇洪水时，计算桥轴线附近最大流速约3.5 m/s，桥址主通航孔范围水流与桥轴线夹角法向夹角按洪水期8°～11°，取最大 11°，计算得横向流速达到 0.64 m/s。

根据《内河通航标准》规定，“水上过河建筑物轴线的法线方向与水流流向的交角不宜超过5°”，超过后航宽计算应采用交角不大于5°时最小通航净宽值+偏航距或横流附加值的方法计算。根据嘉陵江河口段Ⅲ-（2）级船舶尺度，由《内河通航标准》表5.2.2-1查得最小单向和双向通航净宽分别为75 m和150 m，由表C.0.3取得横向流速0.64 m/s的横流增加值为41 m。因此，计算得到的最小通航净宽为：

图3 嘉陵江水土大桥河段河势图Fig.3 River regime of Jialingjiang Shuitu Bridge reach

单向净宽 Bm1＝75+41=116 m；双向净宽：Bm2＝150+2×41=232 m。

考虑该河段处于弯道，桥跨布置主要根据河势及各水位期河道主流及船舶航迹线情况。河道左岸为枯水主河槽，嘉陵江枯季船舶航迹线基本都位于此区域，因此主河槽中不宜设墩。同时为避免枯水上行船舶在绕开主流沿左岸缓流区上行时误撞桥墩，或下行船舶落弯后发生的船舶撞墩，左主墩宜布置在枯水河岸以上。

右主墩布置主要考虑了中、洪水期主流及船舶航迹带范围。随着嘉陵江水位上涨河道主流逐渐右移，洪水期主流中心距左主墩约260 m。由于下水船舶一般顺主流航行，实际船舶航迹线区域也随主流摆动至河心，其变化范围大于300 m（距左主墩），右主墩水域虽然不是洪水期船舶航行区域，但是应考虑下行船舶在意外失控情况下顺流而下很容易到达此区域。为避免意外情况下发生船撞事故，经过对黄家嘴边滩石梁分布情况下的航道尺度、桥墩距水沫线及占据航道水域宽度，以及三峡工程蓄水后航槽可能发生的演变分析，建议将主桥孔跨度增大到380 m以上。经多方案的优化，最终提出了388 m的大跨方案。该桥跨不仅跨越了原河道各水位期的船舶航迹带范围，而且在三峡工程正常蓄水后的高水位期，两主墩均不碍航。

3.3 桥孔跨度与桥梁间距之间的关系

随着交通及城市的扩容发展，桥位资源日渐匮乏。以致小间距范围建桥情况越来越多出现，特别在城市中心区域这种情况就更加普遍，当桥梁间距小于《内河通航标准》要求时，学术界简称为“桥群”。桥群河段若桥梁水中设有墩，会使得船舶没有足够时间找准航向避开桥墩，这样极易诱发船撞桥事故。目前，陆上交通的特殊需求使桥群不断出现已不可避免，关键的是当桥梁间距不满足要求时，是否可以通过增加桥梁跨度来缓解和减小建桥的影响。近年来对此进行的“桥群”相关研究［4］对类似问题取得了较为合理的参考方法，即建立了桥梁间距减小程度与增加跨度的耦合关系，表达如下

式中：Dp为两桥间的实际桥间距，m；D为考虑一定河道条件、水流条件、通航量等因素下的，两桥间合理桥间距，m；L为代表船舶（队）长度，m；S为桥梁跨度，m；α为指数，取α＜1.3，具体取值根据具体桥群河道通航条件取定，必要时应根据实船试验和数值船模计算或河工物理模型试验结果确定。

以金沙江宜宾河口段“桥群”（金沙江南门大桥—金沙江戎州大桥）为例。金沙江河口段位于宜宾主城区范围，该河段水域较狭窄，汛期流速大且流态紊乱。金沙江南门大桥与戎州大桥间距1 000 m，两桥最小桥跨为240 m，存在一定的船撞风险。由于该河段航道基本顺直，参考“桥群”研究成果［4］中顺直河道合理桥间距验算公式

式中：ξ为桥梁间距影响系数，综合反映航道条件，建桥后通航水流条件、船舶流量、气象及风流影响等，该河段取ξ=1.2；n为船舶下行时间，s，取n=5 min；Va为船舶下水对岸航速，m/s，取Va=25 km/h。算得该河段两桥间合理间距D=2 500 m。根据该河段航道条件，取α=1.25，由式（1）可得两桥1 000 m间距所需桥跨S≈330 m。由于两桥桥间距较合理桥间距减小了1 500 m，为保证船舶航行安全，桥梁跨度不应只是单桥所需的桥梁跨度，应在其基础上加大90 m。

当拟建桥梁与已建桥梁并排修建形成“并建桥”时，会使通航孔桥墩延长，形成船舶航行的“巷道效应”，其桥墩对水流的影响比单一桥梁更大。因此，“并建桥”除满足现行《内河通航标准》相关规定外，还应增加桥梁跨度或采取撤孔并跨方法加大桥梁跨度。

4 通航净空尺度

桥梁的通航净空尺度主要指通航桥孔的净高和净宽尺度，在桥梁的设计中其取决于通航桥孔布置和桥梁跨度的选择，其尺度大小直接影响着航道的通航能力和船舶的航行安全，也决定着内河航道航运资源的利用及远期发展。

4.1 通航净高尺度

通航净高尺度的确定主要是考虑了船舶的桅杆高度以及船舶装载减少时的上升高度。通航净高尺度的拟定对船舶的通航要求和航运资源的保护有较大的影响，同时也和桥梁引桥长度、工程造价等密切相关。所以净高尺度的确定需要通过多因素的充分研究、论证确定。

在确定桥梁通航净高尺度时，在满足规范要求的基础上，还应结合河道梯级渠化后航道等价的规划发展、通行船舶尺度和运输量的需求，对具体工程所需的净高尺度进行研究，并留出一定的富裕度［6］。同时，桥梁通航净高尺度的确定还应当结合相邻建筑物的规划发展。在港口、船厂、矿区码头等区域附近及库区的桥梁，在确定通航净高尺度时，应当考虑其规划和发展再对净空尺度进行研究论证。

4.2 通航净宽尺度

通航净宽尺度与所在航道水流条件、代表船舶尺度和桥梁通航孔通行方式等密切相关。桥梁通航净宽尺度不应小于规范要求的限制值，同时在确定通航净宽尺度时应当考虑航道渠化后的等级变化和相邻建筑物的规划发展，留出足够富裕。构成“桥群”的拟建桥通航净宽尺度可参考“桥群”研究成果［4］桥跨的计算加大通航净宽尺度。而对于“并建桥”，其通航净宽尺度可参考“桥群”研究成果［4］的“巷道效应”影响因子方法计算。

顺直河道复线桥即“洞桥”，桥梁间距的影响因子用下式估算

其中当复线桥由两座桥组成时，km=0.623 9××θ0.3；当复线桥由三座桥组成时，km=0.453 2××θ0.3+ 0.109 7。

式中：Bm为“并建桥”通航净宽；Km为“并建桥”影响因子；B0为单座桥梁基本净宽；Jd为桥洞长度，m；L为船队长，m；θ为水流方向和桥轴线法线方向的交角，以弧度表示。

5 主动防船撞的其他措施

桥梁主动防船撞措施除以上方法外，还可以采用一些主动防撞设施引导船舶安全航行，减小建桥对船舶航行的影响，减小船撞桥事故的发生。

主动防撞设施主要是航行标志、导航设施、雷达以及卫星监控的设备等引导船舶沿正确航道行驶。其中航行标志的作用是引导船舶沿规定航线和通航桥孔安全通过桥区［7］，包括侧面浮标、岸标、管线标、专用警示标以及桥区的桥涵标和界限标等。航行标志的齐全配布和良好的维护为船舶的航行安全提供了有力保证。船舶导航设施为船舶应对复杂航道和恶劣天气航行提供了极大的帮助。船舶导航设施有VDR、GMDSS系统、AIS船舶自动识别系统、ARPA雷达、电罗经、探测仪、GPS卫星导航仪、船舶卫星跟踪系统等［8］。这些系统能及时发布安全预报及预警、监控船舶的航行状况，在突发、突遇状况前可以预告和指挥船舶避险，也可以迅速组织施救，减小和避免海损事故的发生，从而降低事故损失。

6 结语

综上所述，在通航河道的桥梁设计时，应充分考虑建桥后桥梁对通航船舶的影响，采用主动防撞措施，避免船撞桥事故的发生。桥梁的主动防撞措施主要是从桥位选择、桥跨和墩位布置、桥梁通航净空尺度确定及桥区航标的配布是否完善等方面出发，减小桥梁对船舶航行的影响，引导船舶正常航行，从而减小船撞桥事故发生的概率，达到主动防撞的目的。

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［4］陈明栋，杨斌，王多垠，等.桥群河段通航关键技术研究研究报告［R］.重庆：重庆交通大学，2010.

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