文章借助Mike 21模型和NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對擬建的長塘郁江特大橋橋區(qū)開展模擬試驗(yàn)，綜合評估了橋區(qū)水流條件、通航凈寬、通航凈高以及橋墩布置的合理性，并優(yōu)化了橋墩設(shè)計(jì)布置方案，提出了安全有效的通航保障措施。結(jié)果顯示：工程前后橋區(qū)附近水流流態(tài)整體良好，滿足通航規(guī)范要求；擬建橋梁通航凈寬應(yīng)≥269 m，橋墩間凈寬≥292 m，以滿足規(guī)劃Ⅰ級航道代表船型安全航行的要求。研究方法和結(jié)果為開展同類型涉水橋梁對通航條件的影響評估提供參考和借鑒。

郁江；通航條件；數(shù)值模擬；船舶操縱模擬器

U661.33A652133

作者簡介：

張建球（1987—），碩士，高級工程師，主要從事水運(yùn)工程設(shè)計(jì)、咨詢及檢測工作。

0" 引言

在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的指引下，為構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量國家綜合立體交通網(wǎng)，我國交通建設(shè)邁入高質(zhì)量發(fā)展新階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年全國新增及改善高等級航道總里程達(dá)1 000 km。在水運(yùn)事業(yè)蓬勃建設(shè)的背景下，航道升級、船型增大和船舶數(shù)量提升的現(xiàn)狀對航道通航能力及通航條件提出了更高的要求。同時，面對每年新增的眾多涉水大型橋梁，綜合開展新建橋墩附近流場分析及通航安全影響評估，并優(yōu)化涉水橋墩設(shè)計(jì)布置方案，對于避免船舶與橋墩碰撞安全事故的發(fā)生，確保船舶通航安全以及橋梁使用安全具有重要的現(xiàn)實(shí)和工程意義［1］。

廣西水資源豐富，水系發(fā)達(dá)，江河湖庫眾多，具有組建航運(yùn)河網(wǎng)的天然優(yōu)勢。2022年，平陸運(yùn)河開工建設(shè)，這是我國首條江海聯(lián)運(yùn)戰(zhàn)略大通道。運(yùn)河起始于南寧橫州市西津庫區(qū)平塘江口，終點(diǎn)位于北部灣的欽州港。運(yùn)河起始點(diǎn)高差達(dá)到65 m，分為馬道、企石和青年3個梯級，全長共計(jì)135 km［2］。隨著平陸運(yùn)河工程和南寧至貴港3 000噸級航道工程的建設(shè)，航道等級的提升和船舶大型化對沿線橋梁通航的凈空尺度和橋墩布置提出了更高的要求。以擬建G322五塘至新江公路長塘郁江特大橋?yàn)槔?，橋梁設(shè)計(jì)跨徑為330 m，河面寬度約為380 m。在常水位條件下，通航孔橋墩涉水。因此，為保障船舶通航安全，擬建橋梁不僅要滿足凈高尺度要求，同時橋墩位置也要盡量避免建在船舶習(xí)慣和規(guī)劃航路上。

本文通過Mike 21數(shù)值模型和NT-PRO5000型船舶操縱模擬器開展橋梁通航凈空尺度和橋墩布置合理性分析，綜合全面評估郁江特大橋水域通航安全，并提出了安全有效的通航保障措施。

1" 研究區(qū)域及研究方法

1.1" 研究區(qū)域

郁江是珠江流域西江水系的主要支流，流經(jīng)云南、貴州、廣西三個省區(qū)，全長為1 160 km，流域面積達(dá)9.35×104 m2，多年平均徑流量約為479×108 m3。擬建的長塘郁江特大橋位于南寧市青秀區(qū)長塘鎮(zhèn)郁江上，距離平陸運(yùn)河上游平塘江口約81 km，距離下游西津樞紐約105.5 km。上下游主要跨河建筑物如圖1所示。

長塘郁江特大橋?yàn)橹骺缈鐝綖?30 m的獨(dú)塔雙索面斜拉橋，橋梁設(shè)計(jì)為單孔雙向通航。擬建橋梁通航孔涵蓋了現(xiàn)狀、規(guī)劃航道及中洪水期上下行航線，且要求橋梁建設(shè)不改變原河道船舶的通航習(xí)慣。橋區(qū)河段郁江航道等級為Ⅰ級，通航3 000噸級內(nèi)河船舶，兼顧平陸運(yùn)河5 000噸級單船。橋址處河道整體較順直，常水位河道橫斷面寬度約為380 m，下游1 km處河道斷面收縮至250 m，此處左岸存在邊灘。在?？菟磺闆r下，過往船舶均與左岸需保持一定安全距離，如圖2所示。

1.2" 研究方法

研究借助Mike 21水動力模塊開展擬建橋梁橋區(qū)水動力模擬，通過對比工程前后的流場分布及變化評估涉水橋墩的礙航情況。模型的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

ht+hu—x+hv—y=hS（1）

動量方程：

hu—t+hu-2x+hu—v—y-fv—h+ghηx=1ρ0hPax+gh22ρx+Ax+husS（2）

hv—t+hv-2y+hu—v—x-fu—h+ghηy=-1ρ0hPay+gh22ρy+Ax+hvsS（3）

式中：t——時間；

x、y、z——Cartesian坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

d——靜止水深；

h=η+d為總水深；

η——水位；

u、v、w——流速在x，y，z方向上的分量；

ρ0——水的密度；

Pa——當(dāng)?shù)氐拇髿鈮骸?/p>

本項(xiàng)目運(yùn)用NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對橋區(qū)航道的設(shè)計(jì)船型、船隊(duì)在不同水位條件下進(jìn)行通航模擬試驗(yàn)。該方法的有效性在中山市35號路長江大橋和培森柳江特大橋的通航論證中得到了證明［3-4］。

基于船舶操縱模擬的郁江特大橋通航安全研究/張建球，李思倫

1.3" 工況設(shè)置及代表船型

根據(jù)南寧至貴港3 000噸級航道工程報告，擬建長塘郁江大橋最高通航水位采用20年一遇水位——72.50 m，最低通航水位為58.65 m（1985國家高程）。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）（以下簡稱《通航標(biāo)準(zhǔn)》）［5］，結(jié)合西江航運(yùn)干線內(nèi)河運(yùn)輸方式［6］、平陸運(yùn)河規(guī)劃，擬建橋梁通航代表船型為平陸運(yùn)河5 000噸級貨船（90 m×15.8 m×5.0 m）和3 000噸級船隊(duì)（223 m×16.2 m×3.5 m）。

2" 橋梁通航凈空尺度分析

2.1" 水流條件分析

研究采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對橋址上下游約2 km水域進(jìn)行模擬計(jì)算（圖3）。模型計(jì)算工況分別為20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在20年一遇水位工況下，橋址至上游3倍船長（690 m）內(nèi)流速在1.51～2.58 m/s，平均值為2.19 m/s，橫向流速最大值為0.40 m/s；汛限水位工況下，流速在1.00～1.88 m/s，平均值為1.67 m/s，橫向流速最大值為0.28 m/s；在最低通航水位工況下，流速為0.09～0.14 m/s，平均值為0.12 m/s，橫向流速最大值為0.01 m/s。綜合來看，橋梁建設(shè)前后橋區(qū)附近水流流態(tài)較好，水流條件沒有發(fā)生顯著變化，滿足通航規(guī)范要求。

2.2" 通航凈寬計(jì)算

根據(jù)《通航標(biāo)準(zhǔn)》，Ⅰ級航道要求橋梁凈空寬度應(yīng)≥220 m。各工況下橋址處橋軸線法線方向與水流方向交角最大為-10.01°，橫向流速最大值為0.40 m/s，橋墩順?biāo)鞣较蜷L度為26.5 m，由此計(jì)算得出橫流加寬為40 m，橋梁斜交加寬為9 m，最終確定橋梁通航凈寬=正交條件通航凈寬+橫流加寬+斜交加寬=220+40+9=269 m。

在洪水條件下，由于上游流量較大，水流速度增大，橋墩附近可能形成紊流區(qū)從而威脅通航安全。因此，橋梁跨徑需充分考慮橋墩所形成的礙航紊流區(qū)寬度。根據(jù)相關(guān)研究總結(jié)的紊流寬度計(jì)算公式［7］，計(jì)算出紊流區(qū)寬度為23 m。因此，建議橋梁采用通航凈寬≥269 m，橋墩間凈寬≥292 m的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足代表船型通航凈寬的要求。

2.3" 通航凈高復(fù)核

擬建橋梁通航凈寬范圍內(nèi)梁底高程≥91 m。當(dāng)最高通航水位為72.5 m時，橋梁通航凈寬范圍內(nèi)設(shè)計(jì)凈高為18.5 m，側(cè)高與凈高一致，滿足規(guī)劃Ⅰ級航道代表船型安全航行凈高要求，因此不存在通航風(fēng)險。

3" 優(yōu)化方案通航條件研究

3.1" 船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)

本研究采用NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對擬建大橋橋區(qū)的設(shè)計(jì)船型、船隊(duì)進(jìn)行通航模擬試驗(yàn)［4］。設(shè)計(jì)代表船型分別選取3 000噸級貨船、5 000噸級散貨船（平陸運(yùn)河型）、3 000噸級一頂二船隊(duì)。模型試驗(yàn)方案選擇20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況，風(fēng)向選擇最不利的偏北（005°）風(fēng)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3 000噸級貨船、5 000噸級船舶（平陸運(yùn)河船型）、3 000噸級一頂二船隊(duì)等在過橋時的最大操縱舵角為20°，最大漂角為6.5°，最大航跡帶寬度為147.2 m。這表明上述船型在上行/下行通過橋區(qū)水域時，操縱難度不大，橋梁通航凈寬269 m滿足代表船型各工況下航跡帶寬度要求。

根據(jù)船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果，提出航行優(yōu)化方案如下：

（1）船舶（隊(duì)）下行至擬建橋梁下游1 km處彎道前，提前減速至＜20 km/h，避免船舶（隊(duì)）因航速過快而沖出航道邊線導(dǎo)致觸岸事故的發(fā)生。由于橋梁下游1 km左岸存在邊灘，上行船舶在強(qiáng)風(fēng)流條件下過彎困難，建議船舶（隊(duì)）避免在彎道處相遇，以免發(fā)生碰撞或觸岸事故。

（2）設(shè)計(jì)船型通過橋區(qū)時，洪水期下行（順流）航速控制在＜20 km/h，上行（頂流）航速保持＞7 km/h。同時在靠近橋墩附近時，駕駛員可根據(jù)具體情況控制航速，保持船舶與橋墩的安全距離。

3.2" 橋墩布置合理性分析

根據(jù)橋梁通航凈寬計(jì)算和船舶操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果，擬建橋梁269 m通航凈寬滿足代表船型通航寬度要求。結(jié)合橋址河段河床條件，由于下游1 km左岸存在邊灘凸出問題，并且河道深槽偏右岸（南岸），由此造成船舶習(xí)慣航路偏河道右岸。因此，布置橋梁主跨時應(yīng)考慮主橋墩盡量偏向右岸，并且保證右岸橋墩應(yīng)避免對船舶習(xí)慣航路及規(guī)劃航道產(chǎn)生影響。見圖4。

在枯水位時，擬建長塘郁江特大橋右岸水深約為2 m，7#橋墩應(yīng)靠岸布置從而避免對船舶習(xí)慣航路及規(guī)劃航道產(chǎn)生影響。在7#橋墩上游約70 m處岸勢略微向河道凸出（圖5），7#橋墩受岸勢凸起掩護(hù)，過往船舶與橋址處右岸亦應(yīng)該保持一定距離。根據(jù)洪枯水位航跡線調(diào)查，上、下行航跡線距離7#橋墩距離均≥50 m，擬建橋梁通航孔可覆蓋各水位期的船舶習(xí)慣航路，滿足船舶上下行通航需求。

4" 結(jié)語

（1）在20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況下，工程前后橋區(qū)附近水流流態(tài)整體較好，水流條件沒有發(fā)生較大變化，滿足通航規(guī)范要求。

（2）對于主墩涉水的橋梁，涉水橋墩位置需要綜合考慮船舶習(xí)慣航路和規(guī)劃航道布置。擬建長塘郁江特大橋根據(jù)洪枯水期習(xí)慣航路、船舶仿真操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果，確定主跨橋墩應(yīng)偏向河道右岸，以減少橋墩對船舶通航的影響。

（3）擬建橋梁河道條件復(fù)雜，下游1 km河道左岸邊灘凸出，通過二維水流數(shù)值模型和船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)?zāi)苋嬖u估建橋?qū)Υ昂叫械挠绊?，并提出合理的通航保障措施?/p>

［1］孔憲衛(wèi)，張慶河，李曉松，等.基于船舶操縱模擬的橋區(qū)水域通航風(fēng)險評價研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2022，43（5）：667-672.

［2］葉飛武.平陸運(yùn)河分洪方案研究［J］.廣西水利水電，2023（4）：91-93，97.

［3］黃立文，張" 蔚，嚴(yán)慶新，等.船舶操縱模擬器在橋梁/船閘通航方案論證中的應(yīng)用［J］.船海工程，2007（4）：91-93.

［4］韓若會，李曉松，黃偉軍.基于船舶操縱模擬的橋區(qū)水域通航安全研究［J］.水道港口，2022，43（4）：484-488.

［5］GB 50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］譚" 力，梁" 芳.西江干線跨江橋梁通航船型適應(yīng)性評價與分析［J］.西部交通科技，2020（6）：157-159，177.

［7］莊" 元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗(yàn)研究［J］.中國航海，2007（3）：5-9，44.

20240516