橋區(qū)航道優(yōu)化布置設(shè)計研究

艾萬政,丁天明

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院,浙江 舟山 316000)

橋區(qū)航道優(yōu)化布置設(shè)計研究

艾萬政*,丁天明

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院,浙江 舟山 316000)

橋區(qū)航道布置與交通事故密切相關(guān).我國關(guān)于橋區(qū)航道布置規(guī)范主要考慮的因素是船舶的船型尺度,并沒有考慮船舶的操縱特性和橋區(qū)水流條件.如果按照我國的相關(guān)規(guī)范來設(shè)計橋區(qū)航道,是不利于船舶通航安全的.因此有必要綜合考慮船舶的操縱性、橋區(qū)的水流特性及船型尺度來探討橋區(qū)航道的布置方法.本文重點研究了船舶在橋區(qū)操縱性及橋區(qū)水流特性,并在此基礎(chǔ)上提出了橋區(qū)順直航道及橋區(qū)彎曲航道的優(yōu)化布置設(shè)計方法.研究結(jié)果表明:橋區(qū)的航道寬度是布置橋區(qū)航道的關(guān)鍵.橋區(qū)的航道寬度設(shè)計應(yīng)充分考慮船舶的操縱性及橋墩水流特性;橋區(qū)航道寬度應(yīng)該是船舶航跡帶寬度、船舶操縱性所引起的附加寬度、船間距離等參變量的疊加,同時橋區(qū)的航道應(yīng)該布置在橋墩紊流區(qū)范圍之外.通過以上分析,本文還從船舶操縱理論及統(tǒng)計理論兩個角度提出了橋區(qū)航道布置方法.

水路運輸;交通事故;操縱性;航道寬度;浮標

1 引 言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展,中國的橋梁建設(shè)也越來越多.截止到2010年,中國跨度超過200 m 的跨江或跨海橋梁的數(shù)量已經(jīng)突破400多座.橋梁不僅會給交通運輸帶來方便,更重要的是橋梁建設(shè)能促進經(jīng)濟的發(fā)展[1].如舟山跨海大橋構(gòu)筑出一條全天候的舟山——大陸通道,使舟山從孤懸海中的島嶼,變成同大陸相連的半島,成為大陸伸向海洋的港口城市.橋梁建設(shè)雖然對社會發(fā)展帶來巨大的驅(qū)動力,但是如果橋區(qū)的航道布置不合理,橋區(qū)通航事故頻發(fā),橋梁也有可能成為阻礙經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸.就拿長江中游的黃石大橋來說,由于大橋選址在水運繁忙而河道彎曲的水域,再加上橋區(qū)的航道不夠合理,僅在1993年4月16日至9月16日的147 天中,就發(fā)生撞橋事故16起,沉船9艘,直接經(jīng)濟損失數(shù)百萬元.由此看來,合理布置橋區(qū)航道,保持水上交通的暢通,對于保障經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義.

橋區(qū)航道布置的關(guān)鍵問題是科學(xué)論證航道寬度并合理設(shè)置浮標.目前我國橋區(qū)航道的布置方法,主要是參考《內(nèi)河通航標準》及《海港總平面設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求來進行[2].但是這兩個法定文獻在確定橋區(qū)航道布置時,僅以代表船型的尺度來確定航道寬度,并沒有考慮船舶的操縱特性和橋區(qū)特殊的水流特性.事實上,航道的主要功能是服務(wù)于船舶通航,在考慮橋區(qū)航道布置時,首當其沖就得考慮船舶的操縱性和橋區(qū)水流條件.因此,《內(nèi)河通航標準》及《海港總平面設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于橋區(qū)航道布置的規(guī)定應(yīng)該進一步完善.橋區(qū)的航道不同于別的航道,由于橋墩的存在,橋區(qū)的水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜,復(fù)雜的水流條件是導(dǎo)致船舶撞墩的重要誘因之一.胡旭躍及莊元等人[3-5]認真研究了橋墩的紊流范圍,他們認為,紊流區(qū)內(nèi)存在大量的漩渦,不太適合船舶通航,因此橋區(qū)的航道應(yīng)該布置在橋墩紊流范圍之外.胡旭躍及莊元等人的觀點對于橋區(qū)航道的布置有一定的積極意義,但是他們也較少考慮船舶的操縱特性.劉明俊等專家針對橋區(qū)通航做了大量的研究工作,他們從船舶操縱的角度研究橋區(qū)通航保障問題,取得了較有價值的成果[6].但他們所研究的出發(fā)點主要是從宏觀上討論風和水流對船舶運動的影響,較少考慮橋墩特殊的水流條件對船舶通航的影響.

綜上所述,國內(nèi)外專家關(guān)于橋區(qū)的航道布置問題雖然研究較多,但總的缺陷是不夠全面.橋區(qū)的航道布置應(yīng)該綜合考慮船舶的操縱特性、橋區(qū)水流條件以及代表船型尺度等因素來科學(xué)設(shè)計.本文的目的,就是在考慮船舶操縱性的基礎(chǔ)上,結(jié)合橋區(qū)的水流條件、船型尺度,來研究橋區(qū)航道寬度和浮標的優(yōu)化布置設(shè)計方法.

2 基于船舶操縱理論的橋區(qū)航道布置設(shè)計

2.1 橋區(qū)航道布置應(yīng)考慮的因素

橋區(qū)航道的寬度與交通事故概率密切相關(guān).圖1是對某一橋區(qū)航道統(tǒng)計出來的交通事故概率與橋區(qū)航道寬度的關(guān)系曲線[7].圖1 中 k 表示交通事故概率,B 表示橋區(qū)航道寬度.圖1 表明,橋區(qū)航道寬度越寬,交通事故發(fā)生的概率就越低.但是,橋區(qū)航道不可能無限加寬,因為這樣會浪費航道資源.同樣,橋區(qū)的航道也不可能太窄,太窄船舶操縱不便,交通事故會頻發(fā).因此對于橋區(qū)的航道寬度,應(yīng)該依據(jù)航道設(shè)計的通航標準來進行科學(xué)設(shè)計.航道寬度設(shè)計時考慮的因素應(yīng)包括:代表船舶的航跡帶寬度、船與船之間的安全間距、附加寬度、船與橋墩之間的安全間距等.航道的附加寬度主要是由于船舶操縱性而引起的航道加寬值.對于橋區(qū)順直航道而言,最重要的附加寬度應(yīng)該是風致漂移量及流致漂移量;對于橋區(qū)彎曲航道而言,最重要的附加寬度除了風致漂移量及流致漂移量以外,還應(yīng)考慮船舶過彎甩尾量.

圖1 交通事故與航道寬度的關(guān)系Fig.1 The relationship between accident and fairway's width

(1)流致漂移量.

流對船舶操縱最大影響是使得船舶產(chǎn)生漂移.船舶在流中航行如圖2 所示.設(shè)船舶航行的方向與 Y 軸的夾角為 α,船速為 Us,流速為 Uc,流與Y軸的夾角為β.如果船舶沿Y軸方向航行的距離為 S,則船舶沿 X 軸方向產(chǎn)生的漂移量 ΔB1為

圖2 船舶流中航行示意圖Fig.2 Ship's navigation in current

(2)風致漂移量.

跟流致漂移量的計算方法一樣,通過建立適當?shù)淖鴺讼?可以得到船舶在風場中的風致漂移量ΔB2為式中 K 為系數(shù),K=0.038 ～ 0.041;Ba是船體水線以上側(cè)面受風面積(m2);Bw是船體水線以下側(cè)面面積(m2),Bw=L·d(L 為船長,d 為船舶吃水); Vs是船舶的風中航速(kn);Va是相對風速(m/s); af(°)是航道軸向與風向的夾角.

(3)船舶的航跡帶寬度.

如圖3 所示,如果船舶的船長為 L,船寬為 b,船舶航行偏離航道軸線的夾角為 α,則船舶航向所占的航跡帶寬度 Bt為

圖3 船舶航跡帶寬度Fig.3 Ship's track width

(4)船間間距.

船舶之間由于受到水動力的作用會產(chǎn)生船間效應(yīng).船間效應(yīng)是一個較復(fù)雜的問題,目前關(guān)于船間效應(yīng)范圍的大小只停留在定性分析層面.在設(shè)計航道寬度,考慮船舶之間安全間距的時候,必須要考慮到船間效應(yīng).日本學(xué)者藤井在統(tǒng)計大量船舶交通事故數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了船舶領(lǐng)域的概念[8].船舶領(lǐng)域模型現(xiàn)普遍應(yīng)用于分析船舶避碰原理及航行水域的船舶交通流量狀況.船舶領(lǐng)域是一船駕駛員將其他船舶和固定物體保持在外的圍繞該中心船的有效水域范圍.該領(lǐng)域一般可認為是一個橢圓形,領(lǐng)域的大小與船舶尺度、航速以及環(huán)境狀況有關(guān).對于橋區(qū)或限制水域,當船舶以正常速度航行時,其滿域尺寸的平均值在船首尾線方向上一般取 6 倍船長,橫向上一般取 1.6 倍船長.船舶領(lǐng)域被認為是綜合考慮了船間效應(yīng)等多種因素的綜合作用.船舶領(lǐng)域模型如圖4 所示.由圖4 可知,對于雙向航道,船舶之間的安全橫間距L至少應(yīng)為L＞0.8(L1+L2) (4)式中 L1是上水船船長;L2是下水船船長.

圖4 船舶領(lǐng)域范圍Fig.4 The scope of ship field

(5)船與橋墩安全間距.

在橋區(qū),由于橋墩的存在,水流遇橋墩必須繞流.在繞流的過程中,在橋墩的迎流面形成駐流,在橋墩的背流面形成匯流,橋墩表面沿航道法線方向存在推船流或吸船流.就船舶的通航安全而言,吸船流對船舶航行最為不利.由于吸船流是在橋墩附近沿著航道寬度方向分布,因此橋墩附近沿航道寬度方向吸船流的最大范圍,可作為船舶距離橋墩的最小距離.大量的研究表明,吸船流在航道寬度方向上距離橋墩表面的最大垂直距離K與航道的表面流速 U及橋墩迎流面最大寬度 B密切相關(guān)[9-12].本文擬用 RNG k- ε 模型來研究橋墩紊流范圍.RNG k- ε 模型的控制方程包括:

①質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程).

②動量守恒方程.

③k-方程.

④ ε-方程.

式(5)-式(8) 中相關(guān)參數(shù)的含義如下:xi(= x,y,z) 為三維坐標軸下的的坐標;ui(=ux,uy,uz)三維坐標軸下的三個軸向流速;ρ是水流的密度;p是壓強;ν是水流的動力粘度;νt是渦粘度,νt= Cμ(k2/ε),k 表示紊動能, ε 為紊動能耗散率,Cμ= 0.085.

其他參數(shù)的取值為:

表1是由數(shù)值模擬得出的在不同的U和B條件下的K的結(jié)果數(shù)據(jù).

表1 K數(shù)值模擬結(jié)果Table1 The K simulation results

圖5 K與相關(guān)影響因素之間的關(guān)系Fig.5 The relationships between K and relevant factors

表1是數(shù)值模擬的結(jié)果.將表1中的數(shù)據(jù)繪制成圖5中的曲線并將圖5曲線進行擬合,可以得到K的經(jīng)驗表達式如下:

式(9) 的適用范圍為:U=18-50 cm/s,B= 0.5-3.0 m,流速 U 的單位是 cm/s,橋墩最大寬度B 的單位是 m,K 的單位也是 m.

2.2 橋區(qū)順直航道布置方法

在布置橋區(qū)浮標時,左右浮標之間的航道寬度至少應(yīng)該疊加以下參數(shù):上下水船舶的風致漂移量、上下水船舶的流致漂移量、上下水船舶的航跡帶寬度、上下水船舶之間的橫向安全間距.同時橋區(qū)的浮標離橋墩的距離至少應(yīng)大于式(9)所計算出的K的大小.

2.3 橋區(qū)彎曲航道布置方法

彎曲航道水深分布不均勻,一般凹岸一側(cè)水深較大,凸岸一側(cè)水深較小.凸岸常淤積邊灘,并附有沙嘴、沙腳等淤積物,有的潛伏水下伸入河中甚遠,上行船舶沿岸航行不慎易吸淺.彎曲河段主流線彎曲,兩岸水勢有高低之分,常伴有背腦水、掃彎水、斜流和回流不正常水流,對船舶航行安全不利.因此,彎曲航道橋區(qū)航道寬度應(yīng)該在順直航道寬度的基礎(chǔ)上適當加寬.由于船舶在過彎道時必須經(jīng)常用舵才能保證船舶航行在航道中心,因此船舶過彎轉(zhuǎn)向存在著以轉(zhuǎn)心為支點的甩尾量,這一甩尾量可以被看作是彎曲航道寬度的加寬值.為計算方便,將彎曲航道近似地看作是半徑為 R 的圓弧.這樣,船舶在無風、流影響的情況下,船舶過彎甩尾量 B1可分別用下式計算.

(1)當α1＞0、α2≥0 時(如圖6 所示).

根據(jù)圖6,可得

式中 b(m)為船寬;P(m)為轉(zhuǎn)心至船尾的距離; R(m)為彎道曲率半徑;α1、α2分別為船舶進入、駛出彎道時的航向角(°),沿航道軸線方向逆時針旋轉(zhuǎn)到船舶首尾線為正,反之為負.

(2)當α1＞0、0≥α2≥-α1時(如圖7 所示).

圖7 船舶甩尾量(α1＞0、0≥α2≥-α1)Fig.7 Ship's whipping value( α1＞0、0≥α2≥-α1)

根據(jù)圖7,可得

3 基于統(tǒng)計理論的橋區(qū)航道布置設(shè)計

如前所述,橋區(qū)航道寬度設(shè)計時應(yīng)考慮船舶的航跡帶寬度、船與船之間的安全間距、附加寬度、船與橋墩之間的安全間距等.如果用統(tǒng)計理論來研究橋區(qū)的航道寬度問題,則橋區(qū)雙向航道通航如圖8所示.

圖8 橋區(qū)雙向航道通航Fig.8 Navigation in double-direction channel

由圖8可知,無論是順直航道的附加寬度還是彎曲航道的附加寬度,附加寬度值均可被認為是船間間距 d 及船與橋墩的安全間距 c1(或 c2)的一部分.船間間距 d、船與橋墩的安全間距 c1(或 c2)均可用數(shù)理統(tǒng)計知識來求取.

3.1 船間間距 d

假若 x1為左行船偏離航道航行帶軸線的隨機概率值,x2為右行船偏離航道航行帶軸線的隨機概率值,那么船舶間不發(fā)生碰撞而安全航行的概率可表示為 P(x1+x2＜d).統(tǒng)計規(guī)律表明,隨機事件多遵循正態(tài)分布,因此相遇船舶間橫距分布也可看成正態(tài)分布.則船舶安全航行而不發(fā)生碰撞的概率為

式中 ρt為兩船偏離航道航行帶軸線的合均方差.由于左行船和右行船偏離航道航行帶軸線的行為可以看成是兩個獨立的隨機變量,且 x1和 x2也遵循正態(tài)規(guī)律,則由正態(tài)疊加原理可得

式中 ρx1為左行船偏離航行帶軸線的均方差;ρx2為右行船偏離航行帶軸線的均方差.

將式(12)變形為

由于

如果令船舶偏離航道航行帶軸線而發(fā)生碰撞事故的概率為 P1,則 P1為

聯(lián)合式(17)和式(13)可得

在疏浚和改善航道時,如果事先確定了船舶偏離航道航行帶軸線而發(fā)生碰撞事故的概率為 P1,同時根據(jù)多年統(tǒng)計的均方差 ρx1、ρx2,則完全可確定船間間距d.

3.2 船與橋墩安全間距 c1(或 c2)

假定船舶駛出航道邊緣而碰撞橋墩的概率為P2,則兩舷駛出航道邊緣的概率之和為 2P2.在遵循正態(tài)分布規(guī)律的前提下,左行船兩舷駛出航道邊緣的概率可表示為

式中 ρx1為船舶駛出航道邊緣而碰撞橋墩的均方差.

將式(19)變形為

由上式可得

同理可取得右行船與岸壁的安全距離為

式(21)和式(22)表明,根據(jù)多年統(tǒng)計,在事先得知船舶駛出航道邊緣而碰撞橋墩的均方差及事故概率的前提下,可以對橋區(qū)航道進行優(yōu)化.

4 研究結(jié)論

在充分考慮船舶在橋區(qū)操縱特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合橋墩附近的特殊水流結(jié)構(gòu)條件,研究了橋區(qū)航道的布置方法.研究結(jié)果表明:橋區(qū)航道浮標之間的航道寬度應(yīng)該是船舶航跡帶寬度、風致漂移量、流致漂移量、船間安全間距及附加值的疊加;同時,橋區(qū)的航道應(yīng)該布置在橋墩吸船流范圍之外.本文還從船舶操縱理論及統(tǒng)計理論兩個角度提出了橋區(qū)航道的布置方法.

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Research on Fairway Layout in Bridge Waters

AI Wan-zheng,DING Tian-ming
(Navigation Shcool,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316000,Zhejiang,China)

Bridge area traffic accident is closely related with fairway layout.The important considered factors in bridge waters fairway layout are mainly ship's dimensions,ship's maneuvering characteristics and water's condition are neglected in Chinese fairway layout regulation.It is adverse to ship's safety navigation if only ship's dimensions are considered in fairway layout engineering.So it is necessary to study fairway layout in bridge waters based on considering all related factors.Ship's maneuvering characteristics,water's condition and the fairway layout method in bridge waters are studied.The results show that fairway's width in bridge waters include ship's track width,distance between ships,additional width caused by ship's maneuvering characteristics.Meanwhile,the fairway in bridge waters should be outside of pier's turbulent scope.Fairway layout methods are put forward by using ship maneuvering theory and statistical theory respectively.

waterway transportation;traffic accidents;maneuvering characteristics;fairway's width;buoy

1009-6744(2014)01-0131-07

U698

A

2013-06-19

2013-08-25錄用日期:2013-09-23

浙江省自然科學(xué)基金(Y5110084);浙江海洋學(xué)院課題(X12ZD02)

艾萬政(1971-),男,湖北浠水縣人,博士,副教授.*通訊作者:aiwanzheng@126.com