航道橋梁船撞風險概率模型的研究

李佩云,郝 偉

(蘭州交通大學,甘肅蘭州 730070)

航道橋梁船撞風險概率模型的研究

李佩云,郝 偉

(蘭州交通大學,甘肅蘭州 730070)

如今船橋碰撞風險已逐漸成為橋梁工程界所面臨的尖銳問題之一,因此對其進行概率分析與風險評估具有重要意義。對國內外常用的6種船撞橋概率模型進行比較,選擇戴彤宇模型作為基本模型并對其中的碰撞影響系數(shù)及幾何概率積分區(qū)間進行一定的修正,利用正態(tài)分布的原理計算得到船撞橋的總概率。將失控船舶與非失控船舶分開考慮并分別計算它們與橋梁發(fā)生碰撞的概率,以便全面細致地揭示失控船舶與非失控船舶對事故發(fā)生的影響,根據所得概率與常用規(guī)范確定是否采取保護措施,并運用工程實例說明了該修正模型的實用性。

船撞橋； 概率模型;碰撞影響系數(shù);失控船舶

0 引言

隨著交通運輸業(yè)與航運業(yè)的飛速發(fā)展，大量跨江，跨海橋梁橫跨在水面上，使得陸上交通運輸更加便利，由于橋墩的布設會使通航孔凈寬變小，從而影響航運的發(fā)展，因此橋梁工程的建設對水上交通運輸來說無疑是一個障礙物。據國內外統(tǒng)計資料表明,在國外平均每年均有一座大型橋梁因船舶撞擊而倒毀或遭受嚴重破壞,長江干線上近年來也發(fā)生了幾起較大的船撞橋事故,如武漢長江大橋因跨距較小而發(fā)生船撞橋事故,黃石長江大橋因水流流向與橋梁垂線夾角達到15°之大而引起事故。因此從長遠角度考慮,必須對船撞橋問題引起足夠重視并進行風險分析,其中確定船橋碰撞的概率當屬首要問題,由于大多數(shù)船撞橋事故是船艏與橋墩的撞擊所引起的,因此本文只對船艏與橋墩相撞的概率進行估計。

1 船橋碰撞概率模型介紹

通過風險識別這一過程可以盡量識別出船撞橋事故的所有潛在風險因素,歸納可知船橋碰撞事故主要由人員失誤,機械故障以及惡劣的自然環(huán)境這3個因素引起,理論上應該對這3個因素分別構造船橋碰撞概率模型,最后計算總碰撞概率,但這種方法很難運用到實際情況中,可以將這3個因素綜合考慮然后通過一定的數(shù)學模型近似的表達出來,并根據船橋碰撞事故數(shù)據和觀測得到的橋區(qū)通航環(huán)境其他方面的數(shù)據確定模型中的參數(shù),目前國內外建立了如下表所示的比較典型的6種簡化概率模型,見表1。

這些模型各有利弊,前4類是國外模型,并不一定適合我國的情況,后兩類相比較而言戴彤宇模型更具有廣泛的適用性,為了使其更加精確,本文對其中的參數(shù)進行一定的修正。

2 構造船撞橋總概率模型

式中:Ni——i類船舶單位時間內的通航量;

fi——i類船舶的碰撞影響系數(shù),由于中已考慮偏航概率,因此只與幾何概率有關;

PGi——幾何概率即船舶進入可能碰撞區(qū)域的概率,通常服從正態(tài)分布(見圖1)。

2.1 通航船舶的分類

在確定每一類船舶單位時間內的通航量之前必須先對不同的船型進行統(tǒng)計和分類,不同的分類方法所得結果也不盡相同,通常采用DWT—船舶載重噸位進行分類。根據調研資料和DWT分類法,得到的各種船型的基本參數(shù)見表2［2］。

2.2 碰撞影響系數(shù)［3-6］

fi共有10個方面因素的影響:

表1 6種常用的簡化概率模型

圖1 幾何概率計算

表2 各船型參數(shù)

(4)大霧因素μ2=(D′—一年中能見度小于1 000 m的霧日天數(shù);D—全年通航天數(shù);K—大霧影響系數(shù);S1—能見度不好時的距離取1 000 m;S2—能見度好時的距離取10 000 m); (5)船舶偏航概率—該類型船舶年偏航次數(shù);f（m）—船舶通航頻率;當缺少統(tǒng)計資料時,常用事故率代替,取0.000 1);

(7)船舶航道交通管理水平系數(shù)(根據當?shù)貙嶋H情況確定);

(1)作假設H0:F(x)=F0(x，θ1···θk),若θj未知,則用）替代

(2)將字樣分成l個互不相交的區(qū)間(ai-1，ai］，i=1，2, ···l,計算Pi=F(ai)-F(ai-1)，i=1，2，···l

(9)水流因素(收集不同水位下水流的流速);

(10)船舶交通密度系數(shù)(低交通密度取1.0;中等交通密度取1.3;高交通密度取1.6)。

fi值確定方法:用專家調查法分別對以上10個因素賦以不同的權重值進行加權求和。

根據上述方法研究者做了大量的調查與計算工作,得到普遍情況下可供參考的不同類型船舶的碰撞影響系數(shù):船隊fi=0.05;油船fi=0.07;水船fi=0.12。

2.3 幾何概率

2.3.1 航跡分布的檢驗

大多數(shù)學者所研究的水域內的船舶航跡恰好都服從正態(tài)分布,本文用檢驗法做擬合優(yōu)度檢驗,為的是進一步證明船舶航跡分布的規(guī)律。

x2檢驗法的步驟:

2.3.2 確定期望和方差

美國AASHTO規(guī)范以航道的中心線為均值,設計船只的總長為標準差,由于我國的實際情況與其不符,因而本文直接采用耿波對三峽庫區(qū)研究的結果［7］:μ=0.2w，σ=0.1w(w為航道寬度)。

2.3.3 確定積分區(qū)間

橋墩周圍形成的復雜流態(tài)嚴重影響船舶航行安全,應該在原先的積分區(qū)間(A，B)中引入橋墩形成的總紊流寬度E［8］,使船橋碰撞區(qū)拓寬為墩寬,紊流寬及船寬三者之和,且橋墩左右兩側紊流寬度近似相等。

式中:KC，KS——常數(shù)系數(shù),且KC=0.88,KS=1.0(圓柱墩);

v——墩前水流流速(m/s);

b——墩形計算寬度(m);

h——橋墩附近水深(m)。

2.3.4 幾何概率的求解

式中:x——船舶過橋時的位置;

μ——以航道中心線為對稱軸的位置參數(shù);

σ——數(shù)據分布的離散度。

確定了積分區(qū)間與期望,方差后查正態(tài)分布表,由此可以計算得出各個橋墩撞擊的幾何概率,將所有橋墩的相加得總概率。

3 失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率模型

船橋碰撞發(fā)生前船舶有兩種狀態(tài),一種是失控船舶,另一種是未失控船舶即正常能力船舶。戴彤宇的模型僅僅計算的是這兩種狀態(tài)的總概率,并未將兩種狀態(tài)區(qū)分開,不能全面細致地揭示這兩種原因對事故發(fā)生的影響,為此引入一種失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率模型,計算出失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率后,將總概率與之相減便可得未失控船舶與橋梁相撞的概率,實際上船舶失控后還可分為采取拋錨與不采取拋錨兩種措施的計算,本文不再作區(qū)分。

3.1 確定期望與方差［9］

定量分析風流及偏航角對撞橋概率的影響,將風致漂移量,流致漂移量以及偏航角三個近似正態(tài)分布疊加即為船舶失控撞橋概率。由于正態(tài)分布具有相加性,所以將三者的期望與方差分布相加得:

式中:t——失控開始至到達橋梁的時間;

v0——船舶失控時的速度;

Tst——船舶減速時間常數(shù);

aˉ——偏航角分布均值;

β——水流流向;

U——水流流速;

Va3——流淌期的相對風速(m/s);

σa，σw，σf——分別為偏航角,流致漂移量,風致漂移量三個近似正態(tài)分布的標準差;

Ba，Bw——分別為船體上下受風面積,Ba=L·(D-d)，Bw=L·D;

L——船長；

D——型深；

d——吃水;

K——常取0.038～0.041;

K′—淺水修正系數(shù)。

3.2 船舶失控后與橋梁發(fā)生碰撞的概率

4 風險評估

根據AASHTO規(guī)范,對于一般橋梁,整橋的最大年倒塌頻率應小于10-3;對于關鍵性橋梁,整橋的最大年倒塌頻率應小于10-4,為了進行通航橋梁的設計,我國常借用國外規(guī)范作指導,由于存在一些不符合我國實際情況的因素,可以在原先的基礎之上加修正系數(shù),本文用9作為修正系數(shù)。將所得結果與之比較,若在允許頻率范圍內則無需采取補救措施,若超出頻率范圍,可以采用VTS監(jiān)控系統(tǒng),固定式或漂浮式緩沖系統(tǒng)裝置等措施降低船撞橋事故。

5 工程實例應用

福州烏龍江大橋位于福州市東南17 km,在烏龍江渡口下游清涼、金牛兩山的峽口處,這里江面最窄(兩山嘴距離510 m,低潮時水面寬430 m),橫跨閩江南港,該橋總長552 m,橋跨結構為58 m + 3×144 m + 58 m,各剛構間采用33 m簡支T梁連接。橋下通航凈空,按一般高潮位時保持12.3 m,橋面中心標高為19.45 m(羅零)。4個墩身都是鋼筋混凝土空心墩,一、四號墩為淺埋擴大基礎;二、三號墩為管柱基礎。橋位軸線的法線方向與漲潮流方向的最大夾角為11°,與落潮流方向的最大夾角為4°。橋位處最高通航水位+ 6.79 m;橋位處最低通航水位+0.5 m。

5.1 通航船舶的分類

根據《福建省內河航運發(fā)展規(guī)劃》以及綜合考慮航運現(xiàn)狀和未來船舶發(fā)展方向,選用內河一號船型為2×500 t級頂推船隊長111. 0 m ×寬10. 8 m ×最大吃水1.6 m,二號船型為500 t級機駁船長67. 5 m ×寬10.8 m ×設計吃水1.6 m作為代表船型。

5.2 確定碰撞影響系數(shù)

用專家調查法分別對10個因素賦以不同的權重值進行加權求和可直接取2×500 t級的頂推船隊fi=0.05;500 t級機駁船fi=0.07。

5.3 幾何概率

5.3.1 航跡分布的檢驗

經過x2檢驗法可證明船舶航跡分布服從正態(tài)分布,計算結果如下。

5.3.2 確定期望和方差(主通航孔通航凈寬246 m) μ=0.2×246=49.2m，σ=0.1×246=24.6,根據前述過程,粗略估計某一年的船撞橋總概率為3.88×10-3,其中失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率為2.75×10-3,則非失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率為1.13×10-3,該橋屬于關鍵性橋梁,將此概率與9×10-4相比可知該風險是不可接受的,必須采取一定的措施以降低風險。

［1］ 戴彤宇，劉偉力，聶武.船撞橋概率分析與預報［J］.哈爾濱工程大學學報，2003，24(1):23-25.

［2］ 耿波.橋梁船撞安全評估［D］.上海:同濟大學，2007.

［3］ 梁磊.船撞橋概率模型分析［J］.物流工程與管理，2009，31(2): 107-108.

［4］ JTG D-60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［5］ AASHTO 1991，Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges［S］.

［6］ Henrik Gluver，Dan Olsen(eds).Ship Collision Analysis［C］.A.A. Balkema，Rotterdam，1998:1025-1029.

［7］ 耿波，汪宏，王君杰.三峽庫區(qū)橋梁船撞主要影響參數(shù)的概率模型［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2008，36(4):477-482.

［8］ 龔婷.船撞橋事故概率研究［D］.湖北武漢:武漢理工大學，2010.

［9］ 李冰.內河水域船舶失控撞橋概率研究［D］.湖北武漢:武漢理工大學，2010.

U698.6

A

1009-7716(2015)03-0155-04

2014-11-24

李佩云(1990-),女,甘肅蘭州人,碩士研究生,主要研究方向為工程管理和風險管理。