通航拱橋防撞設施設計優(yōu)化試驗研究

蔡新永，李曉飚，蔡汝哲

（重慶西南水運工程科學研究所，重慶400016）

通航拱橋防撞設施設計優(yōu)化試驗研究

蔡新永，李曉飚，蔡汝哲

（重慶西南水運工程科學研究所，重慶400016）

隨著三峽水庫175 m蓄水運行，位于三峽水庫常年回水區(qū)的橋區(qū)，通航寬度進一步變窄，水深增加，橋拱腳高程較低，船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱，極易導致拱橋垮塌，為防止此類惡性事件的發(fā)生，橋梁防撞裝置的建設就顯得尤為重要。以萬州長江公路大橋為例，在橋梁防撞設施設計中，應用小比尺船模技術，對研究成果進行定量和定性分析，提出了船舶碰撞防撞帶不同位置，碰撞后降速的變化規(guī)律和船舶碰撞防撞帶不同位置可能性的變化規(guī)律，為設計方案優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)和理論指導。

物理模型；小比尺船模模型；拱橋防撞

萬州長江公路大橋為鋼筋混凝土箱型拱橋，拱圈、立柱均采用矩形鋼筋混凝土薄壁箱型結構，大橋?qū)嶋H極限抗撞情況的船舶噸位可按拱圈1 094 t、立柱（4#、5#）115 t考慮，大橋自身順水流方向抗撞能力較弱。同時，三峽水庫正常蓄水后，該橋位于三峽水庫常年回水區(qū)。由于該橋拱腳高程較低，僅152.59 m，隨著三峽水庫175 m蓄水運行，大部分時間內(nèi)大橋拱圈將被部分淹沒，橋區(qū)通航寬度進一步變窄，水深增加，未來船舶載重也越來越大，一旦船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱，將極易導致拱橋垮塌，引發(fā)極為惡劣的安全事故［1］。為了更好的配合萬州長江公路大橋防撞設施工程初步設計工作，論證工程設計方案的合理性和可行性，包括研究防撞設施對橋區(qū)河段通航條件的影響，研究典型船型在各種不同工況下撞擊防撞帶后，防撞帶的防撞效果和船舶的狀態(tài)（包括上爬、轉向、翻轉）以及結構運行的可靠性等，以優(yōu)化該工程的設計。

萬州長江公路大橋防撞設施工程采用弧形水上升降式防撞裝置，該裝置是一種新型的橋梁防撞裝置，其主要特點是獨立于橋梁設置，對橋梁進行區(qū)域性防護，可隨庫區(qū)水位自適應升降，并滿足“三不壞”防撞要求。

1 自航船模與防撞設施碰撞試驗研究

1.1 試驗方案、航段及工況

采用自航船模［2-5］和整體水工模型相結合的方式（模型比尺為1∶100）研究不同通航水流條件下，不同船型撞擊防撞帶的典型部位時，防撞帶的防撞效果和船舶的狀態(tài)。萬州長江公路大橋防撞裝置代表船型為5 000 t級和1 000 t級貨船，船模主要性能參數(shù)（見表1）。

表1 主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters

試驗方案主要包括兩個：（1）324 m通航凈寬方案；（2）310 m通航凈寬方案。船模碰撞試驗流量工況及水位：（1）Q=28 400 m3/ s，h橋位=174.22 m，h壩前=175 m（吳淞）；（2）Q=56 700 m3/s，h橋位= 151.80 m，h壩前=145 m（吳淞）。

1.2 試驗航向、碰撞位置及碰撞角度

船模碰撞試驗，考慮到船舶下行碰撞橋梁的危險比上行大得多，所以主要研究下行的碰撞情況。根據(jù)有關規(guī)范和資料計算的結果，下行船舶碰撞防撞帶角度為與橋軸線法線呈16°夾角。船舶碰撞防撞帶的位置為［6］：（1）防撞帶拱頂；（2）距拱頂1/8處；（3）距拱頂1/4處；（4）距拱頂3/8處（見圖1～圖2）。

圖1 船舶撞擊典型部位Fig.1 Typical parts of ship collision

碰撞角度：根據(jù)有關規(guī)范和資料計算的結果，下行船舶碰撞防撞帶角度為與橋軸線法線呈16°夾角。由于防撞帶呈弧形，船舶撞擊防撞帶拱頂、距拱頂1/8處、距拱頂1/4處、距拱頂3/8處四個位置時，船舶撞擊相應撞擊點的角度分別為16°、36°、56°和76°。

1.3 船模碰撞研究成果及分析

（1）324 m凈寬方案試驗情況（Q=28 400 m3/s，H橋位=174.22 m，航道最大流速1 m/s）

5 000 t自航貨船（滿載）碰撞防撞帶拱頂船舶右側上層建筑擦掛橋拱，危及大橋和船舶的安全。324 m凈寬方案，防撞帶距大橋兩側過近，船舶撞擊防撞帶拱頂時，上層建筑可能擦掛橋拱，不能確保大橋和過往船舶的安全。

（2）310 m凈寬方案試驗情況（Q=28 400 m3/s，H=174.22 m）

船模試驗發(fā)現(xiàn)，324m凈寬方案不能確保大橋安全，水工模型對布置方案進行調(diào)整后，又進行了310 m凈寬方案的碰撞船模試驗。

5 000 t自航貨船（滿載）碰撞防撞帶：①碰撞防撞帶拱頂（圖3）：船舶與防撞帶輕擦而過下行，船舶上層與橋拱未接觸，也未出現(xiàn)船舶騎爬防撞帶的情況；②碰撞防撞帶距拱頂1/8處：船舶碰撞防撞帶，碰撞力度大于撞拱頂，船舶略轉向下行，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；③碰撞防撞帶距拱頂1/4處：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/8處，船舶略后退，轉向下行，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；④碰撞防撞帶距拱頂3/8處（圖4）：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/4處，船舶碰撞后，后退，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況。

1 000 t自航貨船（滿載）碰撞防撞帶：①碰撞防撞帶拱頂（圖5）：船舶與防撞帶輕擦而過下行，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；②碰撞防撞帶距拱頂1/8處：船舶碰撞防撞帶，碰撞力度大于撞拱頂，船舶稍有側傾略為轉向下行，船舶未出現(xiàn)翻覆和騎爬防撞帶的情況；③碰撞防撞帶距拱頂1/4處：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/8處，船舶略為斜向上爬（約5～6 m），船舶未出現(xiàn)翻覆，也未與大橋發(fā)生接觸；④碰撞防撞帶距拱頂3/8處（圖6）：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/4處，船舶碰撞后，上爬約6～8 m，船頭未與大橋發(fā)生接觸。

圖2 防撞方案的立面圖Fig.2 Elevation of collision avoidance scheme

圖3 5 000 t自航貨船碰撞防撞帶拱頂（H= 174.22 m）Fig.3 Collision of 5 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H=174.22 m)

圖4 5 000 t自航貨船碰撞防撞帶距拱頂3/8處（H=174.22 m）Fig.4 Collision of 5 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H=174.22 m)

圖5 1 000 t自航貨船碰撞防撞帶拱頂（H=174.22 m）Fig.5 Collision of 1 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H= 174.22 m)

圖6 1 000 t自航貨船碰撞防撞帶距拱頂3/8處（H=174.22 m）Fig.6 Collision of 1 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H= 174.22 m)

（3）310 m凈寬方案（Q=56 700 m3/s，H=151.80 m）

在Q=56 700 m3/s，H=151.8 m時船舶碰撞防撞帶不同部位碰撞防撞帶與Q=28 400 m3/s，H=174.22 m時基本一致，由于船速有所加大，碰撞力度也略加大。

5 000 t自航貨船（滿載）碰撞防撞帶：①碰撞防撞帶拱頂（圖7）：船舶與防撞帶輕擦而過下行，船舶上層建筑與橋拱距離富裕，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；②碰撞防撞帶距拱頂1/8處：船舶碰撞防撞帶，碰撞力度大于撞拱頂，船舶略轉向下行，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；③碰撞防撞帶距拱頂1/4處：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/8處，船舶略后退，轉向下行，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；④碰撞防撞帶距拱頂3/8處（圖8）：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/4處，船舶碰撞后，后退，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況。

1 000 t自航貨船（滿載）碰撞防撞帶：①碰撞防撞帶拱頂（圖9）：船舶與防撞帶輕擦而過下行，船舶上層與橋拱距離富裕，船舶未出現(xiàn)騎爬防撞帶的情況；②碰撞防撞帶距拱頂1/8處：船舶碰撞防撞帶，碰撞力度大于撞拱頂，船舶稍有側傾略為轉向下行，船舶未出現(xiàn)翻覆和騎爬防撞帶的情況；③碰撞防撞帶距拱頂1/4處：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/8處，船舶略為斜向上爬（約6～7 m），船舶未出現(xiàn)翻覆，也未與大橋發(fā)生接觸；④碰撞防撞帶距拱頂3/8處（圖10）：船舶與防撞帶碰撞，碰撞力度大于撞距拱頂1/4處，船舶碰撞后，上爬約8～10 m，船頭未與大橋發(fā)生接觸。

圖7 5 000 t自航貨船碰撞防撞帶拱頂（H=151.80 m）Fig.7 Collision of 5 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H=151.80 m)

圖8 5 000 t自航貨船碰撞防撞帶距拱頂3/8處（H=151.80 m）Fig.8 Collision of 5 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H= 151.80 m)

圖9 1 000 t自航貨船碰撞防撞帶拱頂（H=151.80 m）Fig.9 Collision of 1 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H=151.80 m)

圖10 1000t自航貨船碰撞防撞帶距拱頂3/8處（H=151.80 m）Fig.10 Collision of 1 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H= 151.80 m)

2 自航船模橋區(qū)通航試驗研究

船模通航試驗流量工況及水位：（1）Q=28 400 m3/s，h橋位=174.22 m，h壩前=175 m（吳淞）；（2）Q=37 800 m3/s，h橋位=147.72 m，h壩前=145 m（吳淞）；（3）Q=45 000 m3/s，h橋位=149.23 m，h壩前=175 m（吳淞）。

1 000 t干散貨船（縱流型平頭）：（1）上行情況：大橋設置防撞設施后，船舶通過橋區(qū)河段上行，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三種流量工況試驗中，最大舵角分別為15.84°、17.13°和19.50°，均未達到船模試驗舵角安全限值（25°）；最小航速分別為3.03 m/s、2.02 m/s和1.73 m/s，均明顯優(yōu)于船模試驗最低航速安全限值（0.4 m/s）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三種流量工況時，只要謹慎駕駛，1 000 t船舶可較順利地通過橋區(qū)河段上行；（2）下行情況：大橋設置防撞設施后，船舶下行通過橋區(qū)航道，在所進行的Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s時這三種流量工況船模試驗中，最大舵角分別為11.03°、12.40°和15.91°，均遠未達到船模試驗舵角安全限值（25°）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q= 37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三種流量工況時，只要謹慎駕駛，1 000 t船舶可較順利地通過橋區(qū)河段下行。

5 000 t干散貨船（球鼻艏）：（1）上行情況：大橋設置防撞設施后，船舶通過橋區(qū)河段上行，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三種流量工況試驗中，最大舵角分別為17.22°、20.46°和20.64°，均未達到船模試驗舵角安全限值（25°）；最小航速分別為3.08 m/s、2.17 m/s和1.97 m/s，均明顯優(yōu)于通常船模試驗最低航速安全限值（0.4 m/s），也優(yōu)于三峽庫區(qū)船模試驗最低航速要求（1.1 m/s）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三種流量工況時，只要謹慎駕駛，5 000 t船舶可較順利地通過橋區(qū)河段上行；（2）下行情況：大橋設置防撞設施后，船舶下行通過橋區(qū)航道，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q= 45 000 m3/s三種流量工況試驗中，最大舵角分別為11.02°、12.83°和16.30°，均遠未達到船模試驗舵角安全限值（25°）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三種流量工況時，只要謹慎駕駛，5 000 t船舶可較順利地通過橋區(qū)河段下行。

3 結論

（1）324 m凈寬方案，船舶碰撞防撞帶：由于防撞帶距大橋兩側過近，船舶撞擊防撞帶拱頂時，上層建筑可能擦掛橋拱（5 000 t自航貨船尤為明顯），不能保障大橋和船舶安全。

（2）310 m凈寬方案，5 000 t自航貨船碰撞防撞帶時，船舶未出現(xiàn)側傾、翻覆和騎爬防撞帶的情況，船舶未接觸大橋，沒有危及大橋安全。

（3）310 m凈寬方案，1 000 t自航貨船碰撞防撞帶時，船舶有一定的側傾和騎爬防撞帶的情況，但船舶未出現(xiàn)翻覆，也未接觸大橋，沒有危及大橋安全。

（4）船舶碰撞防撞帶不同位置，碰撞后降速的變化規(guī)律：船舶撞擊后的降速呈逐漸加大的趨勢。船舶碰撞后降速越大，慣量損失也就越大，這說明，隨船舶碰撞防撞帶角度逐漸接近90°，撞擊力度也逐漸增大。

（5）船舶碰撞防撞帶不同位置可能性的變化規(guī)律：在船舶正常行駛時，一般不易碰撞防撞帶，即使碰撞防撞帶拱頂，也需操不小的舵角（14.75°～17.82°）才能實現(xiàn)，隨著碰撞位置向防撞帶根部移動，船舶駛向撞擊點需操的舵角越來越大，撞擊的可能性也就越來越小，撞擊距拱頂3/8處時，船舶駛向撞擊點用舵已接近船模試驗最大舵角限值（25°），船舶撞擊防撞帶根部的可能性是很小的。

（6）在試驗的三級流量水位時，防撞設施設置后，只要操縱得當，其橋區(qū)河段可滿足1 000 t級和5 000 t級船舶的通航要求。

［1］蔡汝哲，蔡新永.萬州大橋公路大橋防撞設施船模試驗研究報告［R］.重慶：重慶西南水運工程科學研究所，2012.

［2］蔡汝哲.三峽工程通航建筑物布置研究的通航船模相似性問題分析（三峽水利樞紐工程應用基礎研究一第二卷）［M］.北京：中國科學技術出版社，1997.

［3］蔡汝哲.在水工河工模型中應用小尺度船模試驗方法探討［C］//中國水利學會.國際高壩水利學術討論會論文集.北京：［s. n.］，1988.

［4］GB 50139-2014，內(nèi)河通航標準［S］.

［5］蔡創(chuàng).三峽樞紐通航船模試驗系統(tǒng)軟件開發(fā)［J］.重慶交通學院學報，2001，20（2）：110-115. CAI C.The development of ship model test system software in navigation of the Three Gorges Project［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（2）：110-115.

［6］余葵，劉洋，吳俊，等.弧形水上升降式橋梁防撞裝置防撞能力研究［J］.四川大學學報：工程科學版，2012，44（3）：31-35. YU K，LIU Y，WU J，et al.Preliminary study on the crash capability of round bridge anti-collision setting which lifts up and down with water level［J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition，2012，44（3）：31-35.

Experimental study on arch bridge collision avoidance design optimization

CAI Xin-yong,LI Xiao-biao,CAI Ru-zhe
（Southwest Research Institute for Water Transport Engineering,Chongqing400016,China）

With the 175 m reservoir operation of the Three Gorges Reservoir,bridge area navigation width becomes further narrow,water depth increases,and the arch foot elevation is low.Collision of arch and post can easily lead to the collapse of arch bridge when ship is out of control or moving off the channel.In order to prevent the occurrence of such vicious incidents,the construction of bridge anti-collision equipment is particularly important.Taking Wanzhou Changjiang River Highway Bridge as an example,in the design of bridge anti-collision facilities,the research results were quantitatively and qualitatively analyzed by using small scale ship model technology.The changing law of the falling velocity after collision and change law of ship possibility in different position of the collision avoidance zone were presented.The reliable data and theoretical guidance were provided for the design optimization.

physical model;small scale ship model;arch bridge collision avoidance

U 641

A

1005-8443（2017）01-0045-04

2016-09-06；

2016-11-10

蔡新永（1983-），男，河北河間人，工程師，主要從事港口及航道工程方面研究。

Biography：CAI Xin-yong（1983-），male，engineer.