順直航道矩形橋墩防撞范圍的確定方法研究

戚建祥,艾萬(wàn)政，馮 娜

(1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海工程學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.銀川能源學(xué)院土木建筑學(xué)院，寧夏 銀川 750105)

橋梁極大地改善了我國(guó)的運(yùn)輸條件，是我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的重要構(gòu)成部分。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)跨江和跨海橋梁越造越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)主要的三大內(nèi)陸通航水系，即長(zhǎng)江水系、珠江水系和京杭運(yùn)河水系，現(xiàn)有各種橋梁約300多座[1-4]。橋梁不僅給交通運(yùn)輸帶來(lái)方便，更重要的是橋梁建設(shè)有效地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[5-11]。如浙江沿海的東海大橋貫通了洋山港和上海南匯蘆潮港,該大橋工程是上海國(guó)際航運(yùn)中心的重要配套橋梁，為洋山深水港區(qū)的進(jìn)出口貨物運(yùn)輸以及通訊、供電、供水等提供了極大的方便，促進(jìn)了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。橋梁建設(shè)雖然對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用，但同時(shí)橋區(qū)的通航水環(huán)境也是在橋梁建設(shè)時(shí)必須要充分考慮的，科學(xué)設(shè)置好橋區(qū)浮標(biāo)和航道，以有效控制船舶的通航安全并避免船舶發(fā)生撞橋事故，否則橋梁會(huì)成為制約船舶通航安全的“瓶頸”。 如2001年12月26日，浙江紹興一座55m的小橋梁遭黃沙船撞擊而坍塌，造成船長(zhǎng)死亡；2001年19月20日，“明月”輪撞擊正在建設(shè)的響噍門(mén)跨海大橋，使橋墩損壞并導(dǎo)致施工延誤，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失近千萬(wàn)元；自2014年12月至2016年5月，廣深高速公路橋梁碰撞觸發(fā)報(bào)警的有效事件就有30次，較為嚴(yán)重的碰撞事件就發(fā)生了8次；2017年4月1號(hào)9時(shí)55分，一艘載有近千噸貨物的貨船在通過(guò)珠海市斗門(mén)區(qū)蓮溪大橋時(shí)不慎撞到橋墩，導(dǎo)致蓮溪大橋橋體發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象，橋上的自來(lái)水管道已破裂，貨船傾斜[12]。以上交通事故的發(fā)生，雖然在很大程度上與駕駛?cè)藛T的疏忽有關(guān)，但也與橋區(qū)浮標(biāo)布置不科學(xué)有一定的關(guān)聯(lián)性[13-15]。橋墩的防撞范圍與橋區(qū)的航道布置密切相關(guān)，它是橋區(qū)浮標(biāo)和航道布置的重要依據(jù)，橋區(qū)的浮標(biāo)和航道必須要布置在橋墩防撞范圍之外[16-19]。因此，有必要研究橋墩防撞范圍的確定方法。本文基于數(shù)值模擬和回歸分析法對(duì)順直航道矩形橋墩防撞范圍的確定方法進(jìn)行了理論分析，并推導(dǎo)出順直航道矩形橋墩防撞范圍的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，以為橋梁工程建設(shè)提供參考。

1 理論分析

在通航水域建設(shè)橋梁以后，由于橋墩的存在，水流結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，橋墩附近存在“墩吸流”和“墩推流”。“墩推流”可以推動(dòng)船舶遠(yuǎn)離橋墩，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)和橋梁而言相對(duì)安全，而“墩吸流”有誘導(dǎo)船舶撞橋的作用，因此其往往是船舶撞橋的重要誘因之一。因此本文將“墩吸流”距離橋墩表面的最大距離定義為橋墩的防撞范圍。為了船舶和橋梁的安全，船舶不應(yīng)闖入此范圍之內(nèi)；同時(shí)為了提醒船舶遠(yuǎn)離橋墩防撞領(lǐng)域區(qū)，橋墩附近往往也應(yīng)設(shè)置有閃特定燈光的“橋浮”，以警示船舶遠(yuǎn)離該區(qū)域。已有文獻(xiàn)研究表明，影響橋墩水流結(jié)構(gòu)的重要因素是橋墩迎流面的特征寬度和附近水流的弗勞德數(shù)[17-21]，而影響彎道橋區(qū)附近水流弗勞德數(shù)的重要因素是彎道總流速。因此，影響橋墩防撞范圍的因素是橋墩的特征寬度(橋墩在垂直于主流向的最大寬度)B和航道入流(軸線)的平均流速U，即

D=f(B,U)

(1)

式中：D為橋墩的防撞范圍(m)，也即是“墩吸流”消失點(diǎn)距離橋墩表面的最大距離;B為橋墩的特征寬度(m);U為航道入流的平均流速，也即是橋墩附近的水流流速(m/s)。

為了確定橋墩的防撞范圍D，本文擬通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出大量數(shù)據(jù)，再運(yùn)用回歸分析方法推導(dǎo)出矩形橋墩防撞范圍D的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

2 計(jì)算模型的建立

順直航道中的橋墩、航道和坐標(biāo)系布置如圖1所示(航道布置在“墩吸流”之外)。其中，X表示航道縱向方向(軸向)；Y表示航道徑向方向。RNGk-ε模型適合于對(duì)管道或航道流態(tài)進(jìn)行精確模擬，因此本文擬采用RNGk-ε模型對(duì)順直航道的流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

圖1 順直航道中的橋墩、航道和坐標(biāo)系布置Fig.1 Layout of pier,fairway and coordirate system in straight waterway

RNGk-ε模型的控制方程組如下[22]：

(1) 質(zhì)量守恒方程(連續(xù)方程)：

(2)

(2) 動(dòng)量守恒方程：

(3)

(3)k-方程：

(i=1,2)

(4)

(4)ε-方程：

(5)

邊界條件的處理方法如下：①入流邊界條件為兩護(hù)岸之間河道的入流平均流速、湍流動(dòng)能分布和湍流動(dòng)能耗散率分布，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：uin=U、k=0.014 4U2、ε=k1.5/(0.25b)，其中U為航道入流的平均流速(m/s)，b為護(hù)岸之間的寬度(m);②出流邊界條件為假設(shè)出流充分發(fā)展;③壁面邊界條件為假設(shè)邊界層流中無(wú)滑移，換言之壁面邊界的速度和邊界節(jié)點(diǎn)速度的分量一致。

3 順直航道矩形橋墩防撞范圍的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式推導(dǎo)

順直航道矩形橋墩防撞范圍D的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，繪制順直航道矩形橋墩防撞范圍與相關(guān)因素(橋墩特征寬度B和航道入流的平均流速U)之間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

表1 順直航道矩形橋墩防撞范圍D的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

圖2 順直航道矩形橋墩防撞范圍D與相關(guān)因素之間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between the anti-collision area D of retangular bridge pier in straight waterway and the related factors

由圖2可以看出：順直航道矩形橋墩的防撞范圍D與橋墩的特征寬度B呈線性關(guān)系，且橋墩的特征寬度B越大，則矩形橋墩防撞范圍D越大，這主要是因?yàn)闃蚨沼髅娴奶卣鲗挾菳越大，水流在橋墩附近的繞流范圍也越大，從而導(dǎo)致橋墩在航道方向上的“墩吸流”范圍也越大；順直航道矩形橋墩的防撞范圍D與航道入流平均流速U大致呈冪指數(shù)關(guān)系，且航道入流的平均流速U越大，則矩形橋墩的防撞范圍D也越大，這主要是因?yàn)椋汉降廊肓鞯钠骄魉賃越大，水流在橋墩附近的繞流范圍也增大，從而增大了“墩吸流”范圍。

本文利用回歸分析法擬合圖2中的曲線，可得到順直航道矩形橋墩防撞范圍D的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

D=(0.56B+0.26)U0.35

(6)

公式(6)的實(shí)用范圍為：橋墩的特征寬度B在0.5～4.5 m范圍內(nèi)，橋墩附近的水流平均流速在1～6 m/s之內(nèi)。公式(6)雖然是一個(gè)量綱不一致的經(jīng)驗(yàn)公式，但對(duì)實(shí)際工程具有指導(dǎo)價(jià)值。

當(dāng)順直航道矩形橋墩與航道入流的平均流速U之間存在一定的夾角β時(shí)(見(jiàn)圖3)，則斜流條件下順直航道矩形橋墩的特征寬度B′可以表示為

B′=Lsinβ+Bcoaβ

(7)

式中：L為橋墩長(zhǎng)度(m);B為橋墩的特征寬度(m);β為航道入流的總流向與橋墩之間的夾角(°)。

由公式(6)可知，斜流條件下矩形橋墩的防撞范圍的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

D=[0.56(Lsinβ+Bcosβ)+0.26]U0.35

(8)

4 結(jié) 論

橋墩的防撞范圍與橋區(qū)的航道布置密切相關(guān)，橋區(qū)的航道和浮標(biāo)應(yīng)布置在橋墩防撞范圍之外。數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：順直航道矩形橋墩的防撞范圍與橋墩的特征寬度和橋墩附近的水流速度密切相關(guān)，即橋墩的特征寬度越大，順直航道矩形橋墩的防撞范圍也越大，且它們兩者之間為線性關(guān)系；橋墩附近的水流流速越大，順直航道矩形橋墩的防撞范圍也越大，且它們兩者之間為冪指數(shù)關(guān)系。利用回歸分析法通過(guò)曲線擬合，得到了順直航道矩形橋墩防撞范圍的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可為橋梁工程建設(shè)提供依據(jù)。