三峽庫(kù)區(qū)彎曲河段船舶航行過(guò)橋操縱風(fēng)險(xiǎn)定量分析

譚志榮 高興 馬奕 趙林基

摘 要：彎曲河段跨江橋梁的法向方向與水流流向夾角隨著水位變動(dòng)處于常年周期性變化，導(dǎo)致汛期水流流速大時(shí)船舶航行過(guò)橋會(huì)產(chǎn)生較大操縱環(huán)境壓力。運(yùn)用長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)中的偏移量公式，建立流致漂移數(shù)學(xué)模型，收集典型忠州長(zhǎng)江大橋汛期的水流數(shù)據(jù)和代表船型資料，計(jì)算不同工況下船舶航行下水過(guò)橋的漂移量，得出影響漂移量的水流流速、船舶速度和偏航角等定量關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明：汛期流速大且水流夾角變大時(shí)，船舶按照習(xí)慣航法或者低速航行時(shí)將產(chǎn)生較大的船撞橋墩風(fēng)險(xiǎn)。最后提出船舶操縱建議，并通過(guò)增設(shè)多功能航標(biāo)，采集水文、氣象信息提供給駕駛?cè)藛T，以此來(lái)保障船舶航行安全。

關(guān)鍵詞：水位變動(dòng);漂移量;船撞橋

中圖分類(lèi)號(hào)：U698? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）11-0053-03

船撞橋是水上交通安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]，楊君蘭[3]提出計(jì)算不同可接受風(fēng)險(xiǎn)程度下橋梁通航凈寬尺度的計(jì)算方法。徐言民[4]通過(guò)船舶操縱模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了橋梁主動(dòng)防船撞預(yù)警系統(tǒng)。范平易[5]通過(guò)數(shù)值模擬方法分析了建橋前后橋區(qū)水流變化及其對(duì)航道通航的影響。

近年來(lái)，三峽庫(kù)區(qū)由于水位調(diào)節(jié)，部分限制性橋梁的通航風(fēng)險(xiǎn)有所增加。譬如，忠州長(zhǎng)江大橋（長(zhǎng)江上游航道里程約為428.8km），大橋上游有約1.6km的河段江中有塘土壩（在162m水位時(shí)淹沒(méi)），下游順直河段長(zhǎng)約3.5km。橋區(qū)上游塘土壩的存在，高水位時(shí)期淹沒(méi)，船舶可正常航行于該區(qū)域。但是在汛期，當(dāng)水位變動(dòng)時(shí)，塘土壩部分露出水面，導(dǎo)致該河段產(chǎn)生了沖向右岸的斜流。

1忠州長(zhǎng)江大橋河段流致漂移量的計(jì)算

1.1忠州長(zhǎng)江大橋河段流致漂移模型

研究水流作用下的流致漂移量，需要建立起坐標(biāo)系。設(shè)坐標(biāo)的y軸平行于大橋軸線，x軸平行垂直于大橋軸線，如圖2所示。

為了進(jìn)一步分析船舶在水流作用下的流致漂移量，現(xiàn)進(jìn)行建模分析。

在船速Vs和流速Vf已知時(shí)，假定船舶至橋航程為S，則船舶在以此速度和航向通過(guò)橋梁的時(shí)間T為：

T=S/（Vscosα+Vfcosβ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

這樣船舶在y軸方向流致漂移量為：

B=Vy×T=（ Vssinα+Vfsinβ）×S/（Vscosα+Vfcosβ）? ?（2）

1.2忠州長(zhǎng)江大橋水流特性

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及走訪，下行過(guò)橋船舶偏航角（α）汛期在12-18°之間，非汛期在0-5°之間，見(jiàn)表1。

2 基于MATLAB 的船舶流致漂移量

2.1汛期不同航速和水流速度作用下的漂移量計(jì)算

現(xiàn)選用水流夾角（β）為25°，船舶偏航角（α）為16°，分別選取計(jì)算河長(zhǎng)為1500m、2500m、3000m的實(shí)驗(yàn)條件（假設(shè)河段為順直河段，流速不變）研究不同水流速度及船舶速度對(duì)漂移量的影響，結(jié)果如表2、表3、表4：

2.2汛期在不同船舶偏航角和水流夾角下的漂移量

現(xiàn)選用水流速度（Vf）為3.5m/s，船舶速度（Vs）為14km/h，計(jì)算河長(zhǎng)為1500m的實(shí)驗(yàn)條件研究不同船舶偏航角對(duì)漂移量的影響，結(jié)果如表5：

2.3計(jì)算河長(zhǎng)與流致漂移量關(guān)系

現(xiàn)選用汛期條件為水流速度（Vf）為4m/s，水流夾角（β）為25°，船舶速度（Vs）為15km/h，船舶偏角（α）為16°的實(shí)驗(yàn)條件研究不同計(jì)算河長(zhǎng)對(duì)漂移量的影響，具體結(jié)果如表6：

3 影響漂移量的因素關(guān)聯(lián)度分析

為了直觀描述各個(gè)要素與船舶漂移量之間的關(guān)系，現(xiàn)使用MATLAB繪制圖像。

3.1不同航速和水流速度與船舶漂移量關(guān)系

當(dāng)其他條件一定時(shí)，水流速度越大，流致漂移量越大;船速越大，流致漂移量越小。當(dāng)計(jì)算河長(zhǎng)為1500m時(shí)，船速不應(yīng)低于12km/h，偏航角不應(yīng)小于16°。當(dāng)計(jì)算河長(zhǎng)為2500m以及3000m時(shí)，船速不應(yīng)低于14km/h，偏航角不應(yīng)小于15°。在流速較大時(shí)應(yīng)保持謹(jǐn)慎航行，且在適當(dāng)時(shí)機(jī)提高航速，實(shí)時(shí)調(diào)整航行，以此減少漂移量。

3.2 船舶在汛期不同船舶偏航角和水流夾角下的流致漂移量

從圖7可以看出，當(dāng)其他條件一定時(shí)，船舶偏角越大，流致漂移量也就會(huì)相應(yīng)減少;水流夾角越大，流致漂移量也就會(huì)相應(yīng)增加。

4 基于多功能航標(biāo)的水流信息預(yù)警

可以在橋區(qū)水域安裝多功能航標(biāo)（如圖8），通過(guò)多功能航標(biāo)上的各種傳感器測(cè)得實(shí)時(shí)的水文、氣象數(shù)據(jù)，并且通過(guò)AIS設(shè)備將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給過(guò)往船舶、航道管理部門(mén)和海事監(jiān)管部門(mén)。在接收到多功能航標(biāo)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，駕駛員可以判斷航道的實(shí)時(shí)狀況，為船舶的操縱提供信息決策支持，保障船舶的安全航行。

5 總結(jié)

本研究對(duì)船舶通過(guò)橋區(qū)水域的安全條件進(jìn)行了界定，并結(jié)合多功能航標(biāo)將水流信息傳遞給過(guò)往船舶，后續(xù)將進(jìn)一步提升橋梁水域的船舶通航服務(wù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]莊元. 橋梁通航論證關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[2]譚志榮.長(zhǎng)江干線船撞橋事件機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法集成研究[D].武漢理工大學(xué)，2011.

[3]楊君蘭. 基于風(fēng)險(xiǎn)可接受程度的橋梁通航凈寬尺度設(shè)計(jì)[J]. 船海工程， 2012， 41（001）：129-131.

[4]徐言民. 基于操縱模擬的橋區(qū)水域船舶通航安全預(yù)控研究[D]. 上海交通大學(xué).

[5]范平易， 鄒早建， 汪淳. 基于橋區(qū)水流數(shù)值模擬的橋墩對(duì)通航影響分析[J]. 中國(guó)航海， 2010， 33（001）：37-41.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51809207）