內(nèi)河跨航橋梁通航安全管理措施研究
——以臺州市內(nèi)河航道為例

邵華榮 李雙雙 方彤瑤 曾淵 陳安 臺州市港航事業(yè)發(fā)展中心

1.前言

在建設(shè)交通強國的背景下，中國橋梁建設(shè)和航運發(fā)展均取得了舉世矚目的成果。截止2021年，中國鐵路橋梁總數(shù)近10萬座，公路橋梁數(shù)量已超91萬座，沿海港口萬噸級以上泊位數(shù)2576個，全國內(nèi)河航道通航里程12.73萬公里，完成貨運量39.13億噸。隨著沿線碼頭提升改造和通航船舶大型化發(fā)展，部分既有跨航橋梁，特別是建成時間較早的橋梁，將有可能成為制約航道升級的重要因素。

部分既有橋梁受限于建橋時的技術(shù)和航道（河道）等級，通航孔跨徑較小且設(shè)計時未考慮船撞作用力或抗撞能力較小。此外，隨著橋梁在役時間增長，局部結(jié)構(gòu)破損和材料老化等問題不可避免，將進一步減小橋梁抗撞性能。因此，既有橋梁的通航安全風(fēng)險和抗撞性能評估成為航運發(fā)展中必不可少的一環(huán)，根據(jù)評估結(jié)果制定有效的安全管理措施是管理部門的重要工作內(nèi)容。

本文以臺州市內(nèi)河航道（椒靈江、永寧江、金清新港線）為例，排查已建跨航橋梁存在的通航安全隱患，對存在較大安全隱患的橋梁進行通航安全風(fēng)險及抗撞性能綜合評估，根據(jù)評估結(jié)果針對不同類型內(nèi)河航道提出相應(yīng)的通航安全管理措施。

2.通航安全影響因素

近年來，隨著交通運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，橋梁事故（撞損、超載側(cè)翻等）頻頻發(fā)生。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，船舶撞擊事故約占22%。根據(jù)船撞橋事故案例統(tǒng)計，事故發(fā)生原因主要有船員綜合素質(zhì)、航運交通狀況、橋梁自身結(jié)構(gòu)特性、自然環(huán)境、助航條件等，即“人-船-橋-環(huán)境”的綜合影響。

根據(jù)事故調(diào)查報告，導(dǎo)致碰撞事故發(fā)生的原因中，人為因素超90%，60%為直接關(guān)聯(lián)，30%為間接關(guān)聯(lián)。例如2021年7月“新谷333”船員在疲勞狀態(tài)下駕駛船舶通過北斗大橋，致使船艏左側(cè)碰撞大橋非通航孔橋墩，31#橋墩多處受損，船舶嚴重變形。以本次評估的椒江大橋為例，根據(jù)近5年船撞事故調(diào)查，事故發(fā)生原因有不熟悉橋區(qū)水域水流環(huán)境、違背橋區(qū)水域通航安全管理規(guī)定、應(yīng)急措施不當(dāng)?shù)?，還存在船舶非法改造、船舶操縱性能故障引起的事故和偶發(fā)性大霧天氣導(dǎo)致能見度不足引發(fā)的碰撞事故。

除上述“人”“船”“環(huán)境”因素外，橋梁本身存在的通航凈空尺度不足、導(dǎo)助航設(shè)施不完善等問題也是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要因素。在臺州市跨航橋梁通航安全隱患排查中，近三分之一的橋梁存在航標配布不全的問題，部分導(dǎo)助航標志存在損壞或失效的情況。而橋梁自身防撞標準過低或未按要求設(shè)置防撞設(shè)施等問題將加大碰撞事故造成的損失。例如，2015年“粵佛山工2038”因水線以上高度大于西江大橋通航凈高發(fā)生碰撞，導(dǎo)致大橋鋼桁梁下弦桿、下平縱聯(lián)、縱梁等部位不同程度受損，船舶龍門架受損，造成約4033萬元的經(jīng)濟損失。

降低事故發(fā)生概率、減小事故造成的損失是保障橋梁在區(qū)域交通網(wǎng)中正常運作的重心。但不同類型的航道，其航道等級、交通流密度、通航環(huán)境均存在顯著差異，以“一刀切”的標準進行管理不僅效率低，且會造成人員和成本的浪費。因此，對既有橋梁進行通航安全風(fēng)險及抗撞性能評估并“因橋施策”具有重要的社會經(jīng)濟意義。

3.橋梁通航安全風(fēng)險及抗撞性能評估方法

3.1 通航安全風(fēng)險評估體系

橋梁通航安全風(fēng)險評估體系以航道、橋梁、船舶基礎(chǔ)資料調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，以既有橋梁與航道條件、通航環(huán)境、通航凈空尺度、船舶通航秩序的適應(yīng)性分析結(jié)果為依據(jù)。選取“風(fēng)”“能見度”“凈寬”“凈高”“涉航設(shè)施距離”“防撞設(shè)施”和“導(dǎo)助航設(shè)施”七個影響因子作為評估指標，以這七個因子各自特性和概率風(fēng)險評估法建立安全評估標準和評估合集V，采用模糊綜合評估法建立模糊矩陣R。此外，根據(jù)層次分析法（AHP）計算權(quán)重后構(gòu)建權(quán)重向量W。通過矩陣R和W建立綜合評估模型B，最后進行反模糊化精算得出評估計算值。

3.2 橋梁抗撞性能驗算

3.2.1 橋梁抗撞力計算

本文以臺州市跨航橋梁為例，對橋梁自身抗撞能力的計算主要采用MIDAS Civil有限元軟件建模（圖1），分別計算初始加載單位水平船撞力時橋墩橫橋向、順橋向橋墩最危險截面處產(chǎn)生的最大內(nèi)力F，同時通過配筋計算橋墩最危險截面處的極限承載力F′，根據(jù)線性疊加原理得出橋墩所能抵抗的最大水平船撞力P。

圖1 橋墩橫橋向碰撞計算有限元模型

3.2.2 船舶撞擊力計算

我國自上世紀九十年代后部分專家學(xué)者以跨長江的大橋和跨海大橋開始了橋梁防船撞力計算。目前橋梁抗撞能力的研究在上述理論基礎(chǔ)上提出了不同的經(jīng)驗公式和計算機的仿真模擬。

（1）經(jīng)驗公式。相比《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中給出的內(nèi)河船舶和海輪撞擊作用設(shè)計值，《公路橋梁抗撞設(shè)計規(guī)范》中考慮到船舶撞擊速度和船撞作用點等重要參數(shù)，根據(jù)船撞動態(tài)時間過程計算船撞速度，兩個規(guī)范中駁船撞擊力相差顯著，以1000噸級船舶為例，設(shè)計規(guī)范中船舶撞擊力為800kN，抗撞規(guī)范中船舶撞擊速度3m/s情況下撞擊力為5040kN。既有橋梁多數(shù)已在役多年，橋梁建設(shè)時期多以設(shè)計規(guī)范作為標準，對內(nèi)河航道來說，船撞力遠小于抗撞規(guī)范要求。

（2）非線性有限元法。采用Ansys/Ls-Dyna有限元分析軟件構(gòu)建整船整橋模型，對船首與橋墩碰撞過程進行仿真，計算碰撞過程的能量轉(zhuǎn)化、碰撞力、船首變形破損以及橋梁變形和橋墩破損問題，根據(jù)船頭變形和應(yīng)力分布圖、能量時程曲線圖、碰撞力時程曲線圖確定最大船舶撞擊力。

圖2 防撞墩受力（a）及碰撞過程（b、c）計算模型

3.2.3 防撞設(shè)施抗撞力計算

臺州市跨航橋梁中部分設(shè)置了結(jié)構(gòu)性防撞設(shè)施，結(jié)構(gòu)形式包括獨立式防撞墩、附著式防撞設(shè)施、一體式防撞設(shè)施和攔阻系統(tǒng)。對防撞設(shè)施抗撞能力計算主要采用易工軟件和Ansys/Ls-Dyna有限元分析軟件建模分析。

3.3 評估結(jié)果

臺州市跨越椒靈江、永寧江、金清新港線既有橋梁共計42座，根據(jù)初期排查結(jié)果，共有38座橋梁列入綜合評估范圍。在評估的橋梁中大部分橋梁通航環(huán)境相近、結(jié)構(gòu)形式相似，本文選取其中8座橋梁，跨越航道的類型包含海輪航道和內(nèi)河航道，結(jié)構(gòu)形式包括大跨徑的斜拉橋和小跨徑的簡支空心板梁橋，船舶交通流包含高交通密度（日均通過量230艘次）和低交通密度（日均通過量1～2艘次）。因此，可以認為這8座橋梁具有代表性，評估結(jié)果如表1所示。

表1 評估結(jié)果一覽表

4.通航安全管理措施

橋梁通航安全管理措施主要從兩方面進行，一是減小船撞概率，二是提升橋梁抗撞能力。這個過程是長期的、系統(tǒng)性的，同時也應(yīng)是循序漸進的。本文根據(jù)橋梁通航安全風(fēng)險及抗撞能力的綜合評估結(jié)果，對橋梁進行分類管理，根據(jù)不同類別采取相應(yīng)的措施。

4.1 減小船撞概率的措施

根據(jù)船撞事故發(fā)生原因的統(tǒng)計，應(yīng)當(dāng)從“人-船-橋-環(huán)境-管理”五個方面減小船撞概率。其中最重要且有效的措施是通過技能培訓(xùn)提高船長和船員基本技能，組織演練提高船員預(yù)判和應(yīng)急能力，船長和船員還應(yīng)當(dāng)熟悉航路和水文條件。其次，定期對船舶進行安全檢查，排查船舶存在的安全隱患也能有效降低船撞概率。管理部門應(yīng)對重點橋區(qū)水域制定相應(yīng)的通航安全管理規(guī)定，明確橋區(qū)內(nèi)船舶航行規(guī)定，限制超高超寬船舶通過，明確惡劣天氣通航限制。

從“橋”方面出發(fā)，減小船撞概率可采用主動防撞設(shè)施，包括助航設(shè)施、警示標志、安全監(jiān)控預(yù)警設(shè)施等。對于重要性等級較高、船舶交通流密集、橋梁凈空凈寬不能夠滿足規(guī)范要求的橋梁，采用安全監(jiān)管預(yù)警設(shè)施能夠有效減小船舶碰撞橋墩的概率。目前應(yīng)用較廣泛的預(yù)警系統(tǒng)主要由紅外熱成像傳感器、雷達、AIS、水文氣象監(jiān)控等裝置組成，用于監(jiān)控、預(yù)判失控和偏航船舶，及時溝通船長；超高檢測系統(tǒng)設(shè)置兩道監(jiān)測線，由第一道觸發(fā)勸告，第二道觸發(fā)取證和報警。主動預(yù)警系統(tǒng)全天候、智能化、預(yù)判的特點能夠最大程度降低人為因素導(dǎo)致的船撞事故，對主動防撞具有顯著的效果。橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)具有技術(shù)先進、功能實用、施工方便的特點，同時其系統(tǒng)性和智能化的集成設(shè)計可根據(jù)不同需求對子系統(tǒng)功能進行調(diào)整。

4.2 提升橋梁抗撞能力的措施

在不對橋梁進行提升改造的前提下，提高橋梁抗撞能力主要采取結(jié)構(gòu)性防撞設(shè)施，其防撞原理主要從力學(xué)角度出發(fā)，直接或間接的完成能量吸收和動量緩沖作用。在臺州市內(nèi)河既有跨航橋梁中，共11座橋梁設(shè)置了被動防撞設(shè)施。如椒江二橋通航孔主墩設(shè)置的防撞鋼套箱、輔墩設(shè)置的橡膠護舷和非通航孔設(shè)置的攔阻系統(tǒng)；椒江大橋主通航孔設(shè)置的一體式防撞設(shè)施和非通航孔設(shè)置的攔阻系統(tǒng)；新江橋（跨永寧江）和金清新港大橋（跨金清新港線）設(shè)置的獨立式防撞墩。

被動防撞設(shè)施的設(shè)置主要應(yīng)對失控或偏航船舶對橋梁的撞擊，減小或消除船舶撞擊對橋梁的損壞，在采用柔性防撞設(shè)施的條件下還能最大程度保護船舶的安全。相對水域?qū)掗煹暮蕉?，部分?nèi)河航道水域較窄，加之橋梁在水中落墩，進一步減小航道寬度。在評估結(jié)果中，跨越永寧江和金清新港線的部分簡支結(jié)構(gòu)橋梁，通航凈寬和防撞能力均不能滿足規(guī)范要求。對于防撞設(shè)施的選擇在滿足防撞要求前提下，不能占用通航水域，結(jié)構(gòu)規(guī)模要盡量小，且盡量做到船-橋雙防護。在上述前置條件下，防撞設(shè)施結(jié)構(gòu)選擇性較少。

對內(nèi)河低等級航道跨航橋梁的防撞設(shè)施，目前一般有三種方式：柔性耗能設(shè)施、防撞警示墩和樁基防撞墩。柔性耗能設(shè)施和防撞警示墩是設(shè)置在自身抗撞能力較好的橋梁上，防止船舶與橋墩直接碰撞，前者在橋墩可能受船撞的部位設(shè)置消能護舷，后者在橋墩迎船面設(shè)置一根直立式鉆孔灌注樁或預(yù)制樁。對防撞能力不足的橋墩可采用鋼筋砼鉆孔灌注樁加鋼套筒組合的樁基防撞墩，同時在防撞墩頂部設(shè)置警示燈，迎船面設(shè)置小規(guī)格緩沖材料。

隨著船橋碰撞研究的深入，一些新型材料應(yīng)用于防撞設(shè)施中，筒型自浮式防撞設(shè)施可消減38.83%～45.07%的船撞力；由外鋼圍、防撞圈和內(nèi)鋼圍構(gòu)成的柔性防撞裝置，可降低37%～56%的撞擊力；波紋鋼夾層結(jié)構(gòu)能夠吸收60%以上船撞力。

4.3 橋梁分類及對應(yīng)措施

根據(jù)通航條件和評估結(jié)果，以選取的8座代表性橋梁對臺州市既有跨航橋梁進行分類（表2）。

表2 跨航橋梁分類結(jié)果

目前，臺州市已制定了《椒靈江水域通航安全管理規(guī)定》和《椒江大橋水域通航安全管理規(guī)定》，對于一類橋梁主要采取日常監(jiān)管和規(guī)范船舶航行行為，對導(dǎo)助航設(shè)施進行定期的維護，及時進行航行公告；二類橋梁存在通航凈空尺度不足的問題，在一類的管理基礎(chǔ)上，可通過增設(shè)防撞預(yù)警系統(tǒng)提高監(jiān)管效率。

三～六類橋梁跨越航道船舶通航密度小，基本沒有發(fā)生過船撞事故，因此橋區(qū)航道監(jiān)管力度相較一～二類小。三類橋梁通航安全風(fēng)險較小，以常規(guī)性管理為主；四類橋梁為通航凈空尺度不滿足規(guī)范要求的橋梁，在不考慮提升改造的前提下，凈高不足的橋梁應(yīng)設(shè)置倒水尺；五～六類橋梁自身抗撞能力不足，且未設(shè)置被動防撞設(shè)施，雖然現(xiàn)狀船舶交通流小，但隨著水運發(fā)展，勢必成為較大的安全隱患。因此，五類橋可增設(shè)柔性防撞設(shè)施或樁基防撞設(shè)施，并對橋梁情況進行定期檢查；六類橋梁通航安全風(fēng)險高，航道提升時應(yīng)納入整治設(shè)計中，現(xiàn)狀在采取五類橋措施基礎(chǔ)上增設(shè)可變的凈空尺度信息標志。

4.4 其他地區(qū)采取的措施

在交通運輸部“船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動”背景下，全國各地陸續(xù)對轄區(qū)內(nèi)Ⅶ級以上跨航橋梁進行隱患排查和評估工作。本節(jié)主要列舉部分浙江省內(nèi)其他城市跨航橋梁的評估結(jié)果和通航安全管理提升措施。

寧波市對市內(nèi)主干航道跨航橋梁上布設(shè)的航標進行排查，更換不符合規(guī)范要求和失效的航標，增設(shè)缺失的航標；對橋梁實際通航凈空尺度進行了復(fù)核，并將結(jié)果進行公告；對11座跨越姚江和奉化江的橋梁進行綜合評估工作，根據(jù)評估結(jié)果中抗撞力不足的橋梁進行防撞設(shè)施專項設(shè)計。

金華市對跨越衢江、蘭江和金華江的七座橋梁進行了隱患排查和綜合評估，主要隱患為航標布置不規(guī)范，需對航標進行重新設(shè)計和調(diào)整；個別橋梁抗撞能力不足，由于跨越的航道規(guī)劃等級均為Ⅲ級，且為省級骨干航道，需采用增設(shè)防撞墩作為提升橋梁抗撞能力的措施。

湖州市對轄區(qū)內(nèi)跨越Ⅶ級以上航道的橋梁進行排查，對凈空尺度和抗撞能力不足的橋梁進行評估。由于湖州市水網(wǎng)密布，許多航道為限制性航道，一些早期建設(shè)的橋梁未一跨過河，除增設(shè)導(dǎo)助航設(shè)施和限制超高船舶通航外，將部分情況較差的老橋納入提升改造計劃中。

5.結(jié)論與展望

橋梁的通航安全管理措施主要為減小船撞概率和提升橋梁抗撞能力，隨著多種新型技術(shù)和材料的發(fā)展，管理效率不斷提升。本文以臺州市內(nèi)河跨航橋梁為例，構(gòu)建通航安全風(fēng)險及抗撞性能綜合評估模型，根據(jù)評估結(jié)果對橋梁分為六類，根據(jù)不同類別從減小碰撞概率和提升抗撞能力兩個角度出發(fā)，提出相應(yīng)的通航安全管理措施，為其他地區(qū)跨航橋梁通航安全管理措施的研究提供參考。考慮到本次航道類型有限，下一步將加入其他地區(qū)跨越不同類型航道的橋梁，擴展研究樣本，形成更完善的管理體系。