基于船舶操縱模擬的郁江特大橋通航安全研究

文章借助Mike 21模型和NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對(duì)擬建的長(zhǎng)塘郁江特大橋橋區(qū)開(kāi)展模擬試驗(yàn)，綜合評(píng)估了橋區(qū)水流條件、通航凈寬、通航凈高以及橋墩布置的合理性，并優(yōu)化了橋墩設(shè)計(jì)布置方案，提出了安全有效的通航保障措施。結(jié)果顯示：工程前后橋區(qū)附近水流流態(tài)整體良好，滿足通航規(guī)范要求；擬建橋梁通航凈寬應(yīng)≥269 m，橋墩間凈寬≥292 m，以滿足規(guī)劃Ⅰ級(jí)航道代表船型安全航行的要求。研究方法和結(jié)果為開(kāi)展同類型涉水橋梁對(duì)通航條件的影響評(píng)估提供參考和借鑒。

郁江；通航條件；數(shù)值模擬；船舶操縱模擬器

U661.33A652133

作者簡(jiǎn)介：

張建球（1987—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事水運(yùn)工程設(shè)計(jì)、咨詢及檢測(cè)工作。

0" 引言

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的指引下，為構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)，我國(guó)交通建設(shè)邁入高質(zhì)量發(fā)展新階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年全國(guó)新增及改善高等級(jí)航道總里程達(dá)1 000 km。在水運(yùn)事業(yè)蓬勃建設(shè)的背景下，航道升級(jí)、船型增大和船舶數(shù)量提升的現(xiàn)狀對(duì)航道通航能力及通航條件提出了更高的要求。同時(shí)，面對(duì)每年新增的眾多涉水大型橋梁，綜合開(kāi)展新建橋墩附近流場(chǎng)分析及通航安全影響評(píng)估，并優(yōu)化涉水橋墩設(shè)計(jì)布置方案，對(duì)于避免船舶與橋墩碰撞安全事故的發(fā)生，確保船舶通航安全以及橋梁使用安全具有重要的現(xiàn)實(shí)和工程意義［1］。

廣西水資源豐富，水系發(fā)達(dá)，江河湖庫(kù)眾多，具有組建航運(yùn)河網(wǎng)的天然優(yōu)勢(shì)。2022年，平陸運(yùn)河開(kāi)工建設(shè)，這是我國(guó)首條江海聯(lián)運(yùn)戰(zhàn)略大通道。運(yùn)河起始于南寧橫州市西津庫(kù)區(qū)平塘江口，終點(diǎn)位于北部灣的欽州港。運(yùn)河起始點(diǎn)高差達(dá)到65 m，分為馬道、企石和青年3個(gè)梯級(jí)，全長(zhǎng)共計(jì)135 km［2］。隨著平陸運(yùn)河工程和南寧至貴港3 000噸級(jí)航道工程的建設(shè)，航道等級(jí)的提升和船舶大型化對(duì)沿線橋梁通航的凈空尺度和橋墩布置提出了更高的要求。以擬建G322五塘至新江公路長(zhǎng)塘郁江特大橋?yàn)槔?，橋梁設(shè)計(jì)跨徑為330 m，河面寬度約為380 m。在常水位條件下，通航孔橋墩涉水。因此，為保障船舶通航安全，擬建橋梁不僅要滿足凈高尺度要求，同時(shí)橋墩位置也要盡量避免建在船舶習(xí)慣和規(guī)劃航路上。

本文通過(guò)Mike 21數(shù)值模型和NT-PRO5000型船舶操縱模擬器開(kāi)展橋梁通航凈空尺度和橋墩布置合理性分析，綜合全面評(píng)估郁江特大橋水域通航安全，并提出了安全有效的通航保障措施。

1" 研究區(qū)域及研究方法

1.1" 研究區(qū)域

郁江是珠江流域西江水系的主要支流，流經(jīng)云南、貴州、廣西三個(gè)省區(qū)，全長(zhǎng)為1 160 km，流域面積達(dá)9.35×104 m2，多年平均徑流量約為479×108 m3。擬建的長(zhǎng)塘郁江特大橋位于南寧市青秀區(qū)長(zhǎng)塘鎮(zhèn)郁江上，距離平陸運(yùn)河上游平塘江口約81 km，距離下游西津樞紐約105.5 km。上下游主要跨河建筑物如圖1所示。

長(zhǎng)塘郁江特大橋?yàn)橹骺缈鐝綖?30 m的獨(dú)塔雙索面斜拉橋，橋梁設(shè)計(jì)為單孔雙向通航。擬建橋梁通航孔涵蓋了現(xiàn)狀、規(guī)劃航道及中洪水期上下行航線，且要求橋梁建設(shè)不改變?cè)拥来暗耐ê搅?xí)慣。橋區(qū)河段郁江航道等級(jí)為Ⅰ級(jí)，通航3 000噸級(jí)內(nèi)河船舶，兼顧平陸運(yùn)河5 000噸級(jí)單船。橋址處河道整體較順直，常水位河道橫斷面寬度約為380 m，下游1 km處河道斷面收縮至250 m，此處左岸存在邊灘。在?？菟磺闆r下，過(guò)往船舶均與左岸需保持一定安全距離，如圖2所示。

1.2" 研究方法

研究借助Mike 21水動(dòng)力模塊開(kāi)展擬建橋梁橋區(qū)水動(dòng)力模擬，通過(guò)對(duì)比工程前后的流場(chǎng)分布及變化評(píng)估涉水橋墩的礙航情況。模型的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

ht+hu—x+hv—y=hS（1）

動(dòng)量方程：

hu—t+hu-2x+hu—v—y-fv—h+ghηx=1ρ0hPax+gh22ρx+Ax+husS（2）

hv—t+hv-2y+hu—v—x-fu—h+ghηy=-1ρ0hPay+gh22ρy+Ax+hvsS（3）

式中：t——時(shí)間；

x、y、z——Cartesian坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

d——靜止水深；

h=η+d為總水深；

η——水位；

u、v、w——流速在x，y，z方向上的分量；

ρ0——水的密度；

Pa——當(dāng)?shù)氐拇髿鈮骸?/p>

本項(xiàng)目運(yùn)用NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對(duì)橋區(qū)航道的設(shè)計(jì)船型、船隊(duì)在不同水位條件下進(jìn)行通航模擬試驗(yàn)。該方法的有效性在中山市35號(hào)路長(zhǎng)江大橋和培森柳江特大橋的通航論證中得到了證明［3-4］。

基于船舶操縱模擬的郁江特大橋通航安全研究/張建球，李思倫

1.3" 工況設(shè)置及代表船型

根據(jù)南寧至貴港3 000噸級(jí)航道工程報(bào)告，擬建長(zhǎng)塘郁江大橋最高通航水位采用20年一遇水位——72.50 m，最低通航水位為58.65 m（1985國(guó)家高程）。

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014）（以下簡(jiǎn)稱《通航標(biāo)準(zhǔn)》）［5］，結(jié)合西江航運(yùn)干線內(nèi)河運(yùn)輸方式［6］、平陸運(yùn)河規(guī)劃，擬建橋梁通航代表船型為平陸運(yùn)河5 000噸級(jí)貨船（90 m×15.8 m×5.0 m）和3 000噸級(jí)船隊(duì)（223 m×16.2 m×3.5 m）。

2" 橋梁通航凈空尺度分析

2.1" 水流條件分析

研究采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)橋址上下游約2 km水域進(jìn)行模擬計(jì)算（圖3）。模型計(jì)算工況分別為20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在20年一遇水位工況下，橋址至上游3倍船長(zhǎng)（690 m）內(nèi)流速在1.51～2.58 m/s，平均值為2.19 m/s，橫向流速最大值為0.40 m/s；汛限水位工況下，流速在1.00～1.88 m/s，平均值為1.67 m/s，橫向流速最大值為0.28 m/s；在最低通航水位工況下，流速為0.09～0.14 m/s，平均值為0.12 m/s，橫向流速最大值為0.01 m/s。綜合來(lái)看，橋梁建設(shè)前后橋區(qū)附近水流流態(tài)較好，水流條件沒(méi)有發(fā)生顯著變化，滿足通航規(guī)范要求。

2.2" 通航凈寬計(jì)算

根據(jù)《通航標(biāo)準(zhǔn)》，Ⅰ級(jí)航道要求橋梁凈空寬度應(yīng)≥220 m。各工況下橋址處橋軸線法線方向與水流方向交角最大為-10.01°，橫向流速最大值為0.40 m/s，橋墩順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為26.5 m，由此計(jì)算得出橫流加寬為40 m，橋梁斜交加寬為9 m，最終確定橋梁通航凈寬=正交條件通航凈寬+橫流加寬+斜交加寬=220+40+9=269 m。

在洪水條件下，由于上游流量較大，水流速度增大，橋墩附近可能形成紊流區(qū)從而威脅通航安全。因此，橋梁跨徑需充分考慮橋墩所形成的礙航紊流區(qū)寬度。根據(jù)相關(guān)研究總結(jié)的紊流寬度計(jì)算公式［7］，計(jì)算出紊流區(qū)寬度為23 m。因此，建議橋梁采用通航凈寬≥269 m，橋墩間凈寬≥292 m的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足代表船型通航凈寬的要求。

2.3" 通航凈高復(fù)核

擬建橋梁通航凈寬范圍內(nèi)梁底高程≥91 m。當(dāng)最高通航水位為72.5 m時(shí)，橋梁通航凈寬范圍內(nèi)設(shè)計(jì)凈高為18.5 m，側(cè)高與凈高一致，滿足規(guī)劃Ⅰ級(jí)航道代表船型安全航行凈高要求，因此不存在通航風(fēng)險(xiǎn)。

3" 優(yōu)化方案通航條件研究

3.1" 船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)

本研究采用NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對(duì)擬建大橋橋區(qū)的設(shè)計(jì)船型、船隊(duì)進(jìn)行通航模擬試驗(yàn)［4］。設(shè)計(jì)代表船型分別選取3 000噸級(jí)貨船、5 000噸級(jí)散貨船（平陸運(yùn)河型）、3 000噸級(jí)一頂二船隊(duì)。模型試驗(yàn)方案選擇20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況，風(fēng)向選擇最不利的偏北（005°）風(fēng)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3 000噸級(jí)貨船、5 000噸級(jí)船舶（平陸運(yùn)河船型）、3 000噸級(jí)一頂二船隊(duì)等在過(guò)橋時(shí)的最大操縱舵角為20°，最大漂角為6.5°，最大航跡帶寬度為147.2 m。這表明上述船型在上行/下行通過(guò)橋區(qū)水域時(shí)，操縱難度不大，橋梁通航凈寬269 m滿足代表船型各工況下航跡帶寬度要求。

根據(jù)船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)結(jié)果，提出航行優(yōu)化方案如下：

（1）船舶（隊(duì)）下行至擬建橋梁下游1 km處彎道前，提前減速至＜20 km/h，避免船舶（隊(duì)）因航速過(guò)快而沖出航道邊線導(dǎo)致觸岸事故的發(fā)生。由于橋梁下游1 km左岸存在邊灘，上行船舶在強(qiáng)風(fēng)流條件下過(guò)彎困難，建議船舶（隊(duì)）避免在彎道處相遇，以免發(fā)生碰撞或觸岸事故。

（2）設(shè)計(jì)船型通過(guò)橋區(qū)時(shí)，洪水期下行（順流）航速控制在＜20 km/h，上行（頂流）航速保持＞7 km/h。同時(shí)在靠近橋墩附近時(shí)，駕駛員可根據(jù)具體情況控制航速，保持船舶與橋墩的安全距離。

3.2" 橋墩布置合理性分析

根據(jù)橋梁通航凈寬計(jì)算和船舶操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果，擬建橋梁269 m通航凈寬滿足代表船型通航寬度要求。結(jié)合橋址河段河床條件，由于下游1 km左岸存在邊灘凸出問(wèn)題，并且河道深槽偏右岸（南岸），由此造成船舶習(xí)慣航路偏河道右岸。因此，布置橋梁主跨時(shí)應(yīng)考慮主橋墩盡量偏向右岸，并且保證右岸橋墩應(yīng)避免對(duì)船舶習(xí)慣航路及規(guī)劃航道產(chǎn)生影響。見(jiàn)圖4。

在枯水位時(shí)，擬建長(zhǎng)塘郁江特大橋右岸水深約為2 m，7#橋墩應(yīng)靠岸布置從而避免對(duì)船舶習(xí)慣航路及規(guī)劃航道產(chǎn)生影響。在7#橋墩上游約70 m處岸勢(shì)略微向河道凸出（圖5），7#橋墩受岸勢(shì)凸起掩護(hù)，過(guò)往船舶與橋址處右岸亦應(yīng)該保持一定距離。根據(jù)洪枯水位航跡線調(diào)查，上、下行航跡線距離7#橋墩距離均≥50 m，擬建橋梁通航孔可覆蓋各水位期的船舶習(xí)慣航路，滿足船舶上下行通航需求。

4" 結(jié)語(yǔ)

（1）在20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況下，工程前后橋區(qū)附近水流流態(tài)整體較好，水流條件沒(méi)有發(fā)生較大變化，滿足通航規(guī)范要求。

（2）對(duì)于主墩涉水的橋梁，涉水橋墩位置需要綜合考慮船舶習(xí)慣航路和規(guī)劃航道布置。擬建長(zhǎng)塘郁江特大橋根據(jù)洪枯水期習(xí)慣航路、船舶仿真操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果，確定主跨橋墩應(yīng)偏向河道右岸，以減少橋墩對(duì)船舶通航的影響。

（3）擬建橋梁河道條件復(fù)雜，下游1 km河道左岸邊灘凸出，通過(guò)二維水流數(shù)值模型和船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)?zāi)苋嬖u(píng)估建橋?qū)Υ昂叫械挠绊?，并提出合理的通航保障措施?/p>

［1］孔憲衛(wèi)，張慶河，李曉松，等.基于船舶操縱模擬的橋區(qū)水域通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43（5）：667-672.

［2］葉飛武.平陸運(yùn)河分洪方案研究［J］.廣西水利水電，2023（4）：91-93，97.

［3］黃立文，張" 蔚，嚴(yán)慶新，等.船舶操縱模擬器在橋梁/船閘通航方案論證中的應(yīng)用［J］.船海工程，2007（4）：91-93.

［4］韓若會(huì)，李曉松，黃偉軍.基于船舶操縱模擬的橋區(qū)水域通航安全研究［J］.水道港口，2022，43（4）：484-488.

［5］GB 50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］譚" 力，梁" 芳.西江干線跨江橋梁通航船型適應(yīng)性評(píng)價(jià)與分析［J］.西部交通科技，2020（6）：157-159，177.

［7］莊" 元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)航海，2007（3）：5-9，44.

20240516