西堠門特大橋船撞橋概率分析與風險評估

尹紫紅,李遠富,燕蒲龍,項 琴,李懷龍

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.西南交通大學峨眉校區土木工程系,四川峨眉山 614202；3.西南交通大學經濟管理學院,成都 610031； 4.四川職業技術學院,四川德陽 618000)

1 概述

隨著交通事業的迅猛發展,船撞橋問題顯得越來越突出,亟待研究和解決。主要表現在以下幾個方面。

(1)橋梁越建越多,越建越大,越建越長。橋梁建設已從跨越內河發展到跨越河口、跨越海峽。近20年來,由于橋梁技術的不斷進步,橋梁的建設日益向大跨度深基礎發展,橋梁已從跨越大江大河發展到跨越河口、跨越海峽,橋位的選擇從內河的中、上游發展到下游,直至沿海地區。

(2)船型尺度在不斷地增大。隨著水路運輸的發展和船型技術的不斷進步,船型也在不斷地改進,船舶尺度在不斷地增大。據統計,全國內河貨船的平均噸位已從1990年的45 t增加至2000年的105 t。隨著運輸結構調整的不斷推進和深入,船型將逐步實現標準化、大型化和現代化,船型尺度還將繼續增大。

(3)內河客船逐步高速化。20世紀80年代,長江一般客船的航速僅在20 km/h左右,而今已有很多客船達到了30 km/h以上,水翼客船更是達到了60 km/h以上。內河客船的航速增加,意味著一旦撞橋時碰撞能量的增加,無疑會帶來更嚴重的后果。

(4)危險品運輸呈增長趨勢。石油及其制品、液體化工品等運輸快速增長。新型專用船舶如化學品船、液化氣船等從無到有,已發展到化學品船218艘、6.2萬t,液化氣船22艘、15.1萬t載重。

另外,恐怖主義的盛行尤其是9·11事件喚醒了人們的防恐安全意識,同時也提醒我們對船撞橋問題進行研究的意義要比原來所認識到的更加重要。

上述各方面因素的存在,都使得發生船撞橋事故的風險越來越大,深入開展有關研究已經越來越急迫、越來越重要。

國內外統計資料表明,近幾十年來,世界上發生的船舶撞毀橋梁事故已超過100次。武漢長江一橋自1957年建成通車以來,40余年內被撞70余次,除3次是超高撞梁外,其余均撞橋墩,最嚴重的一次留下了0.15 m深的凹痕；重慶白沙沱大橋僅1998～2005年,就發生過9起嚴重的船撞橋事故,造成了嚴重的經濟損失和惡劣的政治影響；文獻[1]曾對我國長江、珠江和黑龍江三大水系上的船撞橋事故進行過統計,并給出了船撞橋事故的年度變化情況,見圖1。黃石長江公路大橋在3年時間內共發生碰撞橋墩事故20多起,其中一次船毀人傷,貨物沉沒,橋墩受損,直接經濟損失上千萬元。最近,船撞橋事故在我國頻繁發生,特別是2007 年6月運沙船撞塌廣東九江大橋和 2008年8月3 000 t貨船撞擊東莞麻涌大橋在我國造成了重大的社會影響。

舟山大陸連島工程由岑港大橋、響礁門大橋、桃夭門大橋、西堠門大橋和金塘大橋5座大橋組成,全長48 km,是世界規模最大的島陸聯絡工程。其中,金塘大橋是世界上外海環境中最大跨度的斜拉橋,在5座大橋中規模最大。2008年3月27日,中國臺州籍貨輪錯駛航道,撞擊正在建造中的金塘大橋非通航孔,造成60 m長的橋面斷裂坍塌；2009年11月16日晚,一艘2 000 t級韓國籍貨輪在風浪中走錨,撞擊了連島大橋群中最大的金塘大橋1個橋墩。

船撞橋事故不但涉及到橋梁的結構安全,影響著航區船舶和橋面車輛的安全運營,更是威脅著人民的寶貴生命和財產安全,于是合理地對橋梁進行船撞橋概率分析并對風險進行評估就成為工程界越來越關心的問題,我們必須進一步分析研究船撞橋的概率問題。我國船撞橋事故年度變化如圖1所示。

圖1 我國船撞橋事故年度變化

2 船撞橋模型選擇

PIANC第19工作組把船撞橋事故的原因歸結為3類：(1)人員失誤,如：疏忽、操縱失誤和無證駕駛等；(2)機械故障,如：主機滅火、舵機失靈和船隊斷纜等；(3)惡劣的自然環境,如：壞天氣和大洪水等。目前,有學者著手研究考慮這些影響因素的復雜理論模型,但該種復雜的理論應用于實際尚較為困難。因此,采用基于全局參數的簡化概率模型仍然是當前國內外計算船撞橋概率的主要方法。比較典型的船撞橋簡化模型主要有AASHTO指南方法、IABSE模型(拉森模型)、Kuzi模型、歐洲規范模型、英國模型[7]以及配德森模型等。本研究考慮到中國橋梁的實際情況,采用AASHTO船撞設計指南方法對大橋的船撞概率進行計算分析。

AASHTO 規范模型中,橋梁年撞擊概率的計算式為

P=N×PA×PC×PG

式中N——船舶年通航量；

PC——偏航概率；

PG——幾何概率。

偏航概率PA的計算式為

PA=BR×PB×PC×PXC×PD

式中BR——偏航基準概率；

PB——橋位修正系數；

PC——平行水流修正系數；

PXC——橫流修正系數；

PD——船舶交通密度修正系數。

幾何概率PG的計算見圖2,其中陰影部分的面積即為幾何概率。

圖2 幾何概率計算圖示

3 修正AASHTO模型

AASHTO模型是依照美國和歐洲的船舶碰撞資料統計而設計出來的,不一定適用于我國的船撞橋概率計算,不一定真實反映我國船撞橋情況。船舶撞擊橋梁是一個多因素造成的事件,既有風、水流、霧等外界因素,又有橋梁凈高,航寬,船舶性能、駕駛操作等內在因素,并且因素之間有著耦合關系,AASHTO模型涉及到的因素不夠全面,需要修正。

3.1 船型修正

船撞橋事故概率和航區船型是相關的,據有關統計分析,船隊更易發生撞橋事故。駁船隊的撞橋事故遠遠多于單船。主要原因是駁船隊尺度大,操縱性相對較差，過橋更困難。而單船相對而言船體主尺度較小,操縱性也相對好些,因此,單船撞橋事故較少。一般船舶偏離航線基本發生率BR=0.6×10-4,船隊BR=1.2×10-4。船舶撞擊橋墩的概率與航區寬度成反比,與船舶寬度成正比。

式中μ——船型修正系數；

B——船舶寬度；

L——單孔跨徑。

3.2 上下水修正

根據統計結果,下水船舶撞橋事故數量較多,大約是上水船舶事故數量的2.2倍,主要是由于下水船舶對水流的相對速度較低,舵效差,難以操縱,而下水船舶由于相對河床速度值較高,撞橋的后果更嚴重,船撞橋概率更大。

式中Q′——下水通航量；

Q″——上水通航量；

Q——全年通航量,a為上下水修正系數,有碰撞統計資料取3。

3.3 大風修正

風對船舶航行有著明顯的影響,風對船舶的影響除了使船舶失速或增速外,一方面令船舶向下漂移,另一方面使船發生偏轉。對其船舶作用的程度和特征與船舶受風面積、風動力中心位置、干舷高度與吃水比、風級、船舶航向、航速等多種因素有關。風力越大,船舶傾斜、漂移、偏轉的程度就越大。通過計算機模擬船舶橋區的失控漂移,可以得出,不管是上游還是下游,風速大于7.9 m/s 時,風對風致漂移量影響較大,與風向無關。所以由風對船撞橋的修正有

式中Q′——風速大于7.9 m/s 的通航天數；

Q——全年通航天數,a為風修正系數,取值 1.5。

3.4 大霧修正

隨著我國城鎮化進度不斷擴大,灰霾天氣出現的日數越來越多,由此,引發的能見度不良天氣也越來越多,特別是濃霧,能見度變低,有時候即使借用雷達等助航儀器,仍然有可能發生偏航、擱淺和碰撞等事故。霧日天氣成為有些橋區的船撞橋的主要影響因素之一。

式中Q——全年通航天數；

Q′——一年能見度小于1 000 m的霧日天數；

k——大霧影響系數,參考取為2 511 000～2 512 000；

s——航區能見度距離,航區能見度不好時,s1取1 000m,航區能見度良好時,s2取10 000m。

4 工程案例

西堠門大橋是繼金塘大橋之后寧波往舟山方向的第2座跨海大橋,也是舟山大陸連島工程技術難度最大的特大跨海橋。全長5.452 km,大橋長2.588 km,為2跨連續鋼箱梁懸索橋,分體式雙箱斷面鋼箱梁,鋼箱梁全寬36 m,梁高3.5 m,兩箱間通過箱形橫梁和工字梁連接。連接冊子島和金塘島,主跨采用(485+1 650+578) m的懸索橋方案,是世界上跨徑最大的鋼箱梁懸索橋,也是跨徑世界第二、國內第一特大橋梁,設計通航等級3萬t,通航凈高49.5 m,凈寬630 m。

通航航道中心線距離橋墩825 m,上水有約4 km的直航水域,下水有約6 km的直航水域。最大風速24 m/s,極大風速大于42 m/s,受臺風影響月份為5～11月,其中7～9月居多,年平均臺風影響次數為2.56次。全年風級5級(相當風速8.0～10.7 m/s)以上平均90 d,全年橋區能見度小于1 000 m的霧日天數平均20.5 d。以不正規半日潮流為主,潮流運動形式大多為往復流。該水道流速大、且有強烈旋渦,航區年平行航向水流速度為3.15 m/s,橋區水流偏角在1.7°左右,交通密度高,上下行量比為1.2,預測不同船型在金塘島側3號墩的年撞擊頻率。計算結果見表1。

表1 金塘島側3號墩不同船型年撞擊概率

5 風險評價

風險評價標準的確定一直以來都是一個有爭議的問題。從安全的角度而言,橋梁結構必須保證行人的安全,也就是說橋梁結構應當具有相當的安全度。然而,安全要求的高低決定了相應所需要付出的成本。安全度要求越高,即橋梁的失效概率越低,為此,所需付出的經濟代價也就越高。因此,安全與經濟之間的平衡,是制定風險評價標準時最為關鍵的問題。

國外相關規范給出了不同的風險評價標準,AASHTO船撞設計指南規定,對于一般橋梁,整個橋的最大倒塌年頻率取10-3/年,而對于關鍵性橋梁則取10-4/年,并建議將全橋的年倒塌可接受頻率根據位于水中的各墩在橋梁重建費用中所占的百分比分配到各墩上。歐洲的Eurocode1給出了處于不同安全等級結構的目標可靠度,其中典型橋梁的年失效概率采用10-6/年。目前,船撞橋的風險評價標準在我國的橋梁設計規范中并沒有體現出來。文獻[17]詳細探討了人的安全因素、環境因素和經濟因素3方面在制定風險評價標準方面的影響,并結合中國國情,初步建立了針對船撞橋事故的風險等級評價標準。在文獻[17]所建立的船撞橋概率區間的基礎上,采用船撞橋風險等級評價標準(表2)對西堠門大橋的船撞風險進行評價。

表2 船撞橋風險等級評價標準

6 結論和建議

(1)傳統的AASHTO模型未考慮船型、大風、霧日等影響因素,在取值上較實際船撞擊橋梁概率大。

(2)船撞橋事故的第一位原因是人員失誤,約占78%；第二位原因是惡劣的自然環境,約占16%；第三位原因是機械故障,約占6%,三者之比大約為13∶2.8∶1。

(3)西堠門大橋運營期總體船撞風險評估等級為二級,屬于低風險水平,注意風險管理和監控。

(4)在橋梁運營期,應綜合采取主動防撞措施被動防撞措施,并加強防范、監控措施,重點保護主要通航口的橋墩,同時不能忽視引橋部分的安全。主動防撞措施方面,建議設置導航標等；被動防撞措施方面,可設置局部防撞措施,例如：在主通航孔的橋墩設置橡膠防護裝置等。對于重要橋梁,要建立主動防撞系統(如 VTS 等),減少人為原因導致的船撞橋事故,降低年船撞橋概率。

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