航道橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)概率模型的研究

李佩云,郝 偉

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

航道橋梁船撞風(fēng)險(xiǎn)概率模型的研究

李佩云,郝 偉

(蘭州交通大學(xué),甘肅蘭州 730070)

如今船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)已逐漸成為橋梁工程界所面臨的尖銳問(wèn)題之一,因此對(duì)其進(jìn)行概率分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義。對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的6種船撞橋概率模型進(jìn)行比較,選擇戴彤宇模型作為基本模型并對(duì)其中的碰撞影響系數(shù)及幾何概率積分區(qū)間進(jìn)行一定的修正,利用正態(tài)分布的原理計(jì)算得到船撞橋的總概率。將失控船舶與非失控船舶分開(kāi)考慮并分別計(jì)算它們與橋梁發(fā)生碰撞的概率,以便全面細(xì)致地揭示失控船舶與非失控船舶對(duì)事故發(fā)生的影響,根據(jù)所得概率與常用規(guī)范確定是否采取保護(hù)措施,并運(yùn)用工程實(shí)例說(shuō)明了該修正模型的實(shí)用性。

船撞橋； 概率模型;碰撞影響系數(shù);失控船舶

0 引言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)與航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，大量跨江，跨海橋梁橫跨在水面上，使得陸上交通運(yùn)輸更加便利，由于橋墩的布設(shè)會(huì)使通航孔凈寬變小，從而影響航運(yùn)的發(fā)展，因此橋梁工程的建設(shè)對(duì)水上交通運(yùn)輸來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)障礙物。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明,在國(guó)外平均每年均有一座大型橋梁因船舶撞擊而倒毀或遭受?chē)?yán)重破壞,長(zhǎng)江干線上近年來(lái)也發(fā)生了幾起較大的船撞橋事故,如武漢長(zhǎng)江大橋因跨距較小而發(fā)生船撞橋事故,黃石長(zhǎng)江大橋因水流流向與橋梁垂線夾角達(dá)到15°之大而引起事故。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮,必須對(duì)船撞橋問(wèn)題引起足夠重視并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,其中確定船橋碰撞的概率當(dāng)屬首要問(wèn)題,由于大多數(shù)船撞橋事故是船艏與橋墩的撞擊所引起的,因此本文只對(duì)船艏與橋墩相撞的概率進(jìn)行估計(jì)。

1 船橋碰撞概率模型介紹

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別這一過(guò)程可以盡量識(shí)別出船撞橋事故的所有潛在風(fēng)險(xiǎn)因素,歸納可知船橋碰撞事故主要由人員失誤,機(jī)械故障以及惡劣的自然環(huán)境這3個(gè)因素引起,理論上應(yīng)該對(duì)這3個(gè)因素分別構(gòu)造船橋碰撞概率模型,最后計(jì)算總碰撞概率,但這種方法很難運(yùn)用到實(shí)際情況中,可以將這3個(gè)因素綜合考慮然后通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型近似的表達(dá)出來(lái),并根據(jù)船橋碰撞事故數(shù)據(jù)和觀測(cè)得到的橋區(qū)通航環(huán)境其他方面的數(shù)據(jù)確定模型中的參數(shù),目前國(guó)內(nèi)外建立了如下表所示的比較典型的6種簡(jiǎn)化概率模型,見(jiàn)表1。

這些模型各有利弊,前4類(lèi)是國(guó)外模型,并不一定適合我國(guó)的情況,后兩類(lèi)相比較而言戴彤宇模型更具有廣泛的適用性,為了使其更加精確,本文對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行一定的修正。

2 構(gòu)造船撞橋總概率模型

式中:Ni——i類(lèi)船舶單位時(shí)間內(nèi)的通航量;

fi——i類(lèi)船舶的碰撞影響系數(shù),由于中已考慮偏航概率,因此只與幾何概率有關(guān);

PGi——幾何概率即船舶進(jìn)入可能碰撞區(qū)域的概率,通常服從正態(tài)分布(見(jiàn)圖1)。

2.1 通航船舶的分類(lèi)

在確定每一類(lèi)船舶單位時(shí)間內(nèi)的通航量之前必須先對(duì)不同的船型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類(lèi),不同的分類(lèi)方法所得結(jié)果也不盡相同,通常采用DWT—船舶載重噸位進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)調(diào)研資料和DWT分類(lèi)法,得到的各種船型的基本參數(shù)見(jiàn)表2［2］。

2.2 碰撞影響系數(shù)［3-6］

fi共有10個(gè)方面因素的影響:

表1 6種常用的簡(jiǎn)化概率模型

圖1 幾何概率計(jì)算

表2 各船型參數(shù)

(4)大霧因素μ2=(D′—一年中能見(jiàn)度小于1 000 m的霧日天數(shù);D—全年通航天數(shù);K—大霧影響系數(shù);S1—能見(jiàn)度不好時(shí)的距離取1 000 m;S2—能見(jiàn)度好時(shí)的距離取10 000 m); (5)船舶偏航概率—該類(lèi)型船舶年偏航次數(shù);f（m）—船舶通航頻率;當(dāng)缺少統(tǒng)計(jì)資料時(shí),常用事故率代替,取0.000 1);

(7)船舶航道交通管理水平系數(shù)(根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定);

(1)作假設(shè)H0:F(x)=F0(x，θ1···θk),若θj未知,則用）替代

(2)將字樣分成l個(gè)互不相交的區(qū)間(ai-1，ai］，i=1，2, ···l,計(jì)算Pi=F(ai)-F(ai-1)，i=1，2，···l

(9)水流因素(收集不同水位下水流的流速);

(10)船舶交通密度系數(shù)(低交通密度取1.0;中等交通密度取1.3;高交通密度取1.6)。

fi值確定方法:用專(zhuān)家調(diào)查法分別對(duì)以上10個(gè)因素賦以不同的權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)求和。

根據(jù)上述方法研究者做了大量的調(diào)查與計(jì)算工作,得到普遍情況下可供參考的不同類(lèi)型船舶的碰撞影響系數(shù):船隊(duì)fi=0.05;油船fi=0.07;水船fi=0.12。

2.3 幾何概率

2.3.1 航跡分布的檢驗(yàn)

大多數(shù)學(xué)者所研究的水域內(nèi)的船舶航跡恰好都服從正態(tài)分布,本文用檢驗(yàn)法做擬合優(yōu)度檢驗(yàn),為的是進(jìn)一步證明船舶航跡分布的規(guī)律。

x2檢驗(yàn)法的步驟:

2.3.2 確定期望和方差

美國(guó)AASHTO規(guī)范以航道的中心線為均值,設(shè)計(jì)船只的總長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)差,由于我國(guó)的實(shí)際情況與其不符,因而本文直接采用耿波對(duì)三峽庫(kù)區(qū)研究的結(jié)果［7］:μ=0.2w，σ=0.1w(w為航道寬度)。

2.3.3 確定積分區(qū)間

橋墩周?chē)纬傻膹?fù)雜流態(tài)嚴(yán)重影響船舶航行安全,應(yīng)該在原先的積分區(qū)間(A，B)中引入橋墩形成的總紊流寬度E［8］,使船橋碰撞區(qū)拓寬為墩寬,紊流寬及船寬三者之和,且橋墩左右兩側(cè)紊流寬度近似相等。

式中:KC，KS——常數(shù)系數(shù),且KC=0.88,KS=1.0(圓柱墩);

v——墩前水流流速(m/s);

b——墩形計(jì)算寬度(m);

h——橋墩附近水深(m)。

2.3.4 幾何概率的求解

式中:x——船舶過(guò)橋時(shí)的位置;

μ——以航道中心線為對(duì)稱(chēng)軸的位置參數(shù);

σ——數(shù)據(jù)分布的離散度。

確定了積分區(qū)間與期望,方差后查正態(tài)分布表,由此可以計(jì)算得出各個(gè)橋墩撞擊的幾何概率,將所有橋墩的相加得總概率。

3 失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率模型

船橋碰撞發(fā)生前船舶有兩種狀態(tài),一種是失控船舶,另一種是未失控船舶即正常能力船舶。戴彤宇的模型僅僅計(jì)算的是這兩種狀態(tài)的總概率,并未將兩種狀態(tài)區(qū)分開(kāi),不能全面細(xì)致地揭示這兩種原因?qū)κ鹿拾l(fā)生的影響,為此引入一種失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率模型,計(jì)算出失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率后,將總概率與之相減便可得未失控船舶與橋梁相撞的概率,實(shí)際上船舶失控后還可分為采取拋錨與不采取拋錨兩種措施的計(jì)算,本文不再作區(qū)分。

3.1 確定期望與方差［9］

定量分析風(fēng)流及偏航角對(duì)撞橋概率的影響,將風(fēng)致漂移量,流致漂移量以及偏航角三個(gè)近似正態(tài)分布疊加即為船舶失控撞橋概率。由于正態(tài)分布具有相加性,所以將三者的期望與方差分布相加得:

式中:t——失控開(kāi)始至到達(dá)橋梁的時(shí)間;

v0——船舶失控時(shí)的速度;

Tst——船舶減速時(shí)間常數(shù);

aˉ——偏航角分布均值;

β——水流流向;

U——水流流速;

Va3——流淌期的相對(duì)風(fēng)速(m/s);

σa，σw，σf——分別為偏航角,流致漂移量,風(fēng)致漂移量三個(gè)近似正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差;

Ba，Bw——分別為船體上下受風(fēng)面積,Ba=L·(D-d)，Bw=L·D;

L——船長(zhǎng)；

D——型深；

d——吃水;

K——常取0.038～0.041;

K′—淺水修正系數(shù)。

3.2 船舶失控后與橋梁發(fā)生碰撞的概率

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)AASHTO規(guī)范,對(duì)于一般橋梁,整橋的最大年倒塌頻率應(yīng)小于10-3;對(duì)于關(guān)鍵性橋梁,整橋的最大年倒塌頻率應(yīng)小于10-4,為了進(jìn)行通航橋梁的設(shè)計(jì),我國(guó)常借用國(guó)外規(guī)范作指導(dǎo),由于存在一些不符合我國(guó)實(shí)際情況的因素,可以在原先的基礎(chǔ)之上加修正系數(shù),本文用9作為修正系數(shù)。將所得結(jié)果與之比較,若在允許頻率范圍內(nèi)則無(wú)需采取補(bǔ)救措施,若超出頻率范圍,可以采用VTS監(jiān)控系統(tǒng),固定式或漂浮式緩沖系統(tǒng)裝置等措施降低船撞橋事故。

5 工程實(shí)例應(yīng)用

福州烏龍江大橋位于福州市東南17 km,在烏龍江渡口下游清涼、金牛兩山的峽口處,這里江面最窄(兩山嘴距離510 m,低潮時(shí)水面寬430 m),橫跨閩江南港,該橋總長(zhǎng)552 m,橋跨結(jié)構(gòu)為58 m + 3×144 m + 58 m,各剛構(gòu)間采用33 m簡(jiǎn)支T梁連接。橋下通航凈空,按一般高潮位時(shí)保持12.3 m,橋面中心標(biāo)高為19.45 m(羅零)。4個(gè)墩身都是鋼筋混凝土空心墩,一、四號(hào)墩為淺埋擴(kuò)大基礎(chǔ);二、三號(hào)墩為管柱基礎(chǔ)。橋位軸線的法線方向與漲潮流方向的最大夾角為11°,與落潮流方向的最大夾角為4°。橋位處最高通航水位+ 6.79 m;橋位處最低通航水位+0.5 m。

5.1 通航船舶的分類(lèi)

根據(jù)《福建省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃》以及綜合考慮航運(yùn)現(xiàn)狀和未來(lái)船舶發(fā)展方向,選用內(nèi)河一號(hào)船型為2×500 t級(jí)頂推船隊(duì)長(zhǎng)111. 0 m ×寬10. 8 m ×最大吃水1.6 m,二號(hào)船型為500 t級(jí)機(jī)駁船長(zhǎng)67. 5 m ×寬10.8 m ×設(shè)計(jì)吃水1.6 m作為代表船型。

5.2 確定碰撞影響系數(shù)

用專(zhuān)家調(diào)查法分別對(duì)10個(gè)因素賦以不同的權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)求和可直接取2×500 t級(jí)的頂推船隊(duì)fi=0.05;500 t級(jí)機(jī)駁船fi=0.07。

5.3 幾何概率

5.3.1 航跡分布的檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)x2檢驗(yàn)法可證明船舶航跡分布服從正態(tài)分布,計(jì)算結(jié)果如下。

5.3.2 確定期望和方差(主通航孔通航凈寬246 m) μ=0.2×246=49.2m，σ=0.1×246=24.6,根據(jù)前述過(guò)程,粗略估計(jì)某一年的船撞橋總概率為3.88×10-3,其中失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率為2.75×10-3,則非失控船舶與橋梁發(fā)生碰撞的概率為1.13×10-3,該橋?qū)儆陉P(guān)鍵性橋梁,將此概率與9×10-4相比可知該風(fēng)險(xiǎn)是不可接受的,必須采取一定的措施以降低風(fēng)險(xiǎn)。

［1］ 戴彤宇，劉偉力，聶武.船撞橋概率分析與預(yù)報(bào)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24(1):23-25.

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［7］ 耿波，汪宏，王君杰.三峽庫(kù)區(qū)橋梁船撞主要影響參數(shù)的概率模型［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(4):477-482.

［8］ 龔婷.船撞橋事故概率研究［D］.湖北武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

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U698.6

A

1009-7716(2015)03-0155-04

2014-11-24

李佩云(1990-),女,甘肅蘭州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣こ坦芾砗惋L(fēng)險(xiǎn)管理。