順直航道矩形橋墩防撞范圍的確定方法研究

戚建祥,艾萬政，馮 娜

(1.浙江國際海運職業技術學院航海工程學院，浙江 舟山 316021；2.銀川能源學院土木建筑學院，寧夏 銀川 750105)

橋梁極大地改善了我國的運輸條件，是我國交通網絡的重要構成部分。20世紀80年代以來，我國跨江和跨海橋梁越造越多。據統計，國內主要的三大內陸通航水系，即長江水系、珠江水系和京杭運河水系，現有各種橋梁約300多座[1-4]。橋梁不僅給交通運輸帶來方便，更重要的是橋梁建設有效地促進了經濟的發展[5-11]。如浙江沿海的東海大橋貫通了洋山港和上海南匯蘆潮港,該大橋工程是上海國際航運中心的重要配套橋梁，為洋山深水港區的進出口貨物運輸以及通訊、供電、供水等提供了極大的方便，促進了該地區經濟的發展。橋梁建設雖然對經濟發展發揮了重要的促進作用，但同時橋區的通航水環境也是在橋梁建設時必須要充分考慮的，科學設置好橋區浮標和航道，以有效控制船舶的通航安全并避免船舶發生撞橋事故，否則橋梁會成為制約船舶通航安全的“瓶頸”。 如2001年12月26日，浙江紹興一座55m的小橋梁遭黃沙船撞擊而坍塌，造成船長死亡；2001年19月20日，“明月”輪撞擊正在建設的響噍門跨海大橋，使橋墩損壞并導致施工延誤，造成的直接經濟損失近千萬元；自2014年12月至2016年5月，廣深高速公路橋梁碰撞觸發報警的有效事件就有30次，較為嚴重的碰撞事件就發生了8次；2017年4月1號9時55分，一艘載有近千噸貨物的貨船在通過珠海市斗門區蓮溪大橋時不慎撞到橋墩，導致蓮溪大橋橋體發生不穩定的現象，橋上的自來水管道已破裂，貨船傾斜[12]。以上交通事故的發生，雖然在很大程度上與駕駛人員的疏忽有關，但也與橋區浮標布置不科學有一定的關聯性[13-15]。橋墩的防撞范圍與橋區的航道布置密切相關，它是橋區浮標和航道布置的重要依據，橋區的浮標和航道必須要布置在橋墩防撞范圍之外[16-19]。因此，有必要研究橋墩防撞范圍的確定方法。本文基于數值模擬和回歸分析法對順直航道矩形橋墩防撞范圍的確定方法進行了理論分析，并推導出順直航道矩形橋墩防撞范圍的經驗計算公式，以為橋梁工程建設提供參考。

1 理論分析

在通航水域建設橋梁以后，由于橋墩的存在，水流結構會發生改變，橋墩附近存在“墩吸流”和“墩推流”。“墩推流”可以推動船舶遠離橋墩，對船舶運動和橋梁而言相對安全，而“墩吸流”有誘導船舶撞橋的作用，因此其往往是船舶撞橋的重要誘因之一。因此本文將“墩吸流”距離橋墩表面的最大距離定義為橋墩的防撞范圍。為了船舶和橋梁的安全，船舶不應闖入此范圍之內；同時為了提醒船舶遠離橋墩防撞領域區，橋墩附近往往也應設置有閃特定燈光的“橋浮”，以警示船舶遠離該區域。已有文獻研究表明，影響橋墩水流結構的重要因素是橋墩迎流面的特征寬度和附近水流的弗勞德數[17-21]，而影響彎道橋區附近水流弗勞德數的重要因素是彎道總流速。因此，影響橋墩防撞范圍的因素是橋墩的特征寬度(橋墩在垂直于主流向的最大寬度)B和航道入流(軸線)的平均流速U，即

D=f(B,U)

(1)

式中：D為橋墩的防撞范圍(m)，也即是“墩吸流”消失點距離橋墩表面的最大距離;B為橋墩的特征寬度(m);U為航道入流的平均流速，也即是橋墩附近的水流流速(m/s)。

為了確定橋墩的防撞范圍D，本文擬通過數值模擬計算得出大量數據，再運用回歸分析方法推導出矩形橋墩防撞范圍D的經驗計算公式。

2 計算模型的建立

順直航道中的橋墩、航道和坐標系布置如圖1所示(航道布置在“墩吸流”之外)。其中，X表示航道縱向方向(軸向)；Y表示航道徑向方向。RNGk-ε模型適合于對管道或航道流態進行精確模擬，因此本文擬采用RNGk-ε模型對順直航道的流態進行數值模擬分析。

圖1 順直航道中的橋墩、航道和坐標系布置Fig.1 Layout of pier,fairway and coordirate system in straight waterway

RNGk-ε模型的控制方程組如下[22]：

(1) 質量守恒方程(連續方程)：

(2)

(2) 動量守恒方程：

(3)

(3)k-方程：

(i=1,2)

(4)

(4)ε-方程：

(5)

邊界條件的處理方法如下：①入流邊界條件為兩護岸之間河道的入流平均流速、湍流動能分布和湍流動能耗散率分布，其數學表達式為：uin=U、k=0.014 4U2、ε=k1.5/(0.25b)，其中U為航道入流的平均流速(m/s)，b為護岸之間的寬度(m);②出流邊界條件為假設出流充分發展;③壁面邊界條件為假設邊界層流中無滑移，換言之壁面邊界的速度和邊界節點速度的分量一致。

3 順直航道矩形橋墩防撞范圍的經驗計算公式推導

順直航道矩形橋墩防撞范圍D的數值模擬計算結果見表1。根據表1的數據，繪制順直航道矩形橋墩防撞范圍與相關因素(橋墩特征寬度B和航道入流的平均流速U)之間的關系曲線見圖2。

表1 順直航道矩形橋墩防撞范圍D的數值模擬計算結果

圖2 順直航道矩形橋墩防撞范圍D與相關因素之間的關系曲線Fig.2 Relationship between the anti-collision area D of retangular bridge pier in straight waterway and the related factors

由圖2可以看出：順直航道矩形橋墩的防撞范圍D與橋墩的特征寬度B呈線性關系，且橋墩的特征寬度B越大，則矩形橋墩防撞范圍D越大，這主要是因為橋墩迎流面的特征寬度B越大，水流在橋墩附近的繞流范圍也越大，從而導致橋墩在航道方向上的“墩吸流”范圍也越大；順直航道矩形橋墩的防撞范圍D與航道入流平均流速U大致呈冪指數關系，且航道入流的平均流速U越大，則矩形橋墩的防撞范圍D也越大，這主要是因為：航道入流的平均流速U越大，水流在橋墩附近的繞流范圍也增大，從而增大了“墩吸流”范圍。

本文利用回歸分析法擬合圖2中的曲線，可得到順直航道矩形橋墩防撞范圍D的經驗計算公式：

D=(0.56B+0.26)U0.35

(6)

公式(6)的實用范圍為：橋墩的特征寬度B在0.5～4.5 m范圍內，橋墩附近的水流平均流速在1～6 m/s之內。公式(6)雖然是一個量綱不一致的經驗公式，但對實際工程具有指導價值。

當順直航道矩形橋墩與航道入流的平均流速U之間存在一定的夾角β時(見圖3)，則斜流條件下順直航道矩形橋墩的特征寬度B′可以表示為

B′=Lsinβ+Bcoaβ

(7)

式中：L為橋墩長度(m);B為橋墩的特征寬度(m);β為航道入流的總流向與橋墩之間的夾角(°)。

由公式(6)可知，斜流條件下矩形橋墩的防撞范圍的經驗計算公式為

D=[0.56(Lsinβ+Bcosβ)+0.26]U0.35

(8)

4 結 論

橋墩的防撞范圍與橋區的航道布置密切相關，橋區的航道和浮標應布置在橋墩防撞范圍之外。數值模擬研究結果表明：順直航道矩形橋墩的防撞范圍與橋墩的特征寬度和橋墩附近的水流速度密切相關，即橋墩的特征寬度越大，順直航道矩形橋墩的防撞范圍也越大，且它們兩者之間為線性關系；橋墩附近的水流流速越大，順直航道矩形橋墩的防撞范圍也越大，且它們兩者之間為冪指數關系。利用回歸分析法通過曲線擬合，得到了順直航道矩形橋墩防撞范圍的經驗計算公式，可為橋梁工程建設提供依據。