西江（界首至肇慶）航道擴能升級工程對橋梁防船舶碰撞問題的研究

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1.研究河段橋梁狀況

西江（界首至肇慶）航道擴能升級工程研究河段共有7座跨河橋梁，按照凈空尺度是否滿足內河I級航道標準，可分為四類：凈寬凈高均滿足、凈寬不足、凈高不足、凈寬凈高均不足。

2.船撞橋事故原因分析

橋船相撞事故，原因是較復雜的，有因橋梁設計船撞力值偏小造成的，也有因船舶操縱失誤而引起的。根據我單位收集的近7年來的全國有關船舶撞橋的報道，全國共有14起船撞橋的報道，其中有5起是會影響橋梁結構安全的；有6起是自然因素引起，6起中有4起是因洪水造成、2起是風浪造成；還有一個現象是有3座橋2次被船撞，主要與橋本身的位置、通航凈空等有關。在14起船撞橋的報道中有5起是在廣東境內，在珠江三角洲高等級航道網內有4起。綜合分析可歸納主要原因，如圖1。

表1 橋梁通航凈空尺度情況表

3.撞擊風險評估

評價船舶的撞擊風險，主要依據大橋所在位置、橋區通航船舶特點、橋區水文條件、橋墩的幾何參數，結合橋墩的實際設計抗撞力，研究橋墩受船舶撞擊損傷的風險水平，采用AASHTO規范計算通航船舶撞擊的概率，進行船舶撞擊風險分析，主要內容有：①建立船舶偏航概率的模型；②船舶撞擊力計算；③船舶撞擊風險計算；④風險決策。

根據船舶的自然增長規律，預測到2025年時，研究河段的5座橋梁的年撞損率均大于10-3，超過了一般橋梁整橋的年撞損率要求，對5座橋梁采取防護措施都是非常必要的。

4.橋梁防撞處置方案

4.1 國內外常見的防撞方式

橋梁防撞在國外發展有幾十年的歷史，而國內近幾年隨著水運行業的不斷發展，人們對安全意識的不斷提高，對橋梁防撞越來越重視，根據日本學者巖井聰的分類，將防撞設施分為直接結構和間接結構：

①間接結構體系：常見的有防撞墩、防撞島、樁群、沉井、鋼板樁圍堰、鋼船、重力錨等；

②直接結構體系：附著式橡膠護弦、鋼箱、阻尼柔性防撞元件、移動重力擺、粘滯性防撞圈等。

目前我國長江流域、珠江流域跨河橋梁采用防撞墩、浮箱、浮式復合材料、群樁、人工島等較為普遍。

4.2 西江航道擴能升級工程橋梁處置方案

橋梁的船舶防撞包括兩方面內容：一是主動防撞，即是采取主動措施預防船舶撞擊橋梁；二是被動受撞時的防撞，即當船舶撞擊橋梁時采取措施防止橋梁受損。兩者相比，前者可以最大限度減低船橋相撞事故發生的風險。然而，在實踐過程中，我們總結發現，單單依靠主動防撞仍然無法對橋梁起到良好的保護作用，因此，為了船舶、大橋的安全，我們采取主動防撞+被動防撞的措施，以求在最大范圍內保護船橋的安全。主動防撞措施包括設置側面標、警示牌、凈空水尺、防撞雷達、視頻監控、自動水位計等，被動防撞措施主要為設置分離式防撞墩或浮式防撞。

5.防撞設施效果驗證

防撞設施的防撞效果采用有限元數值仿真方法，結合船舶承載情況、撞擊水位、撞擊角度、樁基及地質情況、材料性能等邊界條件，通過建立“整船-防撞墩-橋墩-地基基礎”三維有限元模型，仿真不同工況下船橋碰撞情況、研究船橋碰撞響應。經驗證，防撞墩與船舶碰撞后，防撞墩有效吸收了船舶動能，避免了船舶與橋墩的直接碰撞，減少了船舶對橋梁的撞擊風險，在保護橋梁自身安全方面達到了預期的效果。

圖1

船橋碰撞事故重現與分析

船舶與防撞墩碰撞有限元網格模型

6.結語

綜上所述，西江（界首至肇慶）航道擴能升級工程對沿線5座不符合內河I級航道標準，存在較大船舶碰撞風險的橋梁，采取主動防撞+被動防撞的措施，并利用船舶仿真等手段對防撞設施效果進行驗證，為同類型航道整治工程中橋梁防碰撞問題的設計提供技術參考，在實際工程中具有良好的應用效果。