三峽庫區彎曲河段船舶航行過橋操縱風險定量分析

譚志榮 高興 馬奕 趙林基

摘 要：彎曲河段跨江橋梁的法向方向與水流流向夾角隨著水位變動處于常年周期性變化，導致汛期水流流速大時船舶航行過橋會產生較大操縱環境壓力。運用長江干線通航標準中的偏移量公式，建立流致漂移數學模型，收集典型忠州長江大橋汛期的水流數據和代表船型資料，計算不同工況下船舶航行下水過橋的漂移量，得出影響漂移量的水流流速、船舶速度和偏航角等定量關系。計算結果表明：汛期流速大且水流夾角變大時，船舶按照習慣航法或者低速航行時將產生較大的船撞橋墩風險。最后提出船舶操縱建議，并通過增設多功能航標，采集水文、氣象信息提供給駕駛人員，以此來保障船舶航行安全。

關鍵詞：水位變動;漂移量;船撞橋

中圖分類號：U698? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）11-0053-03

船撞橋是水上交通安全領域的研究熱點[1-2]，楊君蘭[3]提出計算不同可接受風險程度下橋梁通航凈寬尺度的計算方法。徐言民[4]通過船舶操縱模擬實驗，構建了橋梁主動防船撞預警系統。范平易[5]通過數值模擬方法分析了建橋前后橋區水流變化及其對航道通航的影響。

近年來，三峽庫區由于水位調節，部分限制性橋梁的通航風險有所增加。譬如，忠州長江大橋（長江上游航道里程約為428.8km），大橋上游有約1.6km的河段江中有塘土壩（在162m水位時淹沒），下游順直河段長約3.5km。橋區上游塘土壩的存在，高水位時期淹沒，船舶可正常航行于該區域。但是在汛期，當水位變動時，塘土壩部分露出水面，導致該河段產生了沖向右岸的斜流。

1忠州長江大橋河段流致漂移量的計算

1.1忠州長江大橋河段流致漂移模型

研究水流作用下的流致漂移量，需要建立起坐標系。設坐標的y軸平行于大橋軸線，x軸平行垂直于大橋軸線，如圖2所示。

為了進一步分析船舶在水流作用下的流致漂移量，現進行建模分析。

在船速Vs和流速Vf已知時，假定船舶至橋航程為S，則船舶在以此速度和航向通過橋梁的時間T為：

T=S/（Vscosα+Vfcosβ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

這樣船舶在y軸方向流致漂移量為：

B=Vy×T=（ Vssinα+Vfsinβ）×S/（Vscosα+Vfcosβ）? ?（2）

1.2忠州長江大橋水流特性

依據現場調研及走訪，下行過橋船舶偏航角（α）汛期在12-18°之間，非汛期在0-5°之間，見表1。

2 基于MATLAB 的船舶流致漂移量

2.1汛期不同航速和水流速度作用下的漂移量計算

現選用水流夾角（β）為25°，船舶偏航角（α）為16°，分別選取計算河長為1500m、2500m、3000m的實驗條件（假設河段為順直河段，流速不變）研究不同水流速度及船舶速度對漂移量的影響，結果如表2、表3、表4：

2.2汛期在不同船舶偏航角和水流夾角下的漂移量

現選用水流速度（Vf）為3.5m/s，船舶速度（Vs）為14km/h，計算河長為1500m的實驗條件研究不同船舶偏航角對漂移量的影響，結果如表5：

2.3計算河長與流致漂移量關系

現選用汛期條件為水流速度（Vf）為4m/s，水流夾角（β）為25°，船舶速度（Vs）為15km/h，船舶偏角（α）為16°的實驗條件研究不同計算河長對漂移量的影響，具體結果如表6：

3 影響漂移量的因素關聯度分析

為了直觀描述各個要素與船舶漂移量之間的關系，現使用MATLAB繪制圖像。

3.1不同航速和水流速度與船舶漂移量關系

當其他條件一定時，水流速度越大，流致漂移量越大;船速越大，流致漂移量越小。當計算河長為1500m時，船速不應低于12km/h，偏航角不應小于16°。當計算河長為2500m以及3000m時，船速不應低于14km/h，偏航角不應小于15°。在流速較大時應保持謹慎航行，且在適當時機提高航速，實時調整航行，以此減少漂移量。

3.2 船舶在汛期不同船舶偏航角和水流夾角下的流致漂移量

從圖7可以看出，當其他條件一定時，船舶偏角越大，流致漂移量也就會相應減少;水流夾角越大，流致漂移量也就會相應增加。

4 基于多功能航標的水流信息預警

可以在橋區水域安裝多功能航標（如圖8），通過多功能航標上的各種傳感器測得實時的水文、氣象數據，并且通過AIS設備將這些數據發送給過往船舶、航道管理部門和海事監管部門。在接收到多功能航標發送的數據后，駕駛員可以判斷航道的實時狀況，為船舶的操縱提供信息決策支持，保障船舶的安全航行。

5 總結

本研究對船舶通過橋區水域的安全條件進行了界定，并結合多功能航標將水流信息傳遞給過往船舶，后續將進一步提升橋梁水域的船舶通航服務水平。

參考文獻：

[1]莊元. 橋梁通航論證關鍵技術研究[D].武漢理工大學，2008.

[2]譚志榮.長江干線船撞橋事件機理及風險評估方法集成研究[D].武漢理工大學，2011.

[3]楊君蘭. 基于風險可接受程度的橋梁通航凈寬尺度設計[J]. 船海工程， 2012， 41（001）：129-131.

[4]徐言民. 基于操縱模擬的橋區水域船舶通航安全預控研究[D]. 上海交通大學.

[5]范平易， 鄒早建， 汪淳. 基于橋區水流數值模擬的橋墩對通航影響分析[J]. 中國航海， 2010， 33（001）：37-41.

基金項目：國家自然科學基金（項目批準號：51809207）