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桥梁通航安全影响分析探讨

2024-07-22 13 上传者：管理员

摘要：以潼南东升大桥为例进行通航安全影响分析探讨，结果表明：桥梁建设前，必须根据跨江航道等级对桥梁通航安全进行分析论证，通航安全受多因素影响，需综合考虑桥梁建设对河床冲淤、桥区航道维护、助导航设施、交通组织、通航秩序、水域船撞风险的影响。

关键词：
安全
应力混凝土连续刚构箱梁
桥梁
跨江大桥
通航
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东升大桥是重庆市潼南区城市规划的横跨涪江的重要跨江大桥，是城市“五横六纵一环”主干路网体系“六纵线”的重要节点，也是连接工业园南区与北区、渝遂高速经潼南城区与合潼安高速连接的重要通道。

其主桥采用（105+180+105) m变截面预应力混凝土连续刚构箱梁，主梁采用单箱单室结构，悬臂3.25 m，顶板厚0.3 m，底板厚度由1.1 m（局部造型加高到28.15 m）变到0.32 m，腹板厚度由1 m变到0.5 m，跨中梁高3.6 m；墩顶梁高11 m，按二次抛物线变化。引桥T梁采用预应力混凝土预制T梁，梁高为2.5 m，材料采用C50混凝土。东升大桥上跨涪江，涪江目前为V级航道，建设前必须对桥梁通航安全进行分析论证。

1、建桥对河床冲淤、助导航设施的影响分析

东升大桥采用（105+180+105) m连续刚构方案，桥梁主跨180 m，且桥轴线法向与水流流向基本一致。数模结果显示，除桥墩附近水域的主流线在建桥前后有一定的改变外，大桥建设对河道流场基本无影响[1]。桥墩附近流场使桥孔周边及下游流速略微增大，流速最大增加值为0.12 m/s，区域河床受冲刷影响较小，桥墩掩流带流速减小，主流流速分布形态基本一致，在建桥前后基本没有变化，不会引起主槽易位和摆动[3]。由此可见，建桥后的流场仅在桥墩附近较小范围有所改变，不会产生严重的泥沙淤积和冲刷，桥区河势条件不会发生明显改变[4]。大桥建成后桥区河段仍基本保持冲淤平衡状态。

桥梁建成后需对桥位附近的助导航设施进行配布，根据《中华人民共和国航道管理条例》要求，桥梁建成前需对桥孔布置及通航孔方案，进行桥区航标配布，内容包括：桥涵标（含桥柱灯）、桥区水上航标、经论证需要增设的界限标以及过河标等专用标志。

2、建桥对交通组织的影响分析

2.1建桥对船舶航路及驾驶操作的影响分析

桥位下距潼南枢纽坝址1 km，潼南枢纽船闸位于右岸侧，根据规划的过闸航行，船舶途经桥址区域时均沿河道中部偏右岸侧区域航行。桥梁180 m主跨包络了规划的航路，大桥建成后，船舶航行方式可基本保持不变，过往桥区的船舶仍可按船闸规划航线行驶。

2.2建桥对船舶交通流的影响分析

运用船舶领域理论，需对桥区船舶航路的通过能力进行分析评价。船舶领域理论是1960年由日本学者藤井弥平博士首先提出，目前普遍应用于对船舶避碰原理及通航水域的船舶交通流量状况进行分析。该理论原理为：一船驾驶员将其他船舶和固定物体保持在外的围绕该中心船的有效水域范围，该范围可认为是一个椭圆形，大小与船舶尺度、航速以及环境状况有关，当船舶以正常速度航行时，其满域尺寸的平均值在船首尾线方向上取6倍船长，如图1所示。

根据船舶领域理论，取该河段具有代表性的顶推船队进行通过能力计算，其尺度为：91 m×18.4 m×1.3 m，船舶下行平均航速按12 km/h，上水平均航速按8km/h考虑，桥区按照单孔双向通航考虑，则每天桥区可通过船舶艘数为:（12000+8000）/（6×91）×24=879艘，远大于现有船舶流量，因此该桥修建后，对该河段船舶交通流和通航能力不会产生明显影响。

图1船舶领域示意

3、建桥对通航秩序的影响分析

3.1大桥施工期影响秩序情况

(1）桥区水域施工作业占据了一定的通航水域宽度，打乱了现行分道航行秩序，需要重新对通航分道或航线和航行秩序作相应调整，同时船舶航行也需要有一个熟悉掌握过程。

(2）因施工占用部分可通航水域，给船舶航行增加困难，给航行安全带来威胁。

(3）由于施工船进入通航水域进行施工作业，穿越航道、干扰运营船舶的航行，使桥区水域船舶交会复杂化，船舶航经该水域会让的难度加大。

(4）打乱了桥区水域原有通航环境布局，对船舶作业、停泊等将有一定的影响，需作相应的调整和规范。

(5）施工期期间机械设备较多且集中，对船员操纵船舶产生心理压力，尤其是夜间作业，灯光妨碍船员的瞭望和判断。

(6）如遇洪水或其他因素影响，更会给船舶航行操纵增加难度。

3.2大桥建成后影响秩序情况

(1）桥梁主跨最低底缘标高为278.41 m，通航净高为28.36 m，说明大桥通航孔通航净高满足净高大于8 m，侧高大于5.5 m的要求，从通航净高的角度来说，拟建大桥对船舶上、下行无影响。

(2）桥梁通航孔净宽为161.72 m，大桥主跨跨越规划的过闸航航路，满足级航道单孔双向通航净宽尺度要求，对过往船舶通航影响小，大桥建成后船舶仍可按船闸规划航线行驶。

(3）为了保障大桥安全，桥位附近不允许船舶靠泊；在工程区域作业的船舶不能在桥区附近随意掉头，以避免操作失误危及安全。

4、桥区水域船撞风险评价

桥梁船舶相撞属于小概率事件，在规避风险的同时需节约投资资金，因此需计算桥梁与船舶撞击发生的频次。

根据现实情况，按照美国《公路桥梁船舶撞击设计指导规范和说明》推荐方法，着重分析拟建大桥主墩的船撞风险。单个桥墩受船舶碰撞的年频率按下式计算[2]:

式中：AF表示桥墩受船舶碰撞破坏的年频率；N表示可能撞击桥梁结构的船舶每年通过的桥梁的分类数量；PA表示船舶偏航概率；PG表示偏航船舶与桥梁构件相撞的几何概率；PC表示由于一只偏航船撞击一次桥梁倒塌概率[2]。

4.1偏航概率PA

PA表示船舶偏离正常航道撞击桥梁的船舶偏离航线概率，又可称为因果概率。船舶偏航通常是由机械故障、恶劣的环境天气、导航错误等因素造成。采用下列公式进行计算[1]:

其中：BR表示船舶偏离航线的基本发生概率。对于单船一般取BR=0.6×10-4，对于驳船队取；RB表示修正系数，与桥位所在航道的顺直程度有关；RC表示与航向平行的水流修正系数；RXC表示垂直于航向的水流修正系数；RD表示航行密度修正系数，与过桥船舶密度有关。

现分别就桥位修正系数、水流修正系数、船舶航行修正系数计算如下：

(1）桥位修正系数。工程河段为顺直河道，因此其桥位修正系数RB=1.0。

(2）水流修正系数。与水道内航线平行作用的水流修正系数RC应取为：

式中：VC表示平行于航线的水流速度分量（Km/h）。

垂直于水道航线作用的横向水流的修正系数RXC应取为：

式中：VXC表示垂直于航线的水流速度分量（Km/h）。

上、下行航线上水流与航线夹角在5°～14°之间，取14°；汛期考虑最多的可能情况，取VXC=2.71 m/s，由此计算得到汛期修正系数：RC=1.14;RXC=1.36。

(3）船只交通密度修正系数RD。该系数应根据桥梁附近的轮船和驳船的交通密度水平来选择，桥梁跨越涪江，船只交通密度为低交通密度，修正系数RD取为1.0。

综上所述，按上式计算本桥船舶偏离航线的概率（按单船考虑）PA=0.93×10-4。

4.2几何概率

偏航船舶与桥梁构件相撞的几何概率PG应根据船舶撞击桥墩的历史资料进行分析确定。船舶撞击桥墩的几何概率密度呈正态分布，因此PG为正态分布函数，其标准差为船长，航行中心线在标准分布的中心位置，其对应的船桥撞击区面积即为PG。船舶撞击的几何概率分布如图2所示，根据实测资料取上下水船舶航道中心线进行计算，得到各类船舶撞击桥梁的几何概率如表1所示[1]。

4.3碰撞概率分析

由以上计算成果，可计算单艘船对桥的碰撞概率，各类船型单船通过大桥时发生碰撞桥墩的概率见表2。

根据桥区河段船舶流量调查，汛期船舶流量见表3。

由此可以计算出船舶撞击桥梁的频次，见表4。

综上所述，桥梁建成后在汛期Ⅴ级航道代表船型下每年期可能发生船舶撞击桥梁的频次很小，顶推船队频次为0.00000518、300t货船频次为0.00000198、300t机驳船频次为0.00000167。

图2船舶碰撞桥墩的几何概率

表1船舶撞桥几何概率

表2碰撞概率

表3汛期船舶流量计算

表4船舶撞击桥梁年频次

5、结论

桥梁建设前，必须根据跨江航道等级对桥梁通航安全进行分析论证，通航安全受多因素影响，需综合考虑桥梁建设对河床冲淤、桥区航道维护、助导航设施、交通组织、通航秩序、水域船撞风险的影响。