李永廣，艾萬政

威海長會口海灣大橋通航評價

李永廣1，艾萬政2

為防范船舶撞橋事故的發(fā)生，考慮長會口大橋的具體情況，從船舶操縱角度出發(fā)，運用理論分析的方法，從通航水深、通航凈空高度、橋孔通航寬度3個方面評價長會口大橋水域的通航環(huán)境，提出該橋水域船舶通航的風、流條件及船舶尺度條件。

水路運輸；大橋；通航；安全；評價

威海長會口海灣大橋建設地點位于山東省東部，膠州半島南部，長會口海灣內(nèi)，大橋西接文登市，東連榮成市，是威海市沿海公路的重要組成部分。橋址西端位于文登市的長會口東山，東端位于榮成市岳家村的北邊張家山。長會口海灣大橋包括主橋及引橋，全長約1 791 m。設計最高通航水位2.83 m，最低通航水位-2.25 m(1985黃海高程)。單孔雙向航道凈空高度27.5 m,通航凈空寬度190 m,單孔單向航道凈空高度30.3 m,通航凈空寬度135 m。長會口海灣大橋水域受風、流及潮汐影響較大，水文情況較為復雜。航道水域船舶航行較為頻繁，通航環(huán)境復雜。大橋的建設客觀上改變了該水域原有的通航環(huán)境和通航條件，對船舶航行安全產(chǎn)生一定的影響[1-3]。因此有必要對大橋通航環(huán)境進行評價，為安全通航提供指導。

1 橋區(qū)通航環(huán)境評價理論

對于橋區(qū)而言，水深、凈空高度、橋孔寬度是確保船舶安全通航的重要前提[4-6]。橋區(qū)的水深至少應大于船舶的最大吃水和富余水深之和，否則船舶會擱淺。橋梁的凈空高度應大于船舶水線以上最大高度，否則也無法通航。同樣，橋孔寬度也應大于船舶的通航寬度。相關研究表明，橋孔寬度與交通事故密切相關，橋孔寬度越窄，發(fā)生撞橋事故的概率越高。但是橋孔寬度也不可能無限制加寬，因為這樣會影響橋梁的設計安全。因此橋孔寬度應根據(jù)實際選擇一個合理取值。決定橋孔寬度的因素包括：船舶的航跡帶寬度、風致偏移量、流致漂移量、船間間距、船與橋墩的距離等[7-8]。

1.1 船舶航跡帶寬度

如果船舶的船長為L、寬為b，船舶航行偏離航道軸線的夾角為α，則船舶航向所占的航跡帶寬度Bts為

(1)

1.2 船間間距及船墩間距

船舶領域理論是20世紀60年代首先由日本學者藤井彌平提出的[6]，現(xiàn)普遍應用于分析船舶避碰原理及航行水域的船舶交通流量狀況。船舶領域是一船駕駛員將其他船舶和固定物體保持在外的圍繞該中心船的有效水域范圍。該領域一般可認為是一個橢圓形，領域的大小與船舶尺度、航速，以及環(huán)境狀況有關，對于橋區(qū)或限制水域，當船舶以正常速度航行時，其滿域尺寸的平均值在船艏艉線方向上一般取6倍船長，橫向上一般取1.6倍船長，為了保證船舶航行安全，領域和領域之間還應間隔一個領域，見圖2。根據(jù)船舶領域理論，船間間距或可取值為：0.8(L1+L2)-0.5(B1+B2)。L1和L2分別為上下水船舶的船長；B1和B2分別為上下水船舶的船寬。船與橋墩之間的間距可取0.8L1-0.5B1或0.8L2-0.5B2。

1.3 船舶的流致漂移量

流對船舶操縱最大影響是使得船舶產(chǎn)生漂移。設船舶航行的方向與航道軸線的夾角(偏航角)為α，船速為V，流速為Uc，流與航道軸線的夾角(流向角)為β，S為計算航段長度。如果船舶沿航道軸線方向航行的距離為S，則船舶產(chǎn)生的橫向漂移量ΔB1為

(2)

1.4 船舶的流致漂移量

船舶在航行中受風時，將向下風側產(chǎn)生漂移，若以保向為前提，船舶航跡與航向并不一致，斜航中的漂角即風壓差的大小取決于航行中的漂移速度與船舶縱向運動速度?？紤]到船舶在受橫風時，風動力作用對船舶影響最大，則航行中船舶因風致漂移速度可用下式計算[6]。

2 長會口大橋水域通航評價

2.1 通航水深和凈空高度評價

威海長會口海灣大橋設計時確定的船型標準是2 000 t級和3 000 t級船舶通過。2 000 t級和3 000 t級的代表船型數(shù)據(jù)分別見表1、表2。長會口海灣大橋在平潮時的水深均能達到6 m以上，在有潮汐存在的情況下，橋區(qū)的平均高潮潮高可達3.47 m，平均低潮潮高可達0.94 m。而橋區(qū)設計的代表船型船舶的最大吃水5.3 m(見表2)。長會口海灣大橋水域的水深均大于代表船型船舶的吃水且保留一定的富余水深。因此，從水深角度看，大橋水域的水深完全能滿足代表船型船舶的通航。長會口大橋凈空高度27.5 m，3 000 t級代表船型船舶的水面以上高度一般不會超過27.5 m，從凈空高度角度考慮，大橋凈空高度完全能滿足代表船型船舶的通航條件。

表1 2 000 t級代表船型資料

表2 3 000 t級代表船型資料

2.2 通航寬度評價

橋區(qū)的通航寬度包括船舶的航跡帶寬度、風致偏移量、流致漂移量、船間間距、船與橋墩的距離。表3、表4在疊加計算以上參變量的基礎上，得出了不同通航條件下所需要的航道寬度。表3、表4在計算風致漂移和流致漂移時均考慮了實際情況。其中偏航角按照3°取值，流向角按照5°取值，計算航段長度S按照500 m取值，船速按照3.09 m/s取值。

表3 單向通航評估結果(橋孔寬度135 m)

由于橋區(qū)的水深和凈空高度均能滿足3 000 t級船舶通航。對于通航寬度而言，通過分析表3、表4的計算結果，可以得出如下結論。

1)對于單向航行。擬建橋梁的設計通航凈寬為135 m，對于設計最大代表船型(3 000 t級雜貨船)，橋梁通航凈寬完全能滿足代表船型在6級風條件下通航安全的要求，并且橋孔還有一定的安全富裕寬度。

表4 雙向通航評估結果(橋孔寬度190 m)

2)對于雙向航行。擬建橋梁的設計通航凈寬為190 m，在3級風條件下，對于2 000 t級散貨船及3 000 t級雜貨船，橋梁通航凈寬完全能滿足代表船型對駛通航安全的要求，并且橋孔還有一定的安全富裕寬度。

3)在6級風條件下，除以下3種情況外，橋梁通航凈寬完全能滿足代表船型對駛通航安全的要求，并且橋孔還有一定的安全富裕寬度：兩艘2 000 t級散貨船空載對駛(包括漲潮和落潮時)；一艘2 000 t級船舶與一艘3 000 t級船舶空載對駛(包括漲潮時)；兩艘3 000 t級船舶對駛，兩艘船舶均空載或其中之一空載對駛(包括漲潮)。

因此，對于單向通航而言，大橋橋孔寬度完全能滿足通航要求；但如果要想讓2 000 t級～3 000 t級空載船舶在雙向通航橋孔順利過橋，最好是選擇風速小于3級的時候通過，當風速達到3級～6級之間時，雙向通航的2 000 t級～3 000 t級空載船舶應盡量處于壓載狀態(tài)。

3 結論

對于橋區(qū)船舶安全通航而言，橋區(qū)的水深不能低于船舶的吃水及富余水深之和；橋梁的凈空高度應不低于船舶水線以上的高度；確定航道寬度時應綜合考慮代表船型船舶的航跡帶寬度、風致漂移量、流致漂移量、船間間距以及船與橋墩之間的間距，通航橋孔寬度應不小于以上物理量的疊加之和。運用以上理論，對長會口大橋的通航環(huán)境進行了科學評價，評價結果認為，長會口橋梁凈空高度和橋區(qū)水深均能滿足代表船型船舶的通航要求，但當風速達到3級～6級之間時，2 000 t級～3 000 t級空載船舶在雙向通航橋孔順利過橋，應盡量處于壓載狀態(tài)。

在考慮船與橋墩之間的安全間距時，可運用船舶領域理論來取代我國相關規(guī)范的要求。因為船舶領域理論是在統(tǒng)計大量實踐數(shù)據(jù)的基礎上提出的，該理論充分考慮了船舶的操縱性，與實際更加相符。但是無論是船舶領域理論還是我國相關規(guī)范對船與橋墩之間的安全間距的規(guī)定，均沒很好考慮橋墩紊流漩渦區(qū)對船舶通航的影響，因此，如何結合橋墩紊流去探討橋區(qū)的通航寬度，也是一個值得研究的重要科學問題。

[1] 戴彤宇,聶武,劉偉力.長江干線船撞橋事故分析[J].中國航海,2002(4):44-47.

[2] 內(nèi)河通航標準：GB50139—2004[S].北京:中國計劃出版社,2004.

[3] 胡旭躍,沈小雄,程永舟,等.墩柱周圍水流表層渦漩區(qū)寬度的試驗研究[J].長沙理工大學學報,2004(1):39-42.

[4] 沈小雄，胡旭躍.航道邊線與橋墩之間安全距離的水槽試驗研究[J].水運工程,2004(11):85-87.

[5] 莊元,劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗研究[J].中國航海,2002(4):5-8.

[6] 劉明俊,艾萬政,程志友.蘇通大橋橋區(qū)水域船舶通航能力研究[J].船海工程,2006(4):80-85.

[7] OLSEN, N R B, MELAAEN, M C. Three-dimensional calculation of scour around cylinders[J]. Journal of hydraulic engineering,1993,119(9):1048-1054.

[8] RAUDKIVI A J. Functional trends of scour at bridge piers[J]. Journal of hydraulic engineering, ASCE,1986,112(1):1-12.

(1.浙江國際海運職業(yè)技術學院，浙江 舟山 316021；2.浙江海洋大學，浙江 舟山 316022)

Research on Navigation Evaluation of Changhuikou Bridge

LI Yong-guang1, AI Wan-zheng2

(1.Zhejiang International Maritime College, Zhoushan Zhejiang 316021, China;2.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

In order to prevent the ship collision accidents of the bridge, considering the specific circumstances of the Changhuikou bridge, from view of ship maneuvering, the theoretical analysis method was used to evaluate the navigable environment in waterway around the bridge from the water depth, air-draft and bridge hole breadth. The wind and current conditions in this bridge waters were researched, so as to propose the navigable conditions of ship sizes.

water transportation; bridge; navigation; safety; evaluation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.045

2016-06-14

浙江自然科學基金(Y5110084)

李永廣(1981—)，男，碩士，講師研究方向:通航安全保障及航海教育

U676.1

A

1671-7953(2017)01-0185-04

修回日期：2016-08-01