余 葵，吳威力，劉憲慶，孟繁超 ，張 鑫，劉 濤，毛德涵

(1.重慶交通大學(xué)，國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

跨河橋梁宜布置在順直穩(wěn)定、河面寬闊的河段上[1]。然而，對(duì)于丘陵地區(qū)或山區(qū)河流，受河勢(shì)、地形等因素的制約，橋梁有時(shí)只能布置在微彎甚至彎曲河段上，如澧水石龜山大橋[2]、重慶烏江三橋[3]等。此時(shí)，由于橋墩與水流存在交角，在一定程度上擴(kuò)大了建筑物的阻水面積，增加了橋墩壅水，給航行的船舶帶來(lái)安全隱患。研究認(rèn)為橋墩涉水會(huì)改變墩周的流場(chǎng)，導(dǎo)致側(cè)面流速加快，產(chǎn)生橫流并增加紊流寬度，一些通航河段的橋梁軸線法線方向與水流方向夾角較大，產(chǎn)生的橫流影響了通航寬度[4]；同時(shí)，山區(qū)河流水流湍急，河道窄深，通航環(huán)境復(fù)雜，這些因素增加了船橋碰撞的幾率[5]。

目前，針對(duì)橋區(qū)河段船舶航行的安全問(wèn)題，常用的研究手段包括物理模型試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬2種。有限元數(shù)值模擬主要采用RANS[6]、LES[7]等方法圍繞柱體繞流問(wèn)題開(kāi)展。牛國(guó)杰等[8-10]分別對(duì)橋墩周圍流場(chǎng)影響航行船舶的受力特性展開(kāi)研究，結(jié)果表明船墩間距是影響船舶艏搖力矩變化的主要因素：船舶越靠近橋墩，艏搖力矩的變化越大。對(duì)于物理模型試驗(yàn)，何小花等[11]用Micro ADV流速儀測(cè)量墩周的三維瞬時(shí)流速，得到紊流強(qiáng)度的輻射范圍；劉曉平等[12]以船墩間距為控制條件，研究多種航線航行時(shí)船舶受到水流的影響情況，結(jié)果表明船墩間距不同，船舶受水流的影響也不同；莊元等[13]通過(guò)水槽定床及動(dòng)床試驗(yàn)對(duì)墩周流場(chǎng)的三維特點(diǎn)進(jìn)行分析，指出隨著橋墩與水流交角的增大，紊流寬度也在增大；曹民雄等[14]通過(guò)自航船模航行試驗(yàn)研究橫流對(duì)船舶航行的影響，結(jié)果表明橫流對(duì)船舶航行的影響程度主要與紊流寬度成正比；許保華[15]通過(guò)研究不同結(jié)構(gòu)形式橋墩、不同水流方向?qū)νê綏l件的影響，指出相比于銳形截面，圓形截面的繞流性能更好，其對(duì)于墩周流場(chǎng)的影響小于銳形截面。

綜上所述，目前針對(duì)橋區(qū)通航安全的問(wèn)題主要集中在墩周流場(chǎng)對(duì)通航安全的影響問(wèn)題，少有涉及橋墩布設(shè)防撞裝置后對(duì)通航安全的影響。本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法，從橋墩設(shè)防方式、橋墩與水流交角等因素出發(fā)，研究船舶航跡線的變化規(guī)律；通過(guò)分析船舶艏向角、漂角等船舶航行參數(shù)的變化，研究山區(qū)橋梁布設(shè)防撞裝置對(duì)于船舶航行的影響，成果可為山區(qū)河流橋梁通航安全的研究及防撞裝置的研發(fā)提供參考。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

船舶航行過(guò)程中，如果受到不同于航線方向的側(cè)向水流的影響，船舶則會(huì)被推離航線，影響船舶航行安全(圖1)。山區(qū)河流具有河道窄深、水流湍急、河道彎曲等典型特征，橋區(qū)水流條件更加復(fù)雜，某些橋梁的軸線與水流流向存在交角，進(jìn)一步擴(kuò)大了橫流的范圍，這些橫流時(shí)刻威脅著橋區(qū)船舶的航行安全，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致船橋碰撞事故。對(duì)橋梁設(shè)置防撞裝置可使橋墩免受撞擊，但防撞裝置的加入增加了橋墩的截面積，阻水作用進(jìn)一步增強(qiáng)，對(duì)船舶航行安全極為不利。本試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際工程，利用運(yùn)動(dòng)船舶受力偏離航線的原理，通過(guò)對(duì)船舶艏向角θ、漂角β等船舶航行參數(shù)的分析，研究橋梁與水流存在交角時(shí)布設(shè)防撞裝置對(duì)船舶航行的影響；通過(guò)設(shè)置多條航線，探究影響船舶航行的范圍。

圖1 船舶受力偏離航線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以嘉陵江某橋梁為依托，采用1:100概化模型試驗(yàn)方案研究防撞裝置形式及橋墩-水流交角這2個(gè)因素對(duì)船舶航行的影響；通過(guò)設(shè)置多條航線試驗(yàn)，分析影響船舶航行的范圍。該試驗(yàn)為順?biāo)叫性囼?yàn)且預(yù)先設(shè)定好航線，通過(guò)頂置全景攝像獲得船舶實(shí)時(shí)航跡影像，運(yùn)用背景差分法獲得船舶航行坐標(biāo)，描點(diǎn)成線。試驗(yàn)共分為裸墩、布設(shè)圓艏型防撞裝置、布設(shè)尖艏型防撞裝置3組。采取改變橋墩與水流流向角的方式，模擬山區(qū)河道水流條件，每一組角度分別取0°、10°、20°、30°，工況組合如表1所示。安裝防撞裝置后，對(duì)通航的影響實(shí)際主要是對(duì)水流的影響，紊流寬度是影響船舶航行的主要因素，故試驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)首先對(duì)紊流寬度進(jìn)行研究。通過(guò)觀測(cè)示蹤粒子分布的試驗(yàn)，對(duì)各工況下的紊流寬度進(jìn)行分析(圖2)，通過(guò)圖像識(shí)別等手段得到各工況下的紊流寬度(橋墩兩側(cè)+橋墩寬度)，見(jiàn)表2。分析數(shù)據(jù)可知，橋墩設(shè)防前后，橋墩對(duì)橋區(qū)紊流寬度變化較大。尖艏型防撞裝置對(duì)橋區(qū)水流紊流寬度的影響與圓艏型防撞裝置相當(dāng)，略小于后者。隨著斜交角的增大，紊流寬度隨之增大，其中0°～10°過(guò)程變化趨勢(shì)較為明顯。交角超過(guò)10°后，橋墩兩側(cè)的紊流情況隨之增大，增大趨勢(shì)有所減緩。

表1 不同交角下的工況組合

圖2 紊流寬度(水流自左向右)

表2 各工況下紊流寬度

本試驗(yàn)擬設(shè)置5條航線。根據(jù)紊流寬度試驗(yàn)分析，測(cè)得的紊流寬度最小值0.24 m，最大值0.72 m，為覆蓋真正影響船舶航行的區(qū)域，可取防撞裝置寬度方向的幾何尺度為單位(取0.18 m)進(jìn)行試驗(yàn)分析，用W表示。

根據(jù)對(duì)嘉陵江某大橋橋區(qū)水文條件的分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室流量及尾門條件，選取橋區(qū)常年水流條件作為試驗(yàn)參數(shù)，按照幾何比尺1:100進(jìn)行換算，試驗(yàn)條件與實(shí)際橋墩周圍情況對(duì)應(yīng)，各物理量比尺及模型水流條件見(jiàn)表3～4。

表3 各物理量比尺

表4 模型水流條件

1.3 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)近期嘉陵江航行船舶調(diào)查和有關(guān)規(guī)劃，工程河段通航船舶主要以500～3 000噸級(jí)駁船為主，以1 000噸級(jí)船舶數(shù)量最多，故選取1 000噸級(jí)駁船為研究對(duì)象，其尺寸為67.5 m×10.8 m×2.0 m(長(zhǎng)×寬×吃水)，試驗(yàn)船舶為動(dòng)船模型，動(dòng)力由電機(jī)馬達(dá)(可正反轉(zhuǎn))、滑輪等對(duì)船模航行速度、方向進(jìn)行調(diào)控。船首、船尾分別用細(xì)線連接，保證船舶始發(fā)時(shí)船舶無(wú)偏角。在試驗(yàn)區(qū)段，以橋墩位置為中心，距離上下游2.5 m處布置滑輪軌道。電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，滿足順?biāo)Ｔ囼?yàn)時(shí)船速為50 cm/s的要求。模型選用雙薄壁橋墩，兩薄壁尺寸為長(zhǎng)65.0 cm，寬14.5 cm，高3.0 cm，根據(jù)原工程布置形式，橋墩布置于試驗(yàn)段前200 cm、后300 cm處。防撞裝置選用內(nèi)河通航橋梁防護(hù)中最常見(jiàn)的圓艏與尖艏2種形式。為比較2種防撞裝置的水力特性以及對(duì)船舶航行的影響，模型選擇尺寸接近的2種形式(圖3)。試驗(yàn)水槽為矩形恒定流水槽，長(zhǎng)31.0 m、寬2.0 m、高0.9 m，水槽底部為緩坡，比降為1%，試驗(yàn)水槽及試驗(yàn)段布置見(jiàn)圖4。本試驗(yàn)采用HD-4B型非恒定流旋槳流速儀測(cè)量流速。流速儀布置在試驗(yàn)段上游，每間隔30 cm布置1臺(tái)，對(duì)各區(qū)域初始水流進(jìn)行測(cè)定。

圖3 防撞裝置模型及尺寸(單位：mm)

圖4 試驗(yàn)水槽及試驗(yàn)段布置(單位：m)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)模型船舶首尾作反光片示蹤處理，實(shí)物見(jiàn)圖5。試驗(yàn)中，通過(guò)頂置高清攝像機(jī)對(duì)全試驗(yàn)段船舶航行狀態(tài)進(jìn)行攝錄，運(yùn)用背景差分法讀取攝錄的視頻像素點(diǎn)，從而得到各時(shí)段船舶航行的軌跡坐標(biāo)，最后連點(diǎn)成線形成各工況下的船舶航跡線，試驗(yàn)結(jié)果采用10組數(shù)據(jù)的均值。坐標(biāo)系以圖片左上角為原點(diǎn)，水平向右為x軸正方向，豎直向下為y軸正方向，以照片像素點(diǎn)為刻度單元，背景差分法讀取船舶坐標(biāo)點(diǎn)的原理如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)船舶模型

圖6 背景差分法

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。其中，坐標(biāo)原點(diǎn)O為試驗(yàn)段起始位置，橫坐標(biāo)x表示試驗(yàn)段0～500 cm距離，上游200 cm處放置橋墩，縱坐標(biāo)表示各條航線。

圖7 裸墩、圓艏、尖艏船舶航跡線

2.1 橋墩設(shè)防方式對(duì)船舶航行的影響

圖8是橋墩交角為0°、船墩間距1W時(shí)3種防撞裝置的艏向角變化歷程。從圖8可以看出，橋墩布設(shè)防撞裝置對(duì)船舶航行軌跡的影響與未布設(shè)防撞裝置裸墩時(shí)(簡(jiǎn)稱裸墩)有顯著的差異。在裸墩時(shí)，船舶艏向角變化最大不超過(guò)1°；布設(shè)防撞裝置后，艏向角最大值超過(guò)3°，接近橋墩設(shè)防前的3倍。

圖8 設(shè)防前后船舶艏向角變化歷程

對(duì)比分析2種布設(shè)防撞裝置時(shí)的船舶艏向角，發(fā)現(xiàn)2種防撞裝置對(duì)于船舶艏向角的影響相差不大，最大值在2.8°～3.0°之間，航行過(guò)程中船舶航跡線及艏向角的變化規(guī)律始終保持一致，無(wú)法準(zhǔn)確地比較出哪一種形式的防撞裝置對(duì)于航行船舶的影響最大。

為進(jìn)一步探究何種形式的防撞裝置對(duì)于船舶航行的影響最大，對(duì)設(shè)防前后的船舶漂角進(jìn)行分析，如圖9所示。由圖9可以看出，3種情況下的漂角變化規(guī)律基本保持一致，船舶在接近橋墩時(shí)(橋墩位于試驗(yàn)段前200 cm處)，漂角開(kāi)始向負(fù)值變化，最終在橋墩附近達(dá)到最大值，設(shè)防與未設(shè)防的最大值分別為-1.5°和-3.0°，兩者基本呈2倍關(guān)系。隨后船舶漂角開(kāi)始向正值變化，最終在400 cm處恢復(fù)平衡，這是因?yàn)榇笆怯神R達(dá)牽引的。尖艏型防撞裝置在500 cm處才恢復(fù)到0°附近，可以認(rèn)為尖艏型防撞裝置對(duì)于船舶通航的影響比圓艏型防撞裝置大。

圖9 設(shè)防前后船舶漂角變化

結(jié)合以上分析及數(shù)值模擬可知，橋墩布設(shè)防撞裝置后墩周的流場(chǎng)形態(tài)會(huì)產(chǎn)生變化。圖10為橋墩設(shè)防與裸墩時(shí)墩周流場(chǎng)的數(shù)值模擬(橫向流速)。裸墩時(shí)產(chǎn)生的橫向流速最大為0.70 m/s，而布設(shè)2種防撞裝置時(shí)產(chǎn)生的橫向流速最大處分別可達(dá)1.86 m/s及1.75 m/s，這些橫流推動(dòng)駛過(guò)橋墩的船舶發(fā)生偏轉(zhuǎn)。經(jīng)研究，當(dāng)船舶駛過(guò)橋墩時(shí)船首會(huì)受到遠(yuǎn)離橋墩的力的作用而被推離橋墩，而防撞裝置的加入增大了這一作用。由圖10可知，以3W處為界限，裸墩時(shí)3W處橫流速度僅為0.17 m/s，而布設(shè)圓艏型及尖艏型防撞裝置時(shí)分別為0.47 m/s和0.43 m/s，前后兩者呈2.5倍關(guān)系。產(chǎn)生差異的原因在于防撞裝置擴(kuò)大了橋墩的幾何尺度，使得迎水面壅水效應(yīng)更加顯著。同時(shí)，側(cè)向及下游水位降低，出現(xiàn)明顯的水位落差，改變了橋墩附近的水流流動(dòng)模式；橋墩中部位置的流速加快，呈現(xiàn)更大范圍的紊流，導(dǎo)致船舶橫漂，船舶的艏向角及漂角增大；橋墩后部的水流相較于布設(shè)防撞裝置前水流結(jié)構(gòu)的變化更加劇烈，渦流形態(tài)更加復(fù)雜。所以，布設(shè)防撞裝置會(huì)擴(kuò)大橋墩周圍的橫流區(qū)，增加影響船舶航行安全的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)比流速等值線圖區(qū)域面積可發(fā)現(xiàn)尖艏型裝置產(chǎn)生的紊流區(qū)大于圓艏型防撞裝置，綜合物理模型試驗(yàn)的結(jié)果可以理解為尖艏型裝置對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)形態(tài)的影響大于圓艏型裝置。

圖10 不同防撞裝置下流速等值線

2.2 橋墩與水流交角對(duì)船舶航行的影響

分析橋墩與水流交角對(duì)船舶航行的影響，前文已得出布設(shè)尖艏型防撞裝置對(duì)船舶航行的影響最大，故以橋墩設(shè)防尖艏型防撞裝置為例進(jìn)行墩-水交角不同時(shí)船舶漂角、艏向角的分析。圖11為橋墩不同斜交角對(duì)船舶艏向角的影響歷程，圖12為漂角影響歷程圖?？梢钥闯?，斜交角越大，船舶的艏向角越大，其中斜交角在0°～10°變化時(shí)，船舶艏向角變化較為顯著。當(dāng)斜交角從10°向30°變化時(shí)，變化相對(duì)較小。不同斜交角下，各工況的圖像走勢(shì)相同，變化規(guī)律一致，漂角隨斜交角的增大略有變化。將表2中的紊流寬度數(shù)據(jù)制成圖13，根據(jù)圖像的斜率可以分析出墩-水交角在0°～10°之間時(shí)紊流寬度變化較為激烈，這是由于交角的變化擴(kuò)大了阻水面積，導(dǎo)致紊流寬度激增，與艏向角變化保持一致；當(dāng)交角大于10°時(shí)，紊流寬度的變化率下降。綜合艏向角規(guī)律分析可知，在交角為10°以內(nèi)時(shí)對(duì)于船舶航行的影響較大，交角大于10°時(shí)對(duì)于航行的影響不大。

圖11 斜交角對(duì)船舶艏向角

圖12 斜交角對(duì)船舶漂角的影響

圖13 斜交角-紊流寬度變化關(guān)系

2.3 船墩間距對(duì)于船舶航行的影響

研究每一個(gè)工況下的5條航跡線，發(fā)現(xiàn)船墩間距由1W向5W變化時(shí)，航跡線變化幅度逐漸減小，這一規(guī)律可解讀為船舶航線越靠近橋墩，航跡線變化幅度越大；反之，航線離橋墩越遠(yuǎn)，航行船舶受到的影響越小，航跡線越平穩(wěn)。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)船墩間距超過(guò)3W時(shí)，航跡線趨于水平，船墩間距為4W及5W時(shí)船舶偏轉(zhuǎn)角度趨于0°，航跡線呈水平線形變化。以橋墩與水流夾角為30°(最不利工況)時(shí)為例，分別對(duì)設(shè)防前后的船舶航跡線變化較明顯的1W～3W的船舶艏向角歷程變化進(jìn)行分析比較，如圖14所示。

圖14 橋墩設(shè)防前后船舶艏向角變化歷程

由圖14可以看出，船模出發(fā)時(shí)未出現(xiàn)艏向角，當(dāng)航行到橋墩附近時(shí)開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，隨后由于馬達(dá)的牽引，船舶慢慢回正，在船舶駛過(guò)橋墩的過(guò)程中共經(jīng)歷3個(gè)階段，分別為靠近橋墩、經(jīng)過(guò)橋墩及駛離橋墩，設(shè)防與不設(shè)防時(shí)船舶艏向角的變化分別出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的階段，變化規(guī)律基本相同。比較艏向角的大小可知，橋墩設(shè)防后艏向角峰值增大3倍，設(shè)防后對(duì)通航的影響較大。第一階段為船舶向橋墩靠近(坐標(biāo)軸100～180 cm處)，過(guò)程中由于船速大于水流速度而不斷地?cái)D壓水流，將水流推向墩周的同時(shí)，反作用力將船舶向外推，這時(shí)出現(xiàn)了第1次較為明顯的偏轉(zhuǎn)。從圖14可知，無(wú)論是否布設(shè)防撞裝置，船舶的偏轉(zhuǎn)角都在0.8°附近，進(jìn)一步說(shuō)明防撞裝置的加入并沒(méi)有增加橋墩前部的紊流寬度；第2階段為船舶經(jīng)過(guò)橋墩，此時(shí)船舶位于紊流區(qū)(180～220 cm處)，船舶受到橫流的影響再度被推向遠(yuǎn)墩側(cè)，受馬達(dá)牽引船舶回正；第3階段為駛離橋墩(220～300 cm處)，在經(jīng)歷上一階段船舶回正的同時(shí)，船首到達(dá)墩尾，根據(jù)數(shù)值模擬及耿艷芬的研究，墩后存在負(fù)壓渦流區(qū)域，這將導(dǎo)致船舶出現(xiàn)掃尾的現(xiàn)象。當(dāng)船墩間距增大時(shí)，布設(shè)防撞裝置前后的偏轉(zhuǎn)規(guī)律不變，且偏轉(zhuǎn)角度在船墩間距為3W時(shí)基本保持一致，說(shuō)明無(wú)論是否設(shè)置這2種防撞裝置，船舶在經(jīng)過(guò)橋墩時(shí)間距保持在3W以上時(shí)受到橫流的影響均較小。

3 結(jié)論

1)橋墩設(shè)防前后，船舶的航行軌跡線在船墩間距1W～3W之間所受影響較為顯著，對(duì)船墩間距4W～5W的航行軌跡影響不明顯，可將其規(guī)律概括為船舶離橋墩越遠(yuǎn)，船舶航行軌跡變化幅度越小，航行越平穩(wěn)；船舶越靠近橋墩，船舶的航行軌跡線變化幅度越大，航行受到的影響也越大。

2)橋墩設(shè)防后與設(shè)防前相比較，布設(shè)防撞裝置對(duì)船舶航行軌跡線的影響較大。對(duì)比尖艏型與圓艏型防撞裝置對(duì)船舶航行軌跡線的影響，發(fā)現(xiàn)兩者對(duì)航行軌跡線的影響相差不大；對(duì)比艏向角漂角及軌跡線切線角度，發(fā)現(xiàn)尖艏型防撞裝置相對(duì)于圓艏型對(duì)船舶航行軌跡線的影響更大。

3)橋墩設(shè)防前后，當(dāng)船墩間距一定時(shí)，船舶航行受斜交角的影響：斜交角越大，對(duì)船舶航行的影響越大，其中0°～10°變化較為明顯。