群橋水域特征分析及建模研究*

徐言民 楊 柯 關宏旭 劉 強

(武漢理工大學航運學院 武漢 430063)

群橋水域特征分析及建模研究*

徐言民 楊 柯 關宏旭 劉 強

(武漢理工大學航運學院 武漢 430063)

針對群橋水域航路規劃問題，統計分析了長江武漢段橋梁間距、橋梁通航孔、橋梁軸線和交通流因素，得出了群橋水域具有橋梁間距小、通航孔交錯、軸線走向不同和交通流復雜的結論.基于橋墩紊流區邊界及安全富余量分析，采用量綱一的量化技術建立了長江武漢段群橋水域航路規劃模型，針對模型存在著數據數量級差別大、橋梁數量過多等缺陷，縮小橋梁間距，對橋墩半徑、橋墩間距、紊流區邊界和安全富余量適當擴大，得到了適用性較強的能夠反映群橋水域通航環境特征的模型.

特征分析；群橋水域建模；紊流區；安全富余量

0 引 言

隨著“中部崛起”、“中國經濟新支撐帶”戰略的興起，長江沿線省市迎來了經濟發展高潮，大量跨江橋梁呈集群化建設，以近距離多橋梁為特征的群橋河段已在多處水域形成.橋梁在拉動區域經濟增長、促進區域經濟發展的同時，也面臨著嚴重的船舶撞擊風險.目前對橋梁船撞問題的研究主要集中在單橋的被動防撞[1]和主動防撞[2-3]方面，群橋水域船舶通航安全問題相關研究相對較少，且主要集中在長江重慶段[4-5].目前橋梁船撞事故時有發生，單一層面的橋梁船撞研究對于解決群橋水域橋梁船撞問題仍顯力不從心，開展群橋水域通航安全研究意義重大.本文根據武漢段橋梁情況分析群橋水域特征，并建立群橋水域航路規劃模型.

1 群橋水域特征分析

到2020年，武漢水域60 km的江面上將擁有11座跨江大橋，本文選擇武漢段橋梁分析群橋水域特征.

1.1 橋梁間距

長江武漢段橋梁眾多，橋梁間距較小，橋梁間距見表1.

表1 長江武漢段橋梁間距統計表

由表1可見，橋梁間距小是群橋河段的突出特征.白沙洲到天興洲不足25 km的武漢江面上就擁有橋梁7座，平均橋梁間隔不足4 km.洪水期武漢段營運船舶下行航速約為20 km/h，2座橋之間的平均通行時間僅為12 min，船舶在橋區行駛時，需要避讓其他障礙物，可供船舶調整航向的時間較短，操縱時機較難把握，對船舶安全影響較大.

1.2 橋梁通航孔

群橋水域由于橋梁建造年份不同、設計理念不同，其通航孔跨度不盡相同，這就不可避免的造成通航孔交錯現象的發生.長江武漢段橋梁通航孔設置情況見表2.

表2 長江武漢段橋梁通航孔設置統計表

一跨過江橋梁幾乎不會對主航道中航行的船舶產生影響，除去一跨過江的楊泗港大橋和陽邏大橋，長江武漢段其他橋梁通航孔主跨寬度均不相同，這將導致在航道軸向方向上橋墩交替分布，通航孔交錯，在多座橋梁中航行時需及時調整航向.例如，武漢長江大橋建造年份較早，橋身為三聯連續橋梁，每聯3孔，共8墩9孔，每孔跨度為128 m；船舶從上游鸚鵡洲大橋通過長江大橋或者從下游二橋通過一橋時可能會需要調整航向以保證安全通過.

1.3 橋梁軸線

橋梁的中心線稱為橋軸線.由于航道走向變化、深泓變化、兩岸地理條件和交通規劃等原因，橋梁軸線一般不會在同一方向.橋梁軸線不平行造成的橋墩在橋梁軸線方向上交錯現象也是群橋水域的重要特征.白沙洲長江大橋橋軸線與正北的夾角約為52°；鸚鵡洲長江大橋橋梁軸線與正北夾角約為57°；二七長江大橋橋軸線與正北夾角約為44°，以上3座橋軸線方向的不同，直接將導致橋墩在橋梁軸線方向上不平行，使得局部通航環境更加復雜.

1.4 交通流

群橋水域一般出現在水路運輸和經濟比較發達的城市，比如，武漢、重慶、南京等城市.在這些發達城市，船舶交通流較大，并且由于過江輪渡的存在，使得局部交通環境更加復雜，船舶需避讓航道內其他船舶，加大了航行及操縱難度.交通流條件較為復雜也是群橋水域的一個特征.

2 群橋水域航路規劃建模

2.1 代表船型選擇

交通部《關于對武漢軍山長江公路大橋通航凈空尺度和技術要求的批復》指出“武漢至城陵磯河段屬通航3 000 t級海船、5 000 t級駁船組成的大型頂推船隊的航道”.根據交通部《全國水運主通道總體布局規劃方案》，隨著三峽工程的實施，3 000 t級海船將通至城陵磯，由1 000～3 000噸駁船組成的總載重量達萬t的船隊通至重慶.因此在進行群橋水域船舶航路規劃建模，特別是以長江武漢段為研究對象時，可以選取3 000 t級船舶為代表船型，根據《內河通航標準》，3 000 t級貨船主要數據見表3.

表3 代表船型數據

2.2 橋墩建模

為了突出群橋水域特點，只考慮從白沙洲到天興洲之間的間距較小的7座橋梁，由于楊泗港大橋數據暫時難以獲取，暫不考慮楊泗港大橋.以白沙洲上游550 m處水域邊線為坐標系原點，以長江右岸直線為橫軸，其垂直方向為縱軸建立坐標系.

1) 單橋墩建模 由于武漢段橋梁的橋墩數據難以獲取，從安全角度出發，本文將所有橋墩都建模為圓形障礙物，直徑取橋面寬度.以橋墩的直徑除以船長實現量綱一的量化，具體橋墩模型直徑見表4.

表4 橋墩直徑統計表

2) 單橋橋墩建模 除去一跨過江的楊泗港大橋，白沙洲到天興洲的其他6座橋梁均由一定數量的橋墩組成，將單座橋橋墩建模為縱向上一系列障礙物，障礙物之間的距離為橋墩的距離.同時，為了計算方便，假設每座橋梁第一個橋墩均在岸邊，即每座橋梁的第一個橋墩中心處于橫坐標軸上.同樣對橋墩間距進行量綱一的量化處理，其結果見表5.

表5 橋梁跨度統計表

3) 群橋橋墩建模 不同橋梁的橋軸線不盡相同，因此其橋墩在橋軸線方向上成一定的角度分布.為了建立的模型更加符合群橋水域特征，將上小節建立的單橋橋墩模型按照橋梁軸線方向進行組合，形成一系列不平行的障礙物群，障礙物橫向距離按照橋梁間距設置.橋梁間距見表6.

表6 白沙洲～天興洲橋梁間距統計表

2.3 橋墩紊流區建模

由于橋墩的挑流作用，在橋墩附近會產生紊流區，在橋區航路規劃時，應該設立一定的安全范圍，以避開橋墩紊流區.關于橋墩附近的紊流范圍，胡旭躍等[6-7]認為，橋墩的紊流范圍與橋墩體型，以及水流的弗勞德數Fr密切相關．當Fr從0.14變化到0.4時，順直航道圓形橋墩的紊流范圍從0.4D變化到2.6D(D為圓形橋墩的直徑)．如果橋墩建設在彎曲航道，當Fr從0.10變化到0.18時，圓形橋墩紊流范圍從0.5D變化到2.6D．莊元等[8]給出了方形橋墩的紊流區寬度計算公式為

式中：Ks為系數，取0.8；θ為橋梁軸線與水流夾角；v為水流流速;h為橋墩附近水深.

長江武漢段橋梁橋墩類型不同，由于具體資料，可以將長江武漢段橋墩全部考慮為圓形橋墩，橋墩直徑可以按照橋梁寬度進行估算.由于不同河段的水流流速不同，但從安全角度著想，考慮將紊流區安全范圍為2.6D.橋墩紊流區數據見表7.

2.4 安全富裕量

在實際情況下，由于風、流等因素，船舶在航行時可能會產生漂移，因此，在建立安全范圍時，還應該留有一定的富余量，防止船舶應漂移進入紊流區發生危險.借鑒《海港總體設計規范》中航道寬度計算模型，選擇6級風以上，安全富余量可取船寬，經量綱一的量化為0.15，也就是說在橋墩紊流區外面還需留有寬度為0.15的安全富余量.

表7 橋墩紊流區范圍建模

2.5 模型建立

為了方便后期研究，基于MATLAB軟件對群橋水域進行建模研究，由于不同橋梁之間間距與橋墩距離等參數數量級差別較大，紊流區及安全富余量在圖中無法表示出來，只能大概繪制出橋墩所在位置，見圖1.

圖1 長江武漢段群橋水域橋墩位置示意圖

3 模型優化

按照武漢橋梁實際情況建立的群橋水域模型雖然能比較真實的反應武漢橋區情況，但模型在通用性等方面還存在著一定的問題.

3.1 局限性分析

在建模型中，不同橋梁間距與橋墩直徑、安全區域范圍值不在同一數量級.橋梁直徑數值一般在0.5L以下，通航孔寬度在7L以下，橋梁間距從(29～62)L不等，紊流區寬度在0.63L以下，富裕寬度為0.3L，數據數量級差距較大，無法在同一圖中表示，會對航路規劃模型計算精度產生一定的影響.

模型中部分橋梁通航孔寬度較小，比如武白沙洲大橋和天興洲大橋的2個靠近岸邊的通航孔，不能保證3 000 t級船舶的安全通過，沒有實際意義.

模型中選擇橋梁數目較多，造成坐標系中障礙物過多，增加了航路規劃時的計算復雜度.

3.2 模型改進

1) 橋梁數量選擇 群橋水域的具有橋梁間距小、通航孔交錯、橋梁軸線不平行、交通流復雜等特點，選擇滿足上述特征的3～4座橋梁進行建模即可，其他群橋區域可以分解為局部的3～4座橋梁分析.

2) 橋梁間距 按照目前武漢橋梁建設規模，橋梁間距一般都在20L以上，這樣的距離與橋墩半徑、安全距離范圍相差較大，為了能夠使模型具有描述近距離復雜環境障礙的能力，可以適當縮小將橋梁間距，增加模型的選擇距離為(15～20)L.

3) 橋墩間距、紊流區及安全富余量 所建立的模型中橋墩間距、紊流區及安全富余量數值較小，與橋梁間距不成比例，為了方便后期計算，將橋墩半徑、間距、紊流區及安全富余量擴大10倍.

4) 優化模型

按照以上優化方案，本文建立的群橋水域模型見圖2.

圖2 群橋水域建模示意圖

4 結束語

本文以長江武漢段群橋水域為例，系統統計分析了武漢段群橋水域的突出特征，對橋墩、橋墩

紊流區、安全富余量分別進行了建模，在此基礎上建立了群橋水域模型.由于模型直接來源于長江武漢段橋梁，模型中橋梁間距與通航孔寬度、橋墩半徑、安全區域范圍數值存在著數量級差異問題，為了增加模型實用性和適用性，對橋梁數量、橋梁間距和橋墩間距、安全富余量進行了優化，得到具有較強適用性的群橋水域模型，為后期開展群橋水域相關研究奠定了基礎.

[1]VROUWENVELDER A C W M.Design for ship impact according to euro code 1 ship collision analysis[S].1998.

[2]AASHTO.LRFD bridge design specification and commentary. american association of state highway and transportation officials [M].Washington D.C:1994.[3]季本山，谷 溪，方泉根.蘇通大橋主動防撞系統研究[J].中國航海，2010(4)：34-38.

[4]趙志舟，陳明棟，林 巧，等.長江菜園壩橋群河段通航條件試驗[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2012(6)：1240-1243.

[5]林 巧.重慶菜園壩橋群河段橋梁間距與通航條件研究[D].重慶：重慶交通大學，2010.

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

[7]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.

[8]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．

Study on Multi-bridges Water Area Characters Analysis and Modeling

XU Yanmin YANG Ke GUAN Hongxu LIU Qiang

(SchoolofNavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

To solve the problem of ship route planning in multi-bridges water area, the bridge navigation holes, bridge axis and the traffic flow of the multi-bridges in Wuhan are analyzed, it turns out that the multi-bridges water area is characterized by small bridge interval, staggered bridge navigation hole, different bridge axial and complex traffic flow. Based on bridge turbulent region and security surplus amount analysis, the multi-bridge model in Wuhan is established by dimensionless data. However, the model performance is suffered with data magnitude difference and bridges number, the new model, which has strong adaptability, is obtained after narrowing the data magnitude difference.

character analysis；multi-bridges water area modeling；bridge turbulent region；security surplus amount

2015-01-12

*國家自然科學基金資助項目(批準號：51109173)、中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(批準號：2013-II-019)資助

U612.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.005

徐言民(1976- )：男，博士，教授，碩士生導師，主要研究領域為通航安全保障、船橋防撞、自動控制研究