內河觀光船撞橋風險評估及應用

歐禮堅+李德玉+徐海汐

摘要：為提高內河觀光船航行安全性，降低撞橋災難性事故發生的風險水平，基于AASHTO模型進行船撞橋概率預報，分析撞擊力對船首結構安全和船舶大傾角穩性的影響，提出船撞橋風險評估方法.應用該方法對某內河觀光船撞橋風險進行評估，并討論船速和橋墩防撞裝置變形系數對船首結構安全和船舶大傾角穩性的影響.結果表明：船舶通過橋區水域時，若適當降低航速，可避免由撞橋導致的船舶傾覆事故的發生；增設彈性或柔性防撞裝置，增加防撞裝置變形系數，可減少船舶結構損壞程度，避免船舶傾覆.評估方法合理，結論可供內河觀光船安全航行參考.

關鍵詞： 船撞橋； 風險評估； 航行安全； 變形系數

中圖分類號： U698

文獻標志碼： A

Abstract： In order to improve the navigation safety of inland sightseeing ships， and reduce the risk level of catastrophic shipbridge collision accidents， the shipbridge collision probability based on AASHTO model is predicted， the impacts of collision forces on the ship bow structure safety and the ship stability with a large inclination angle are analyzed， and then the shipbridge collision risk assessment method is proposed. The method is used to evaluate the shipbridge collision risk of an inland sightseeing ship. The influences of the ship speed and the deformation coefficient of the bridge pier anticollision device on the ship bow structure safety and the ship stability with a large inclination angle are discussed. The result indicates that： if the ship speed is reduced properly when passing through the bridge water area， the ship capsizing accident caused by shipbridge collision can be avoided； adding elastic or flexible anticollision device and increasing the deformation coefficient of anticollision device， the ship structure damage degree can be reduced so as to avoid ship capsizing. The risk assessment method is rational and the conclusion can be used as reference for safe navigation of inland sightseeing ships.

Key words： shipbridge collision； risk assessment； navigation safety； deformation coefficient

0 引 言

2015年6月1日，“東方之星”號旅游觀光船在長江大馬洲水道因突發罕見的強對流天氣翻沉，造成442人死亡的特別重大災難性事件.2016年6月4日，四川廣元白龍湖景區“雙龍”號旅游觀光船因突遇強烈陣風翻沉，造成15人遇難的重大災難性事件.由以上2個事故可見，內河觀光船因乘客數量大，若翻沉將可能導致重大災難性后果.內河旅游觀光船主尺度較小、重心較高、穩性儲備少，若發生船撞橋事故則較容易翻沉，也會導致重大災難性事故發生.

伴隨著公路、鐵路和軌道交通的建設，內河航道橋梁數量越來越多，對內河觀光船的航行安全產生了較大影響.近年來乘坐旅游觀光船的乘客數量不斷增加，使得內河觀光船數量越來越多，內河觀光船撞橋事故的風險水平越來越高.根據墨菲法則：風險由系統自身復雜性、關聯性和不確定性決定；常規技術安全措施無法完全避免事故的發生.基于科學分析和評估的風險預報，可在風險與收益中取得最佳平衡.[1]因此，對內河觀光船撞橋風險進行評估，并采取措施使風險水平和等級在可接受范圍內是十分必要的.

陳國虞等[2]分析了船撞橋概率問題，說明以概率分析決定建與不建橋墩防撞裝置的不合理性，提出了橋梁應保盡保.楊祥睿[3]利用船撞橋風險貝葉斯網絡模型降低船撞橋概率水平.甘浩亮等[4]應用AASHTO模型研究了船撞橋的概率，提出了緩解措施.習倩倩[5]針對山區河道特點，修正了AASHTO船撞橋概率模型.譚志榮[6]就長江干線船撞橋事件及風險評估方法進行了研究.戴彤宇等[7]提出了高斯分布的船撞橋概率模型.唐勇等[8]對比分析了船撞橋概率模型中最具代表性的AASHTO模型、KUNZI模型和改進KUNZI模型等3種模型.龔婷[9]認為船撞橋概率模型中幾何碰撞概率的積分區間取值偏小，應考慮紊流寬度的影響.張存輝等[10]計算了船首、甲板、桅桿撞擊拱橋拱腿的撞擊力.耿波等[11]以AASHTO船撞橋概率分析思想和積分路徑分析思想為基礎，提出可考慮水位變化影響的船撞橋拱圈的概率計算方法.陳明棟等[12]提出了一個對AASHTO的偏航概率經驗公式的修正計算方法.尹紫紅等[13]運用AASHTO船撞橋概率模型對某橋梁進行營運期風險評估.林輝等[14]運用模糊數學理論對基于性能的船撞橋設計進行模糊決策.SU等[15]根據福建內河航道特點，修正了AASHTO船撞橋概率模型.IWAI等[16]研究了橋墩繞流水動力及碰撞力學問題，提出減少船撞橋對橋梁危害的措施.綜上所述，船撞橋風險評估的研究方向主要集中在橋梁是否受損、倒塌及其防撞設計等方面，而對船撞橋引起船舶結構損壞及船舶傾覆的安全風險評估的研究比較罕見.因此，本文基于AASHTO模型計算船撞橋概率，并分析撞擊力對船首結構安全和船舶大傾角穩性的影響，并用該方法評估船撞橋風險水平.

1 建立船撞橋風險評估方法

1.1 風險評價及風險決策方法[1]

事故風險是由事故發生概率和事故造成的損失確定的.內河觀光船撞橋的風險（R）是由船撞橋的概率（p）和對船舶造成的損失（c）確定的，可以表示為

內河觀光船撞橋風險評價和決策的基本流程主要包括風險定義、風險識別、風險估計、風險評價等環節.首先，根據事故后果嚴重程度將事故后果分成4類（見表1）；其次，劃分各種災害發生的概率水平（見表2）；再次，將各種災害下的事故后果和災害發生的概率水平結合起來決定風險等級（見表3）；最后，確定風險決策準則（見表4）.

1.2 船撞橋風險評價的概率預報

AASHTO船撞橋概率模型[17]適用性和可操作性較強，被廣泛應用于船撞橋概率預報.該模型假設船舶按固定航路航行，固定航路與橋墩之間保持安全距離.船舶通過橋區水域時如果因意外失去控制，則其是否與橋墩發生碰撞取決于船舶位置、船舶尺度、橋墩尺度等.船舶因意外失控，與橋墩產生碰撞的區域稱為橋船碰撞區.AASHTO模型采用正態分布模擬船舶按固定航路通過橋區水域時的通航密度，見圖1.正態分布標準差σ為船舶總長，圖1中陰影面積即為船舶碰撞橋墩的幾何概率pG.

不考慮波浪橫搖時，船舶的最小傾覆力臂為lqo.若l>lqo，則船撞橋將導致船舶發生傾覆事故.

2 船撞橋風險評估方法的應用

2.1 觀光船及橋梁主要參數

廣東省清遠市北江觀光休閑游線路為從旅游碼頭到飛來峽航線.觀光船需通過北江白廟大橋（如圖2，設2個通航孔，跨距80.0 m，橋墩寬度6.0 m，凈高8.9 m，凈寬70.3 m）.據統計，2012年北江的游客量達250萬人次，有約200艘觀光船在景區營運.根據清遠市發展規劃，預計到2020年北江游客量將達350萬人次，2030年將達650萬人次.

26 m雙層觀光船為北江觀光休閑游線路主力船型，采用單機、單槳、單舵、尾機型.船舶總長

30 m，水線長26 m，垂線間長26 m，型寬7 m，型深1.8 m，設計吃水1.1 m，排水量155 t，設計航速20 km/h，船員4人，乘客99人.艏尖艙長度為4 m；初穩心高為2.156 m，極限靜傾角為11.467°，最大復原力臂為0.568 5 m，最大復原力臂對應角為19.812°，不考慮波浪橫搖的最小傾覆力臂為0.363 m；總布置如圖3所示.

2.2 觀光船撞橋風險評估

2.2.1 船撞橋概率水平

觀光船碰撞橋墩的概率水平采用AASHTO模型計算.根據文獻[17]的統計結果，普通船舶單航次偏航概率約為0.6×10-4.根據文獻[20]的計算結果，當觀光船通過橋區水域的漂角分別為0°，1°和2°時，碰撞橋墩的概率水平分別為0.008 332，0.009 028和0.009 724.

2.2.2 船撞橋造成觀光船結構損壞風險分析

根據表5的計算結果，當船舶以設計航速20 km/h航行時，碰撞橋墩所導致的船首結構損壞長度為0.468 m，未損壞防撞艙壁，船舶可以安全航行到鄰近碼頭.

結構損壞導致的風險后果屬于較輕的.結合災害發生概率分類和風險等級分析矩陣，風險等級屬于“低風險”，風險決策準則屬于“可接受，非重點安全檢查和管理”.

2.2.3 船撞橋造成觀光船傾覆風險分析

根據表6的計算結果，當觀光船以設計航速20 km/h航行時，側向碰撞將導致船舶傾覆.觀光船在設計工況（乘客99人，船員4人）航行時，若發生與橋墩側碰情況，將導致船舶傾覆，發生特大水上交通事故.

觀光船傾覆導致的后果屬于災難性的.結合災害發生概率分類和風險等級分析矩陣，風險等級屬于“中風險”，風險決策準則屬于“可接受，重點安全檢查和管理”.

3 降低風險水平的措施

3.1 降低船舶航速

如表6所示，船舶碰撞速度越大，碰撞力和傾覆力臂越大，船舶越容易傾覆.因此，船舶通過橋區水域時，可適當降低航速，避免船撞橋傾覆事故的發生.

3.2 橋墩增設彈性防撞裝置

根據橋區水域船型特點，設計彈性或柔性防撞裝置.如表7所示，船舶航速不變，以變形系數作為變量進行分析，隨著變形系數的增加，撞擊力和傾覆力臂均減小，可避免船舶傾覆事故發生.因此，增設彈性或柔性防撞裝置，碰撞力減小，可減少船舶結構損壞，避免船舶傾覆.

4 結束語

為提高內河觀光船航行的安全性，降低船撞橋災難性事故發生的風險水平，基于AASHTO模型計算船撞橋概率水平，分析撞擊力對船首結構安全和船舶大傾角穩性的影響，提出船撞橋風險評估方法.應用該方法對某內河觀光船撞橋風險進行評估，并討論了航速和橋墩防撞裝置變形系數對觀光船結構安全和船舶大傾角穩性的影響.得出結論：船舶通過橋區水域時，若適當降低航速，可避免船撞橋所致的傾覆事故的發生；增設彈性或柔性防撞裝置，增加防撞裝置變形系數，可減少船舶結構損壞程度和避免船舶傾覆.本文提出的船撞橋風險評估方法是合理的，結論可用于指導觀光船航行.

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（編輯 賈裙平）