內(nèi)河觀光船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估及應(yīng)用

歐禮堅(jiān)+李德玉+徐海汐

摘要：為提高內(nèi)河觀光船航行安全性，降低撞橋?yàn)?zāi)難性事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)水平，基于AASHTO模型進(jìn)行船撞橋概率預(yù)報(bào)，分析撞擊力對船首結(jié)構(gòu)安全和船舶大傾角穩(wěn)性的影響，提出船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估方法.應(yīng)用該方法對某內(nèi)河觀光船撞橋風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并討論船速和橋墩防撞裝置變形系數(shù)對船首結(jié)構(gòu)安全和船舶大傾角穩(wěn)性的影響.結(jié)果表明：船舶通過橋區(qū)水域時(shí)，若適當(dāng)降低航速，可避免由撞橋?qū)е碌拇皟A覆事故的發(fā)生；增設(shè)彈性或柔性防撞裝置，增加防撞裝置變形系數(shù)，可減少船舶結(jié)構(gòu)損壞程度，避免船舶傾覆.評估方法合理，結(jié)論可供內(nèi)河觀光船安全航行參考.

關(guān)鍵詞： 船撞橋； 風(fēng)險(xiǎn)評估； 航行安全； 變形系數(shù)

中圖分類號： U698

文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)罕見的強(qiáng)對流天氣翻沉，造成442人死亡的特別重大災(zāi)難性事件.2016年6月4日，四川廣元白龍湖景區(qū)“雙龍”號旅游觀光船因突遇強(qiáng)烈陣風(fēng)翻沉，造成15人遇難的重大災(zāi)難性事件.由以上2個(gè)事故可見，內(nèi)河觀光船因乘客數(shù)量大，若翻沉將可能導(dǎo)致重大災(zāi)難性后果.內(nèi)河旅游觀光船主尺度較小、重心較高、穩(wěn)性儲備少，若發(fā)生船撞橋事故則較容易翻沉，也會導(dǎo)致重大災(zāi)難性事故發(fā)生.

伴隨著公路、鐵路和軌道交通的建設(shè)，內(nèi)河航道橋梁數(shù)量越來越多，對內(nèi)河觀光船的航行安全產(chǎn)生了較大影響.近年來乘坐旅游觀光船的乘客數(shù)量不斷增加，使得內(nèi)河觀光船數(shù)量越來越多，內(nèi)河觀光船撞橋事故的風(fēng)險(xiǎn)水平越來越高.根據(jù)墨菲法則：風(fēng)險(xiǎn)由系統(tǒng)自身復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性和不確定性決定；常規(guī)技術(shù)安全措施無法完全避免事故的發(fā)生.基于科學(xué)分析和評估的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)，可在風(fēng)險(xiǎn)與收益中取得最佳平衡.[1]因此，對內(nèi)河觀光船撞橋風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并采取措施使風(fēng)險(xiǎn)水平和等級在可接受范圍內(nèi)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(yīng)保盡保.楊祥睿[3]利用船撞橋風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型降低船撞橋概率水平.甘浩亮等[4]應(yīng)用AASHTO模型研究了船撞橋的概率，提出了緩解措施.習(xí)倩倩[5]針對山區(qū)河道特點(diǎn)，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(fēng)險(xiǎn)評估方法進(jìn)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(jìn)KUNZI模型等3種模型.龔婷[9]認(rèn)為船撞橋概率模型中幾何碰撞概率的積分區(qū)間取值偏小，應(yīng)考慮紊流寬度的影響.張存輝等[10]計(jì)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(chǔ)，提出可考慮水位變化影響的船撞橋拱圈的概率計(jì)算方法.陳明棟等[12]提出了一個(gè)對AASHTO的偏航概率經(jīng)驗(yàn)公式的修正計(jì)算方法.尹紫紅等[13]運(yùn)用AASHTO船撞橋概率模型對某橋梁進(jìn)行營運(yùn)期風(fēng)險(xiǎn)評估.林輝等[14]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對基于性能的船撞橋設(shè)計(jì)進(jìn)行模糊決策.SU等[15]根據(jù)福建內(nèi)河航道特點(diǎn)，修正了AASHTO船撞橋概率模型.IWAI等[16]研究了橋墩繞流水動(dòng)力及碰撞力學(xué)問題，提出減少船撞橋?qū)蛄何：Φ拇胧?綜上所述，船撞橋風(fēng)險(xiǎn)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(shè)計(jì)等方面，而對船撞橋引起船舶結(jié)構(gòu)損壞及船舶傾覆的安全風(fēng)險(xiǎn)評估的研究比較罕見.因此，本文基于AASHTO模型計(jì)算船撞橋概率，并分析撞擊力對船首結(jié)構(gòu)安全和船舶大傾角穩(wěn)性的影響，并用該方法評估船撞橋風(fēng)險(xiǎn)水平.

1 建立船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估方法

1.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)決策方法[1]

事故風(fēng)險(xiǎn)是由事故發(fā)生概率和事故造成的損失確定的.內(nèi)河觀光船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)（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(nèi)河觀光船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和決策的基本流程主要包括風(fēng)險(xiǎn)定義、風(fēng)險(xiǎn)識別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等環(huán)節(jié).首先，根據(jù)事故后果嚴(yán)重程度將事故后果分成4類（見表1）；其次，劃分各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平（見表2）；再次，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來決定風(fēng)險(xiǎn)等級（見表3）；最后，確定風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則（見表4）.

1.2 船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的概率預(yù)報(bào)

AASHTO船撞橋概率模型[17]適用性和可操作性較強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于船撞橋概率預(yù)報(bào).該模型假設(shè)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(qū)水域時(shí)如果因意外失去控制，則其是否與橋墩發(fā)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(chǎn)生碰撞的區(qū)域稱為橋船碰撞區(qū).AASHTO模型采用正態(tài)分布模擬船舶按固定航路通過橋區(qū)水域時(shí)的通航密度，見圖1.正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，船舶的最小傾覆力臂為lqo.若l>lqo，則船撞橋?qū)?dǎo)致船舶發(fā)生傾覆事故.

2 船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估方法的應(yīng)用

2.1 觀光船及橋梁主要參數(shù)

廣東省清遠(yuǎn)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(shè)2個(gè)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(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年北江的游客量達(dá)250萬人次，有約200艘觀光船在景區(qū)營運(yùn).根據(jù)清遠(yuǎn)市發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2020年北江游客量將達(dá)350萬人次，2030年將達(dá)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(jī)、單槳、單舵、尾機(jī)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(shè)計(jì)吃水1.1 m，排水量155 t，設(shè)計(jì)航速20 km/h，船員4人，乘客99人.艏尖艙長度為4 m；初穩(wěn)心高為2.156 m，極限靜傾角為11.467°，最大復(fù)原力臂為0.568 5 m，最大復(fù)原力臂對應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)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(jì)算.根據(jù)文獻(xiàn)[17]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，普通船舶單航次偏航概率約為0.6×10-4.根據(jù)文獻(xiàn)[20]的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)觀光船通過橋區(qū)水域的漂角分別為0°，1°和2°時(shí)，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(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)船舶以設(shè)計(jì)航速20 km/h航行時(shí)，碰撞橋墩所導(dǎo)致的船首結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)后果屬于較輕的.結(jié)合災(zāi)害發(fā)生概率分類和風(fēng)險(xiǎn)等級分析矩陣，風(fēng)險(xiǎn)等級屬于“低風(fēng)險(xiǎn)”，風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則屬于“可接受，非重點(diǎn)安全檢查和管理”.

2.2.3 船撞橋造成觀光船傾覆風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)表6的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)觀光船以設(shè)計(jì)航速20 km/h航行時(shí)，側(cè)向碰撞將導(dǎo)致船舶傾覆.觀光船在設(shè)計(jì)工況（乘客99人，船員4人）航行時(shí)，若發(fā)生與橋墩側(cè)碰情況，將導(dǎo)致船舶傾覆，發(fā)生特大水上交通事故.

觀光船傾覆導(dǎo)致的后果屬于災(zāi)難性的.結(jié)合災(zāi)害發(fā)生概率分類和風(fēng)險(xiǎn)等級分析矩陣，風(fēng)險(xiǎn)等級屬于“中風(fēng)險(xiǎn)”，風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則屬于“可接受，重點(diǎn)安全檢查和管理”.

3 降低風(fēng)險(xiǎn)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(qū)水域時(shí)，可適當(dāng)降低航速，避免船撞橋傾覆事故的發(fā)生.

3.2 橋墩增設(shè)彈性防撞裝置

根據(jù)橋區(qū)水域船型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(shù)作為變量進(jìn)行分析，隨著變形系數(shù)的增加，撞擊力和傾覆力臂均減小，可避免船舶傾覆事故發(fā)生.因此，增設(shè)彈性或柔性防撞裝置，碰撞力減小，可減少船舶結(jié)構(gòu)損壞，避免船舶傾覆.

4 結(jié)束語

為提高內(nèi)河觀光船航行的安全性，降低船撞橋?yàn)?zāi)難性事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)水平，基于AASHTO模型計(jì)算船撞橋概率水平，分析撞擊力對船首結(jié)構(gòu)安全和船舶大傾角穩(wěn)性的影響，提出船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估方法.應(yīng)用該方法對某內(nèi)河觀光船撞橋風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并討論了航速和橋墩防撞裝置變形系數(shù)對觀光船結(jié)構(gòu)安全和船舶大傾角穩(wěn)性的影響.得出結(jié)論：船舶通過橋區(qū)水域時(shí)，若適當(dāng)降低航速，可避免船撞橋所致的傾覆事故的發(fā)生；增設(shè)彈性或柔性防撞裝置，增加防撞裝置變形系數(shù)，可減少船舶結(jié)構(gòu)損壞程度和避免船舶傾覆.本文提出的船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評估方法是合理的，結(jié)論可用于指導(dǎo)觀光船航行.

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（編輯 賈裙平）