基于船舶操縱模擬的郁江特大橋通航安全研究

文章借助Mike 21模型和NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對擬建的長塘郁江特大橋橋區開展模擬試驗，綜合評估了橋區水流條件、通航凈寬、通航凈高以及橋墩布置的合理性，并優化了橋墩設計布置方案，提出了安全有效的通航保障措施。結果顯示：工程前后橋區附近水流流態整體良好，滿足通航規范要求；擬建橋梁通航凈寬應≥269 m，橋墩間凈寬≥292 m，以滿足規劃Ⅰ級航道代表船型安全航行的要求。研究方法和結果為開展同類型涉水橋梁對通航條件的影響評估提供參考和借鑒。

郁江；通航條件；數值模擬；船舶操縱模擬器

U661.33A652133

作者簡介：

張建球（1987—），碩士，高級工程師，主要從事水運工程設計、咨詢及檢測工作。

0" 引言

在交通強國戰略的指引下，為構建現代化高質量國家綜合立體交通網，我國交通建設邁入高質量發展新階段。據統計，2023年全國新增及改善高等級航道總里程達1 000 km。在水運事業蓬勃建設的背景下，航道升級、船型增大和船舶數量提升的現狀對航道通航能力及通航條件提出了更高的要求。同時，面對每年新增的眾多涉水大型橋梁，綜合開展新建橋墩附近流場分析及通航安全影響評估，并優化涉水橋墩設計布置方案，對于避免船舶與橋墩碰撞安全事故的發生，確保船舶通航安全以及橋梁使用安全具有重要的現實和工程意義［1］。

廣西水資源豐富，水系發達，江河湖庫眾多，具有組建航運河網的天然優勢。2022年，平陸運河開工建設，這是我國首條江海聯運戰略大通道。運河起始于南寧橫州市西津庫區平塘江口，終點位于北部灣的欽州港。運河起始點高差達到65 m，分為馬道、企石和青年3個梯級，全長共計135 km［2］。隨著平陸運河工程和南寧至貴港3 000噸級航道工程的建設，航道等級的提升和船舶大型化對沿線橋梁通航的凈空尺度和橋墩布置提出了更高的要求。以擬建G322五塘至新江公路長塘郁江特大橋為例，橋梁設計跨徑為330 m，河面寬度約為380 m。在常水位條件下，通航孔橋墩涉水。因此，為保障船舶通航安全，擬建橋梁不僅要滿足凈高尺度要求，同時橋墩位置也要盡量避免建在船舶習慣和規劃航路上。

本文通過Mike 21數值模型和NT-PRO5000型船舶操縱模擬器開展橋梁通航凈空尺度和橋墩布置合理性分析，綜合全面評估郁江特大橋水域通航安全，并提出了安全有效的通航保障措施。

1" 研究區域及研究方法

1.1" 研究區域

郁江是珠江流域西江水系的主要支流，流經云南、貴州、廣西三個省區，全長為1 160 km，流域面積達9.35×104 m2，多年平均徑流量約為479×108 m3。擬建的長塘郁江特大橋位于南寧市青秀區長塘鎮郁江上，距離平陸運河上游平塘江口約81 km，距離下游西津樞紐約105.5 km。上下游主要跨河建筑物如圖1所示。

長塘郁江特大橋為主跨跨徑為330 m的獨塔雙索面斜拉橋，橋梁設計為單孔雙向通航。擬建橋梁通航孔涵蓋了現狀、規劃航道及中洪水期上下行航線，且要求橋梁建設不改變原河道船舶的通航習慣。橋區河段郁江航道等級為Ⅰ級，通航3 000噸級內河船舶，兼顧平陸運河5 000噸級單船。橋址處河道整體較順直，常水位河道橫斷面寬度約為380 m，下游1 km處河道斷面收縮至250 m，此處左岸存在邊灘。在常枯水位情況下，過往船舶均與左岸需保持一定安全距離，如圖2所示。

1.2" 研究方法

研究借助Mike 21水動力模塊開展擬建橋梁橋區水動力模擬，通過對比工程前后的流場分布及變化評估涉水橋墩的礙航情況。模型的控制方程如下：

連續性方程：

ht+hu—x+hv—y=hS（1）

動量方程：

hu—t+hu-2x+hu—v—y-fv—h+ghηx=1ρ0hPax+gh22ρx+Ax+husS（2）

hv—t+hv-2y+hu—v—x-fu—h+ghηy=-1ρ0hPay+gh22ρy+Ax+hvsS（3）

式中：t——時間；

x、y、z——Cartesian坐標系下的坐標；

d——靜止水深；

h=η+d為總水深；

η——水位；

u、v、w——流速在x，y，z方向上的分量；

ρ0——水的密度；

Pa——當地的大氣壓。

本項目運用NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對橋區航道的設計船型、船隊在不同水位條件下進行通航模擬試驗。該方法的有效性在中山市35號路長江大橋和培森柳江特大橋的通航論證中得到了證明［3-4］。

基于船舶操縱模擬的郁江特大橋通航安全研究/張建球，李思倫

1.3" 工況設置及代表船型

根據南寧至貴港3 000噸級航道工程報告，擬建長塘郁江大橋最高通航水位采用20年一遇水位——72.50 m，最低通航水位為58.65 m（1985國家高程）。

根據《內河通航標準》（GB 50139-2014）（以下簡稱《通航標準》）［5］，結合西江航運干線內河運輸方式［6］、平陸運河規劃，擬建橋梁通航代表船型為平陸運河5 000噸級貨船（90 m×15.8 m×5.0 m）和3 000噸級船隊（223 m×16.2 m×3.5 m）。

2" 橋梁通航凈空尺度分析

2.1" 水流條件分析

研究采用平面二維水流數學模型，對橋址上下游約2 km水域進行模擬計算（圖3）。模型計算工況分別為20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況。

根據模型計算結果，在20年一遇水位工況下，橋址至上游3倍船長（690 m）內流速在1.51～2.58 m/s，平均值為2.19 m/s，橫向流速最大值為0.40 m/s；汛限水位工況下，流速在1.00～1.88 m/s，平均值為1.67 m/s，橫向流速最大值為0.28 m/s；在最低通航水位工況下，流速為0.09～0.14 m/s，平均值為0.12 m/s，橫向流速最大值為0.01 m/s。綜合來看，橋梁建設前后橋區附近水流流態較好，水流條件沒有發生顯著變化，滿足通航規范要求。

2.2" 通航凈寬計算

根據《通航標準》，Ⅰ級航道要求橋梁凈空寬度應≥220 m。各工況下橋址處橋軸線法線方向與水流方向交角最大為-10.01°，橫向流速最大值為0.40 m/s，橋墩順水流方向長度為26.5 m，由此計算得出橫流加寬為40 m，橋梁斜交加寬為9 m，最終確定橋梁通航凈寬=正交條件通航凈寬+橫流加寬+斜交加寬=220+40+9=269 m。

在洪水條件下，由于上游流量較大，水流速度增大，橋墩附近可能形成紊流區從而威脅通航安全。因此，橋梁跨徑需充分考慮橋墩所形成的礙航紊流區寬度。根據相關研究總結的紊流寬度計算公式［7］，計算出紊流區寬度為23 m。因此，建議橋梁采用通航凈寬≥269 m，橋墩間凈寬≥292 m的標準，以滿足代表船型通航凈寬的要求。

2.3" 通航凈高復核

擬建橋梁通航凈寬范圍內梁底高程≥91 m。當最高通航水位為72.5 m時，橋梁通航凈寬范圍內設計凈高為18.5 m，側高與凈高一致，滿足規劃Ⅰ級航道代表船型安全航行凈高要求，因此不存在通航風險。

3" 優化方案通航條件研究

3.1" 船舶操縱仿真模擬試驗

本研究采用NT-PRO5000型船舶操縱模擬器對擬建大橋橋區的設計船型、船隊進行通航模擬試驗［4］。設計代表船型分別選取3 000噸級貨船、5 000噸級散貨船（平陸運河型）、3 000噸級一頂二船隊。模型試驗方案選擇20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況，風向選擇最不利的偏北（005°）風。試驗結果如表1所示。

試驗結果表明，3 000噸級貨船、5 000噸級船舶（平陸運河船型）、3 000噸級一頂二船隊等在過橋時的最大操縱舵角為20°，最大漂角為6.5°，最大航跡帶寬度為147.2 m。這表明上述船型在上行/下行通過橋區水域時，操縱難度不大，橋梁通航凈寬269 m滿足代表船型各工況下航跡帶寬度要求。

根據船舶操縱仿真模擬試驗結果，提出航行優化方案如下：

（1）船舶（隊）下行至擬建橋梁下游1 km處彎道前，提前減速至＜20 km/h，避免船舶（隊）因航速過快而沖出航道邊線導致觸岸事故的發生。由于橋梁下游1 km左岸存在邊灘，上行船舶在強風流條件下過彎困難，建議船舶（隊）避免在彎道處相遇，以免發生碰撞或觸岸事故。

（2）設計船型通過橋區時，洪水期下行（順流）航速控制在＜20 km/h，上行（頂流）航速保持＞7 km/h。同時在靠近橋墩附近時，駕駛員可根據具體情況控制航速，保持船舶與橋墩的安全距離。

3.2" 橋墩布置合理性分析

根據橋梁通航凈寬計算和船舶操縱模擬試驗結果，擬建橋梁269 m通航凈寬滿足代表船型通航寬度要求。結合橋址河段河床條件，由于下游1 km左岸存在邊灘凸出問題，并且河道深槽偏右岸（南岸），由此造成船舶習慣航路偏河道右岸。因此，布置橋梁主跨時應考慮主橋墩盡量偏向右岸，并且保證右岸橋墩應避免對船舶習慣航路及規劃航道產生影響。見圖4。

在枯水位時，擬建長塘郁江特大橋右岸水深約為2 m，7#橋墩應靠岸布置從而避免對船舶習慣航路及規劃航道產生影響。在7#橋墩上游約70 m處岸勢略微向河道凸出（圖5），7#橋墩受岸勢凸起掩護，過往船舶與橋址處右岸亦應該保持一定距離。根據洪枯水位航跡線調查，上、下行航跡線距離7#橋墩距離均≥50 m，擬建橋梁通航孔可覆蓋各水位期的船舶習慣航路，滿足船舶上下行通航需求。

4" 結語

（1）在20年一遇洪水位、汛限水位、最低通航水位3種工況下，工程前后橋區附近水流流態整體較好，水流條件沒有發生較大變化，滿足通航規范要求。

（2）對于主墩涉水的橋梁，涉水橋墩位置需要綜合考慮船舶習慣航路和規劃航道布置。擬建長塘郁江特大橋根據洪枯水期習慣航路、船舶仿真操縱模擬試驗結果，確定主跨橋墩應偏向河道右岸，以減少橋墩對船舶通航的影響。

（3）擬建橋梁河道條件復雜，下游1 km河道左岸邊灘凸出，通過二維水流數值模型和船舶操縱仿真模擬試驗能全面評估建橋對船舶航行的影響，并提出合理的通航保障措施。

［1］孔憲衛，張慶河，李曉松，等.基于船舶操縱模擬的橋區水域通航風險評價研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2022，43（5）：667-672.

［2］葉飛武.平陸運河分洪方案研究［J］.廣西水利水電，2023（4）：91-93，97.

［3］黃立文，張" 蔚，嚴慶新，等.船舶操縱模擬器在橋梁/船閘通航方案論證中的應用［J］.船海工程，2007（4）：91-93.

［4］韓若會，李曉松，黃偉軍.基于船舶操縱模擬的橋區水域通航安全研究［J］.水道港口，2022，43（4）：484-488.

［5］GB 50139-2014，內河通航標準［S］.

［6］譚" 力，梁" 芳.西江干線跨江橋梁通航船型適應性評價與分析［J］.西部交通科技，2020（6）：157-159，177.

［7］莊" 元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗研究［J］.中國航海，2007（3）：5-9，44.

20240516