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(武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063)

目前國(guó)內(nèi)橋梁通航凈寬尺度設(shè)計(jì)多是依據(jù)國(guó)家通航標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)水上過(guò)河建筑物的附近可能出現(xiàn)紊流時(shí)，其通航凈寬應(yīng)在規(guī)定的通航基礎(chǔ)上加大，增加值宜通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究決定[1]。《通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定橋梁通航凈空寬度等于航道有效寬度與擴(kuò)大系數(shù)的乘積[2]。無(wú)論是紊流區(qū)的增加值還是擴(kuò)大系數(shù)的確定都還存在爭(zhēng)議[3-5]。目前的橋梁通航凈寬尺度計(jì)算主要是基于船橋碰撞的概率，這種方法有一定的局限性。小事故(事故后果較輕微)發(fā)生的概率大，而重大事故(事故后果極其嚴(yán)重)發(fā)生的概率小，如果只考慮事故發(fā)生的概率，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)重大事故的預(yù)防預(yù)警不足。因此，考慮以可接受的風(fēng)險(xiǎn)程度為基礎(chǔ)進(jìn)行橋梁通航凈寬尺度的計(jì)算，并以不同排水量的船舶為例對(duì)本模型進(jìn)行驗(yàn)算。

1 船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型

船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)R是一個(gè)包含兩個(gè)維度的概念，即碰撞事故發(fā)生的概率f及后果C。

概率f包含了所有船撞橋的情形，如船正面(或側(cè)面)碰撞橋墩，大(小)排水量船舶以高速(低速)碰撞橋墩等，所有這些情況造成的后果各不相同，因此船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)R為：

×Ci

(1)

式中：fi——第i種碰撞情形發(fā)生的概率；

Ci——第i種碰撞情形造成的后果。

1.1 船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)度

1.1.1 船撞橋概率的測(cè)度

目前在船橋碰撞領(lǐng)域廣泛使用的概率模型有很多[6-8]，結(jié)合目前的實(shí)際情況考慮采用經(jīng)修正的戴彤宇模型，該計(jì)算模型參照的概率分布見(jiàn)圖1。并將該模型表達(dá)為

(2)

式中：F——橋梁年碰撞頻率；

Qi——單位時(shí)間內(nèi)第i類(lèi)船的船舶流量；

fi——第i類(lèi)船的碰撞影響系數(shù)；

Pij——第i類(lèi)船與第j個(gè)橋墩或橋梁構(gòu)件碰撞的幾何概率；

E——橋墩紊流總寬度。

A、B參見(jiàn)圖1。

圖1 修正模型幾何概率分布示意

該船橋碰撞概率模型對(duì)戴彤宇模型的主要修正之處在于對(duì)船橋碰撞幾何概率Pij的積分區(qū)間增加橋墩紊流區(qū)。這是因?yàn)楫?dāng)船身離墩非常近但沒(méi)有航行到碰撞橋梁的航線上時(shí)，船舶在駛離橋墩的路徑中很可能會(huì)發(fā)生船體甩而直接掃到橋墩，類(lèi)似這樣的事故主要是因?yàn)闃蚨盏淖杷饔枚苟罩芤约皟啥罩g的水流情況變得異常復(fù)雜。船舶處于橋墩紊流水域時(shí)，由于水流流態(tài)紊亂，船舶操縱性能急速下降，船舶擦碰到橋墩的危險(xiǎn)性極大，因此在計(jì)算船橋碰撞概率時(shí)有必要考慮橋墩紊流區(qū)對(duì)船舶的影響。

1.1.2 船橋碰撞事故后果的測(cè)度

就船橋碰撞系統(tǒng)中的兩個(gè)主體船和橋而言，結(jié)果分為兩種：船舶的損傷和橋的損壞。為了定量分析事故的后果，有必要對(duì)事故后果指標(biāo)進(jìn)行選擇和優(yōu)化。選擇以橋梁的損壞為船橋碰撞事故后果的度量標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)我國(guó)橋梁建筑的劃分習(xí)慣，將橋梁損壞劃分為①基本完好、②輕微破壞、③中等破壞、④?chē)?yán)重破壞、⑤倒塌[9]，相應(yīng)的量化見(jiàn)表1。

表1 船撞橋后果量化結(jié)果

1.2 基于可接受風(fēng)險(xiǎn)程度的通航凈寬尺度

1.2.1 風(fēng)險(xiǎn)可接受程度

關(guān)于船撞橋事故的風(fēng)險(xiǎn)分析，僅考慮船橋相撞年度風(fēng)險(xiǎn)，即年度船橋碰撞風(fēng)險(xiǎn)曲線。就風(fēng)險(xiǎn)接受而言，目前海事領(lǐng)域還沒(méi)有一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，IMO認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是船員最大可忍受風(fēng)險(xiǎn)值為10-3/年，旅客為年10-4/年，岸上公眾為年10-4/年，可忽略值為年10-6/年。我國(guó)水上交通領(lǐng)域通常以10-4/年作為主要安全功能削弱的可能受限值，以10-5/年作為風(fēng)險(xiǎn)頻率的極限[10]。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則、綜合表1的后果劃分及船橋碰撞的頻率，將風(fēng)險(xiǎn)分別用定性和定量的方式表示，見(jiàn)圖2。

1.2.2 基于風(fēng)險(xiǎn)可接受程度的橋梁通航凈寬

由式(3)可知，船舶與橋梁發(fā)生碰撞的頻率是關(guān)于A、B的函數(shù)，而A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)是由橋墩的相對(duì)位置確定的(見(jiàn)圖1)，則根據(jù)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，即碰撞頻率與后果的乘積的可接受區(qū)間即可求出滿足通航安全要求的橋梁通航凈空寬度。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)水平示意

2 算例分析

以某通航橋孔為例，只考慮船舶排水量，假設(shè)船舶在橋區(qū)水域的航速均為6 kn，船舶均為正面撞擊橋墩，所取設(shè)計(jì)船型為同一種類(lèi)的船舶，為研究方便，取船型為油船，船舶影響系數(shù)均取為0.07，橋墩寬度9 m，紊流區(qū)寬度取2.4 m。該水域的船型概況及船舶與橋墩的撞擊力見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)船型概況及船橋碰撞的撞擊力

船與橋梁碰撞的頻率及橋梁通航凈寬尺度的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 船橋碰撞頻率與橋梁通航凈寬尺度關(guān)系

將表2與圖3的結(jié)果與可接受風(fēng)險(xiǎn)水平對(duì)照，得到基于風(fēng)險(xiǎn)的橋梁通航凈寬尺度，見(jiàn)表3。

表3中的規(guī)范計(jì)算值是指在一般橫流條件及最大橫流條件下的值。由表3可知，當(dāng)橋梁凈寬尺度滿足廣泛可接受區(qū)的橋梁通航凈寬最小尺度時(shí)，基本上可以滿足最大橫流條件時(shí)的橋梁凈寬要求，而最低合理可行限度區(qū)橋梁通航凈空最小尺度與規(guī)范中最大橫流時(shí)的橋梁通航凈寬要求有一些差異?？梢钥闯鲆?guī)范設(shè)計(jì)值相對(duì)保守，最低合理可行限度區(qū)是指為保證一定的效益，社會(huì)能夠容忍存在一定范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。它是不容忽視和需要保持監(jiān)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)界限，如果可能，應(yīng)進(jìn)一步減少其程度。表3中廣泛可接受區(qū)的橋梁通航凈寬最小寬度與最低合理可行限度區(qū)的橋梁通航凈寬最小寬度的計(jì)算都依賴(lài)于船舶航跡分布參數(shù)(μ，σ)，參數(shù)取值不同，計(jì)算結(jié)果也不同。航跡分布參數(shù)體現(xiàn)的是駕駛員的操船水平，不同的駕駛員操船水平不同，但是橋梁通航凈寬尺度是基于可接受風(fēng)險(xiǎn)水平計(jì)算的，即考慮一定水平的航跡分布，而不是考慮所有可能的極端情況。

表3 基于風(fēng)險(xiǎn)可接受的橋梁通航凈寬尺度

3 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該方法一方面體現(xiàn)出船橋碰撞事故發(fā)生概率與后果的的關(guān)系，即事故發(fā)生的頻率與事故的后果是負(fù)相關(guān)的，后果嚴(yán)重事故的發(fā)生概率要小一些。這在一定程度上克服了由經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致的不確定性。另一方面，該方法計(jì)算所得橋梁通航凈寬尺度與現(xiàn)有規(guī)范相比更加嚴(yán)格、謹(jǐn)慎。由于方法是基于風(fēng)險(xiǎn)可接受程度的，不但考慮了安全需要，也在一定程度上體現(xiàn)了成本因素，可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

研究只考慮了船舶排水量因素，而在實(shí)際航行過(guò)程中，船舶類(lèi)型、船舶航速、船舶航向?qū)Υ瑯蚺鲎驳母怕始昂蠊杏绊懀虼?，本模型?jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定誤差。另外，船舶的航跡分布取決于操船水平，因此對(duì)于船舶航跡分布參數(shù)的選取還需要人為通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)或?qū)嵈瑢?shí)驗(yàn)來(lái)獲得，在精度上還難以令人滿意，這也是今后研究的重點(diǎn)。

[1] 中華人民共和國(guó)交通部. (GB 50139—2004)內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

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