西堠门特大桥船撞桥概率分析与风险评估

尹紫红,李远富,燕蒲龙,项 琴,李怀龙

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.西南交通大学峨眉校区土木工程系,四川峨眉山 614202；3.西南交通大学经济管理学院,成都 610031； 4.四川职业技术学院,四川德阳 618000)

1 概述

随着交通事业的迅猛发展,船撞桥问题显得越来越突出,亟待研究和解决。主要表现在以下几个方面。

(1)桥梁越建越多,越建越大,越建越长。桥梁建设已从跨越内河发展到跨越河口、跨越海峡。近20年来,由于桥梁技术的不断进步,桥梁的建设日益向大跨度深基础发展,桥梁已从跨越大江大河发展到跨越河口、跨越海峡,桥位的选择从内河的中、上游发展到下游,直至沿海地区。

(2)船型尺度在不断地增大。随着水路运输的发展和船型技术的不断进步,船型也在不断地改进,船舶尺度在不断地增大。据统计,全国内河货船的平均吨位已从1990年的45 t增加至2000年的105 t。随着运输结构调整的不断推进和深入,船型将逐步实现标准化、大型化和现代化,船型尺度还将继续增大。

(3)内河客船逐步高速化。20世纪80年代,长江一般客船的航速仅在20 km/h左右,而今已有很多客船达到了30 km/h以上,水翼客船更是达到了60 km/h以上。内河客船的航速增加,意味着一旦撞桥时碰撞能量的增加,无疑会带来更严重的后果。

(4)危险品运输呈增长趋势。石油及其制品、液体化工品等运输快速增长。新型专用船舶如化学品船、液化气船等从无到有,已发展到化学品船218艘、6.2万t,液化气船22艘、15.1万t载重。

另外,恐怖主义的盛行尤其是9·11事件唤醒了人们的防恐安全意识,同时也提醒我们对船撞桥问题进行研究的意义要比原来所认识到的更加重要。

上述各方面因素的存在,都使得发生船撞桥事故的风险越来越大,深入开展有关研究已经越来越急迫、越来越重要。

国内外统计资料表明,近几十年来,世界上发生的船舶撞毁桥梁事故已超过100次。武汉长江一桥自1957年建成通车以来,40余年内被撞70余次,除3次是超高撞梁外,其余均撞桥墩,最严重的一次留下了0.15 m深的凹痕；重庆白沙沱大桥仅1998～2005年,就发生过9起严重的船撞桥事故,造成了严重的经济损失和恶劣的政治影响；文献[1]曾对我国长江、珠江和黑龙江三大水系上的船撞桥事故进行过统计,并给出了船撞桥事故的年度变化情况,见图1。黄石长江公路大桥在3年时间内共发生碰撞桥墩事故20多起,其中一次船毁人伤,货物沉没,桥墩受损,直接经济损失上千万元。最近,船撞桥事故在我国频繁发生,特别是2007 年6月运沙船撞塌广东九江大桥和 2008年8月3 000 t货船撞击东莞麻涌大桥在我国造成了重大的社会影响。

舟山大陆连岛工程由岑港大桥、响礁门大桥、桃夭门大桥、西堠门大桥和金塘大桥5座大桥组成,全长48 km,是世界规模最大的岛陆联络工程。其中,金塘大桥是世界上外海环境中最大跨度的斜拉桥,在5座大桥中规模最大。2008年3月27日,中国台州籍货轮错驶航道,撞击正在建造中的金塘大桥非通航孔,造成60 m长的桥面断裂坍塌；2009年11月16日晚,一艘2 000 t级韩国籍货轮在风浪中走锚,撞击了连岛大桥群中最大的金塘大桥1个桥墩。

船撞桥事故不但涉及到桥梁的结构安全,影响着航区船舶和桥面车辆的安全运营,更是威胁着人民的宝贵生命和财产安全,于是合理地对桥梁进行船撞桥概率分析并对风险进行评估就成为工程界越来越关心的问题,我们必须进一步分析研究船撞桥的概率问题。我国船撞桥事故年度变化如图1所示。

图1 我国船撞桥事故年度变化

2 船撞桥模型选择

PIANC第19工作组把船撞桥事故的原因归结为3类：(1)人员失误,如：疏忽、操纵失误和无证驾驶等；(2)机械故障,如：主机灭火、舵机失灵和船队断缆等；(3)恶劣的自然环境,如：坏天气和大洪水等。目前,有学者着手研究考虑这些影响因素的复杂理论模型,但该种复杂的理论应用于实际尚较为困难。因此,采用基于全局参数的简化概率模型仍然是当前国内外计算船撞桥概率的主要方法。比较典型的船撞桥简化模型主要有AASHTO指南方法、IABSE模型(拉森模型)、Kuzi模型、欧洲规范模型、英国模型[7]以及配德森模型等。本研究考虑到中国桥梁的实际情况,采用AASHTO船撞设计指南方法对大桥的船撞概率进行计算分析。

AASHTO 规范模型中,桥梁年撞击概率的计算式为

P=N×PA×PC×PG

式中N——船舶年通航量；

PC——偏航概率；

PG——几何概率。

偏航概率PA的计算式为

PA=BR×PB×PC×PXC×PD

式中BR——偏航基准概率；

PB——桥位修正系数；

PC——平行水流修正系数；

PXC——横流修正系数；

PD——船舶交通密度修正系数。

几何概率PG的计算见图2,其中阴影部分的面积即为几何概率。

图2 几何概率计算图示

3 修正AASHTO模型

AASHTO模型是依照美国和欧洲的船舶碰撞资料统计而设计出来的,不一定适用于我国的船撞桥概率计算,不一定真实反映我国船撞桥情况。船舶撞击桥梁是一个多因素造成的事件,既有风、水流、雾等外界因素,又有桥梁净高,航宽,船舶性能、驾驶操作等内在因素,并且因素之间有着耦合关系,AASHTO模型涉及到的因素不够全面,需要修正。

3.1 船型修正

船撞桥事故概率和航区船型是相关的,据有关统计分析,船队更易发生撞桥事故。驳船队的撞桥事故远远多于单船。主要原因是驳船队尺度大,操纵性相对较差，过桥更困难。而单船相对而言船体主尺度较小,操纵性也相对好些,因此,单船撞桥事故较少。一般船舶偏离航线基本发生率BR=0.6×10-4,船队BR=1.2×10-4。船舶撞击桥墩的概率与航区宽度成反比,与船舶宽度成正比。

式中μ——船型修正系数；

B——船舶宽度；

L——单孔跨径。

3.2 上下水修正

根据统计结果,下水船舶撞桥事故数量较多,大约是上水船舶事故数量的2.2倍,主要是由于下水船舶对水流的相对速度较低,舵效差,难以操纵,而下水船舶由于相对河床速度值较高,撞桥的后果更严重,船撞桥概率更大。

式中Q′——下水通航量；

Q″——上水通航量；

Q——全年通航量,a为上下水修正系数,有碰撞统计资料取3。

3.3 大风修正

风对船舶航行有着明显的影响,风对船舶的影响除了使船舶失速或增速外,一方面令船舶向下漂移,另一方面使船发生偏转。对其船舶作用的程度和特征与船舶受风面积、风动力中心位置、干舷高度与吃水比、风级、船舶航向、航速等多种因素有关。风力越大,船舶倾斜、漂移、偏转的程度就越大。通过计算机模拟船舶桥区的失控漂移,可以得出,不管是上游还是下游,风速大于7.9 m/s 时,风对风致漂移量影响较大,与风向无关。所以由风对船撞桥的修正有

式中Q′——风速大于7.9 m/s 的通航天数；

Q——全年通航天数,a为风修正系数,取值 1.5。

3.4 大雾修正

随着我国城镇化进度不断扩大,灰霾天气出现的日数越来越多,由此,引发的能见度不良天气也越来越多,特别是浓雾,能见度变低,有时候即使借用雷达等助航仪器,仍然有可能发生偏航、搁浅和碰撞等事故。雾日天气成为有些桥区的船撞桥的主要影响因素之一。

式中Q——全年通航天数；

Q′——一年能见度小于1 000 m的雾日天数；

k——大雾影响系数,参考取为2 511 000～2 512 000；

s——航区能见度距离,航区能见度不好时,s1取1 000m,航区能见度良好时,s2取10 000m。

4 工程案例

西堠门大桥是继金塘大桥之后宁波往舟山方向的第2座跨海大桥,也是舟山大陆连岛工程技术难度最大的特大跨海桥。全长5.452 km,大桥长2.588 km,为2跨连续钢箱梁悬索桥,分体式双箱断面钢箱梁,钢箱梁全宽36 m,梁高3.5 m,两箱间通过箱形横梁和工字梁连接。连接册子岛和金塘岛,主跨采用(485+1 650+578) m的悬索桥方案,是世界上跨径最大的钢箱梁悬索桥,也是跨径世界第二、国内第一特大桥梁,设计通航等级3万t,通航净高49.5 m,净宽630 m。

通航航道中心线距离桥墩825 m,上水有约4 km的直航水域,下水有约6 km的直航水域。最大风速24 m/s,极大风速大于42 m/s,受台风影响月份为5～11月,其中7～9月居多,年平均台风影响次数为2.56次。全年风级5级(相当风速8.0～10.7 m/s)以上平均90 d,全年桥区能见度小于1 000 m的雾日天数平均20.5 d。以不正规半日潮流为主,潮流运动形式大多为往复流。该水道流速大、且有强烈旋涡,航区年平行航向水流速度为3.15 m/s,桥区水流偏角在1.7°左右,交通密度高,上下行量比为1.2,预测不同船型在金塘岛侧3号墩的年撞击频率。计算结果见表1。

表1 金塘岛侧3号墩不同船型年撞击概率

5 风险评价

风险评价标准的确定一直以来都是一个有争议的问题。从安全的角度而言,桥梁结构必须保证行人的安全,也就是说桥梁结构应当具有相当的安全度。然而,安全要求的高低决定了相应所需要付出的成本。安全度要求越高,即桥梁的失效概率越低,为此,所需付出的经济代价也就越高。因此,安全与经济之间的平衡,是制定风险评价标准时最为关键的问题。

国外相关规范给出了不同的风险评价标准,AASHTO船撞设计指南规定,对于一般桥梁,整个桥的最大倒塌年频率取10-3/年,而对于关键性桥梁则取10-4/年,并建议将全桥的年倒塌可接受频率根据位于水中的各墩在桥梁重建费用中所占的百分比分配到各墩上。欧洲的Eurocode1给出了处于不同安全等级结构的目标可靠度,其中典型桥梁的年失效概率采用10-6/年。目前,船撞桥的风险评价标准在我国的桥梁设计规范中并没有体现出来。文献[17]详细探讨了人的安全因素、环境因素和经济因素3方面在制定风险评价标准方面的影响,并结合中国国情,初步建立了针对船撞桥事故的风险等级评价标准。在文献[17]所建立的船撞桥概率区间的基础上,采用船撞桥风险等级评价标准(表2)对西堠门大桥的船撞风险进行评价。

表2 船撞桥风险等级评价标准

6 结论和建议

(1)传统的AASHTO模型未考虑船型、大风、雾日等影响因素,在取值上较实际船撞击桥梁概率大。

(2)船撞桥事故的第一位原因是人员失误,约占78%；第二位原因是恶劣的自然环境,约占16%；第三位原因是机械故障,约占6%,三者之比大约为13∶2.8∶1。

(3)西堠门大桥运营期总体船撞风险评估等级为二级,属于低风险水平,注意风险管理和监控。

(4)在桥梁运营期,应综合采取主动防撞措施被动防撞措施,并加强防范、监控措施,重点保护主要通航口的桥墩,同时不能忽视引桥部分的安全。主动防撞措施方面,建议设置导航标等；被动防撞措施方面,可设置局部防撞措施,例如：在主通航孔的桥墩设置橡胶防护装置等。对于重要桥梁,要建立主动防撞系统(如 VTS 等),减少人为原因导致的船撞桥事故,降低年船撞桥概率。

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