内河跨航桥梁通航安全管理措施研究——以台州市内河航道为例

邵华荣 李双双 方彤瑶 曾渊 陈安 台州市港航事业发展中心

1.前言

在建设交通强国的背景下，中国桥梁建设和航运发展均取得了举世瞩目的成果。截止2021年，中国铁路桥梁总数近10万座，公路桥梁数量已超91万座，沿海港口万吨级以上泊位数2576个，全国内河航道通航里程12.73万公里，完成货运量39.13亿吨。随着沿线码头提升改造和通航船舶大型化发展，部分既有跨航桥梁，特别是建成时间较早的桥梁，将有可能成为制约航道升级的重要因素。

部分既有桥梁受限于建桥时的技术和航道（河道）等级，通航孔跨径较小且设计时未考虑船撞作用力或抗撞能力较小。此外，随着桥梁在役时间增长，局部结构破损和材料老化等问题不可避免，将进一步减小桥梁抗撞性能。因此，既有桥梁的通航安全风险和抗撞性能评估成为航运发展中必不可少的一环，根据评估结果制定有效的安全管理措施是管理部门的重要工作内容。

本文以台州市内河航道（椒灵江、永宁江、金清新港线）为例，排查已建跨航桥梁存在的通航安全隐患，对存在较大安全隐患的桥梁进行通航安全风险及抗撞性能综合评估，根据评估结果针对不同类型内河航道提出相应的通航安全管理措施。

2.通航安全影响因素

近年来，随着交通运输的不断发展，桥梁事故（撞损、超载侧翻等）频频发生。根据相关统计，船舶撞击事故约占22%。根据船撞桥事故案例统计，事故发生原因主要有船员综合素质、航运交通状况、桥梁自身结构特性、自然环境、助航条件等，即“人-船-桥-环境”的综合影响。

根据事故调查报告，导致碰撞事故发生的原因中，人为因素超90%，60%为直接关联，30%为间接关联。例如2021年7月“新谷333”船员在疲劳状态下驾驶船舶通过北斗大桥，致使船艏左侧碰撞大桥非通航孔桥墩，31#桥墩多处受损，船舶严重变形。以本次评估的椒江大桥为例，根据近5年船撞事故调查，事故发生原因有不熟悉桥区水域水流环境、违背桥区水域通航安全管理规定、应急措施不当等，还存在船舶非法改造、船舶操纵性能故障引起的事故和偶发性大雾天气导致能见度不足引发的碰撞事故。

除上述“人”“船”“环境”因素外，桥梁本身存在的通航净空尺度不足、导助航设施不完善等问题也是导致事故发生的重要因素。在台州市跨航桥梁通航安全隐患排查中，近三分之一的桥梁存在航标配布不全的问题，部分导助航标志存在损坏或失效的情况。而桥梁自身防撞标准过低或未按要求设置防撞设施等问题将加大碰撞事故造成的损失。例如，2015年“粤佛山工2038”因水线以上高度大于西江大桥通航净高发生碰撞，导致大桥钢桁梁下弦杆、下平纵联、纵梁等部位不同程度受损，船舶龙门架受损，造成约4033万元的经济损失。

降低事故发生概率、减小事故造成的损失是保障桥梁在区域交通网中正常运作的重心。但不同类型的航道，其航道等级、交通流密度、通航环境均存在显著差异，以“一刀切”的标准进行管理不仅效率低，且会造成人员和成本的浪费。因此，对既有桥梁进行通航安全风险及抗撞性能评估并“因桥施策”具有重要的社会经济意义。

3.桥梁通航安全风险及抗撞性能评估方法

3.1 通航安全风险评估体系

桥梁通航安全风险评估体系以航道、桥梁、船舶基础资料调查结果为基础，以既有桥梁与航道条件、通航环境、通航净空尺度、船舶通航秩序的适应性分析结果为依据。选取“风”“能见度”“净宽”“净高”“涉航设施距离”“防撞设施”和“导助航设施”七个影响因子作为评估指标，以这七个因子各自特性和概率风险评估法建立安全评估标准和评估合集V，采用模糊综合评估法建立模糊矩阵R。此外，根据层次分析法（AHP）计算权重后构建权重向量W。通过矩阵R和W建立综合评估模型B，最后进行反模糊化精算得出评估计算值。

3.2 桥梁抗撞性能验算

3.2.1 桥梁抗撞力计算

本文以台州市跨航桥梁为例，对桥梁自身抗撞能力的计算主要采用MIDAS Civil有限元软件建模（图1），分别计算初始加载单位水平船撞力时桥墩横桥向、顺桥向桥墩最危险截面处产生的最大内力F，同时通过配筋计算桥墩最危险截面处的极限承载力F′，根据线性叠加原理得出桥墩所能抵抗的最大水平船撞力P。

图1 桥墩横桥向碰撞计算有限元模型

3.2.2 船舶撞击力计算

我国自上世纪九十年代后部分专家学者以跨长江的大桥和跨海大桥开始了桥梁防船撞力计算。目前桥梁抗撞能力的研究在上述理论基础上提出了不同的经验公式和计算机的仿真模拟。

（1）经验公式。相比《公路桥涵设计通用规范》中给出的内河船舶和海轮撞击作用设计值，《公路桥梁抗撞设计规范》中考虑到船舶撞击速度和船撞作用点等重要参数，根据船撞动态时间过程计算船撞速度，两个规范中驳船撞击力相差显著，以1000吨级船舶为例，设计规范中船舶撞击力为800kN，抗撞规范中船舶撞击速度3m/s情况下撞击力为5040kN。既有桥梁多数已在役多年，桥梁建设时期多以设计规范作为标准，对内河航道来说，船撞力远小于抗撞规范要求。

（2）非线性有限元法。采用Ansys/Ls-Dyna有限元分析软件构建整船整桥模型，对船首与桥墩碰撞过程进行仿真，计算碰撞过程的能量转化、碰撞力、船首变形破损以及桥梁变形和桥墩破损问题，根据船头变形和应力分布图、能量时程曲线图、碰撞力时程曲线图确定最大船舶撞击力。

图2 防撞墩受力（a）及碰撞过程（b、c）计算模型

3.2.3 防撞设施抗撞力计算

台州市跨航桥梁中部分设置了结构性防撞设施，结构形式包括独立式防撞墩、附着式防撞设施、一体式防撞设施和拦阻系统。对防撞设施抗撞能力计算主要采用易工软件和Ansys/Ls-Dyna有限元分析软件建模分析。

3.3 评估结果

台州市跨越椒灵江、永宁江、金清新港线既有桥梁共计42座，根据初期排查结果，共有38座桥梁列入综合评估范围。在评估的桥梁中大部分桥梁通航环境相近、结构形式相似，本文选取其中8座桥梁，跨越航道的类型包含海轮航道和内河航道，结构形式包括大跨径的斜拉桥和小跨径的简支空心板梁桥，船舶交通流包含高交通密度（日均通过量230艘次）和低交通密度（日均通过量1～2艘次）。因此，可以认为这8座桥梁具有代表性，评估结果如表1所示。

表1 评估结果一览表

4.通航安全管理措施

桥梁通航安全管理措施主要从两方面进行，一是减小船撞概率，二是提升桥梁抗撞能力。这个过程是长期的、系统性的，同时也应是循序渐进的。本文根据桥梁通航安全风险及抗撞能力的综合评估结果，对桥梁进行分类管理，根据不同类别采取相应的措施。

4.1 减小船撞概率的措施

根据船撞事故发生原因的统计，应当从“人-船-桥-环境-管理”五个方面减小船撞概率。其中最重要且有效的措施是通过技能培训提高船长和船员基本技能，组织演练提高船员预判和应急能力，船长和船员还应当熟悉航路和水文条件。其次，定期对船舶进行安全检查，排查船舶存在的安全隐患也能有效降低船撞概率。管理部门应对重点桥区水域制定相应的通航安全管理规定，明确桥区内船舶航行规定，限制超高超宽船舶通过，明确恶劣天气通航限制。

从“桥”方面出发，减小船撞概率可采用主动防撞设施，包括助航设施、警示标志、安全监控预警设施等。对于重要性等级较高、船舶交通流密集、桥梁净空净宽不能够满足规范要求的桥梁，采用安全监管预警设施能够有效减小船舶碰撞桥墩的概率。目前应用较广泛的预警系统主要由红外热成像传感器、雷达、AIS、水文气象监控等装置组成，用于监控、预判失控和偏航船舶，及时沟通船长；超高检测系统设置两道监测线，由第一道触发劝告，第二道触发取证和报警。主动预警系统全天候、智能化、预判的特点能够最大程度降低人为因素导致的船撞事故，对主动防撞具有显著的效果。桥梁防撞预警系统具有技术先进、功能实用、施工方便的特点，同时其系统性和智能化的集成设计可根据不同需求对子系统功能进行调整。

4.2 提升桥梁抗撞能力的措施

在不对桥梁进行提升改造的前提下，提高桥梁抗撞能力主要采取结构性防撞设施，其防撞原理主要从力学角度出发，直接或间接的完成能量吸收和动量缓冲作用。在台州市内河既有跨航桥梁中，共11座桥梁设置了被动防撞设施。如椒江二桥通航孔主墩设置的防撞钢套箱、辅墩设置的橡胶护舷和非通航孔设置的拦阻系统；椒江大桥主通航孔设置的一体式防撞设施和非通航孔设置的拦阻系统；新江桥（跨永宁江）和金清新港大桥（跨金清新港线）设置的独立式防撞墩。

被动防撞设施的设置主要应对失控或偏航船舶对桥梁的撞击，减小或消除船舶撞击对桥梁的损坏，在采用柔性防撞设施的条件下还能最大程度保护船舶的安全。相对水域宽阔的航段，部分内河航道水域较窄，加之桥梁在水中落墩，进一步减小航道宽度。在评估结果中，跨越永宁江和金清新港线的部分简支结构桥梁，通航净宽和防撞能力均不能满足规范要求。对于防撞设施的选择在满足防撞要求前提下，不能占用通航水域，结构规模要尽量小，且尽量做到船-桥双防护。在上述前置条件下，防撞设施结构选择性较少。

对内河低等级航道跨航桥梁的防撞设施，目前一般有三种方式：柔性耗能设施、防撞警示墩和桩基防撞墩。柔性耗能设施和防撞警示墩是设置在自身抗撞能力较好的桥梁上，防止船舶与桥墩直接碰撞，前者在桥墩可能受船撞的部位设置消能护舷，后者在桥墩迎船面设置一根直立式钻孔灌注桩或预制桩。对防撞能力不足的桥墩可采用钢筋砼钻孔灌注桩加钢套筒组合的桩基防撞墩，同时在防撞墩顶部设置警示灯，迎船面设置小规格缓冲材料。

随着船桥碰撞研究的深入，一些新型材料应用于防撞设施中，筒型自浮式防撞设施可消减38.83%～45.07%的船撞力；由外钢围、防撞圈和内钢围构成的柔性防撞装置，可降低37%～56%的撞击力；波纹钢夹层结构能够吸收60%以上船撞力。

4.3 桥梁分类及对应措施

根据通航条件和评估结果，以选取的8座代表性桥梁对台州市既有跨航桥梁进行分类（表2）。

表2 跨航桥梁分类结果

目前，台州市已制定了《椒灵江水域通航安全管理规定》和《椒江大桥水域通航安全管理规定》，对于一类桥梁主要采取日常监管和规范船舶航行行为，对导助航设施进行定期的维护，及时进行航行公告；二类桥梁存在通航净空尺度不足的问题，在一类的管理基础上，可通过增设防撞预警系统提高监管效率。

三～六类桥梁跨越航道船舶通航密度小，基本没有发生过船撞事故，因此桥区航道监管力度相较一～二类小。三类桥梁通航安全风险较小，以常规性管理为主；四类桥梁为通航净空尺度不满足规范要求的桥梁，在不考虑提升改造的前提下，净高不足的桥梁应设置倒水尺；五～六类桥梁自身抗撞能力不足，且未设置被动防撞设施，虽然现状船舶交通流小，但随着水运发展，势必成为较大的安全隐患。因此，五类桥可增设柔性防撞设施或桩基防撞设施，并对桥梁情况进行定期检查；六类桥梁通航安全风险高，航道提升时应纳入整治设计中，现状在采取五类桥措施基础上增设可变的净空尺度信息标志。

4.4 其他地区采取的措施

在交通运输部“船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动”背景下，全国各地陆续对辖区内Ⅶ级以上跨航桥梁进行隐患排查和评估工作。本节主要列举部分浙江省内其他城市跨航桥梁的评估结果和通航安全管理提升措施。

宁波市对市内主干航道跨航桥梁上布设的航标进行排查，更换不符合规范要求和失效的航标，增设缺失的航标；对桥梁实际通航净空尺度进行了复核，并将结果进行公告；对11座跨越姚江和奉化江的桥梁进行综合评估工作，根据评估结果中抗撞力不足的桥梁进行防撞设施专项设计。

金华市对跨越衢江、兰江和金华江的七座桥梁进行了隐患排查和综合评估，主要隐患为航标布置不规范，需对航标进行重新设计和调整；个别桥梁抗撞能力不足，由于跨越的航道规划等级均为Ⅲ级，且为省级骨干航道，需采用增设防撞墩作为提升桥梁抗撞能力的措施。

湖州市对辖区内跨越Ⅶ级以上航道的桥梁进行排查，对净空尺度和抗撞能力不足的桥梁进行评估。由于湖州市水网密布，许多航道为限制性航道，一些早期建设的桥梁未一跨过河，除增设导助航设施和限制超高船舶通航外，将部分情况较差的老桥纳入提升改造计划中。

5.结论与展望

桥梁的通航安全管理措施主要为减小船撞概率和提升桥梁抗撞能力，随着多种新型技术和材料的发展，管理效率不断提升。本文以台州市内河跨航桥梁为例，构建通航安全风险及抗撞性能综合评估模型，根据评估结果对桥梁分为六类，根据不同类别从减小碰撞概率和提升抗撞能力两个角度出发，提出相应的通航安全管理措施，为其他地区跨航桥梁通航安全管理措施的研究提供参考。考虑到本次航道类型有限，下一步将加入其他地区跨越不同类型航道的桥梁，扩展研究样本，形成更完善的管理体系。