群橋水域特征分析及建模研究*

徐言民 楊 柯 關(guān)宏旭 劉 強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063)

群橋水域特征分析及建模研究*

徐言民 楊 柯 關(guān)宏旭 劉 強(qiáng)

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院 武漢 430063)

針對群橋水域航路規(guī)劃問題，統(tǒng)計(jì)分析了長江武漢段橋梁間距、橋梁通航孔、橋梁軸線和交通流因素，得出了群橋水域具有橋梁間距小、通航孔交錯、軸線走向不同和交通流復(fù)雜的結(jié)論.基于橋墩紊流區(qū)邊界及安全富余量分析，采用量綱一的量化技術(shù)建立了長江武漢段群橋水域航路規(guī)劃模型，針對模型存在著數(shù)據(jù)數(shù)量級差別大、橋梁數(shù)量過多等缺陷，縮小橋梁間距，對橋墩半徑、橋墩間距、紊流區(qū)邊界和安全富余量適當(dāng)擴(kuò)大，得到了適用性較強(qiáng)的能夠反映群橋水域通航環(huán)境特征的模型.

特征分析；群橋水域建模；紊流區(qū)；安全富余量

0 引 言

隨著“中部崛起”、“中國經(jīng)濟(jì)新支撐帶”戰(zhàn)略的興起，長江沿線省市迎來了經(jīng)濟(jì)發(fā)展高潮，大量跨江橋梁呈集群化建設(shè)，以近距離多橋梁為特征的群橋河段已在多處水域形成.橋梁在拉動區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也面臨著嚴(yán)重的船舶撞擊風(fēng)險(xiǎn).目前對橋梁船撞問題的研究主要集中在單橋的被動防撞[1]和主動防撞[2-3]方面，群橋水域船舶通航安全問題相關(guān)研究相對較少，且主要集中在長江重慶段[4-5].目前橋梁船撞事故時(shí)有發(fā)生，單一層面的橋梁船撞研究對于解決群橋水域橋梁船撞問題仍顯力不從心，開展群橋水域通航安全研究意義重大.本文根據(jù)武漢段橋梁情況分析群橋水域特征，并建立群橋水域航路規(guī)劃模型.

1 群橋水域特征分析

到2020年，武漢水域60 km的江面上將擁有11座跨江大橋，本文選擇武漢段橋梁分析群橋水域特征.

1.1 橋梁間距

長江武漢段橋梁眾多，橋梁間距較小，橋梁間距見表1.

表1 長江武漢段橋梁間距統(tǒng)計(jì)表

由表1可見，橋梁間距小是群橋河段的突出特征.白沙洲到天興洲不足25 km的武漢江面上就擁有橋梁7座，平均橋梁間隔不足4 km.洪水期武漢段營運(yùn)船舶下行航速約為20 km/h，2座橋之間的平均通行時(shí)間僅為12 min，船舶在橋區(qū)行駛時(shí)，需要避讓其他障礙物，可供船舶調(diào)整航向的時(shí)間較短，操縱時(shí)機(jī)較難把握，對船舶安全影響較大.

1.2 橋梁通航孔

群橋水域由于橋梁建造年份不同、設(shè)計(jì)理念不同，其通航孔跨度不盡相同，這就不可避免的造成通航孔交錯現(xiàn)象的發(fā)生.長江武漢段橋梁通航孔設(shè)置情況見表2.

表2 長江武漢段橋梁通航孔設(shè)置統(tǒng)計(jì)表

一跨過江橋梁幾乎不會對主航道中航行的船舶產(chǎn)生影響，除去一跨過江的楊泗港大橋和陽邏大橋，長江武漢段其他橋梁通航孔主跨寬度均不相同，這將導(dǎo)致在航道軸向方向上橋墩交替分布，通航孔交錯，在多座橋梁中航行時(shí)需及時(shí)調(diào)整航向.例如，武漢長江大橋建造年份較早，橋身為三聯(lián)連續(xù)橋梁，每聯(lián)3孔，共8墩9孔，每孔跨度為128 m；船舶從上游鸚鵡洲大橋通過長江大橋或者從下游二橋通過一橋時(shí)可能會需要調(diào)整航向以保證安全通過.

1.3 橋梁軸線

橋梁的中心線稱為橋軸線.由于航道走向變化、深泓變化、兩岸地理?xiàng)l件和交通規(guī)劃等原因，橋梁軸線一般不會在同一方向.橋梁軸線不平行造成的橋墩在橋梁軸線方向上交錯現(xiàn)象也是群橋水域的重要特征.白沙洲長江大橋橋軸線與正北的夾角約為52°；鸚鵡洲長江大橋橋梁軸線與正北夾角約為57°；二七長江大橋橋軸線與正北夾角約為44°，以上3座橋軸線方向的不同，直接將導(dǎo)致橋墩在橋梁軸線方向上不平行，使得局部通航環(huán)境更加復(fù)雜.

1.4 交通流

群橋水域一般出現(xiàn)在水路運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的城市，比如，武漢、重慶、南京等城市.在這些發(fā)達(dá)城市，船舶交通流較大，并且由于過江輪渡的存在，使得局部交通環(huán)境更加復(fù)雜，船舶需避讓航道內(nèi)其他船舶，加大了航行及操縱難度.交通流條件較為復(fù)雜也是群橋水域的一個特征.

2 群橋水域航路規(guī)劃建模

2.1 代表船型選擇

交通部《關(guān)于對武漢軍山長江公路大橋通航凈空尺度和技術(shù)要求的批復(fù)》指出“武漢至城陵磯河段屬通航3 000 t級海船、5 000 t級駁船組成的大型頂推船隊(duì)的航道”.根據(jù)交通部《全國水運(yùn)主通道總體布局規(guī)劃方案》，隨著三峽工程的實(shí)施，3 000 t級海船將通至城陵磯，由1 000～3 000噸駁船組成的總載重量達(dá)萬t的船隊(duì)通至重慶.因此在進(jìn)行群橋水域船舶航路規(guī)劃建模，特別是以長江武漢段為研究對象時(shí)，可以選取3 000 t級船舶為代表船型，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，3 000 t級貨船主要數(shù)據(jù)見表3.

表3 代表船型數(shù)據(jù)

2.2 橋墩建模

為了突出群橋水域特點(diǎn)，只考慮從白沙洲到天興洲之間的間距較小的7座橋梁，由于楊泗港大橋數(shù)據(jù)暫時(shí)難以獲取，暫不考慮楊泗港大橋.以白沙洲上游550 m處水域邊線為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以長江右岸直線為橫軸，其垂直方向?yàn)榭v軸建立坐標(biāo)系.

1) 單橋墩建模 由于武漢段橋梁的橋墩數(shù)據(jù)難以獲取，從安全角度出發(fā)，本文將所有橋墩都建模為圓形障礙物，直徑取橋面寬度.以橋墩的直徑除以船長實(shí)現(xiàn)量綱一的量化，具體橋墩模型直徑見表4.

表4 橋墩直徑統(tǒng)計(jì)表

2) 單橋橋墩建模 除去一跨過江的楊泗港大橋，白沙洲到天興洲的其他6座橋梁均由一定數(shù)量的橋墩組成，將單座橋橋墩建模為縱向上一系列障礙物，障礙物之間的距離為橋墩的距離.同時(shí)，為了計(jì)算方便，假設(shè)每座橋梁第一個橋墩均在岸邊，即每座橋梁的第一個橋墩中心處于橫坐標(biāo)軸上.同樣對橋墩間距進(jìn)行量綱一的量化處理，其結(jié)果見表5.

表5 橋梁跨度統(tǒng)計(jì)表

3) 群橋橋墩建模 不同橋梁的橋軸線不盡相同，因此其橋墩在橋軸線方向上成一定的角度分布.為了建立的模型更加符合群橋水域特征，將上小節(jié)建立的單橋橋墩模型按照橋梁軸線方向進(jìn)行組合，形成一系列不平行的障礙物群，障礙物橫向距離按照橋梁間距設(shè)置.橋梁間距見表6.

表6 白沙洲～天興洲橋梁間距統(tǒng)計(jì)表

2.3 橋墩紊流區(qū)建模

由于橋墩的挑流作用，在橋墩附近會產(chǎn)生紊流區(qū)，在橋區(qū)航路規(guī)劃時(shí)，應(yīng)該設(shè)立一定的安全范圍，以避開橋墩紊流區(qū).關(guān)于橋墩附近的紊流范圍，胡旭躍等[6-7]認(rèn)為，橋墩的紊流范圍與橋墩體型，以及水流的弗勞德數(shù)Fr密切相關(guān)．當(dāng)Fr從0.14變化到0.4時(shí)，順直航道圓形橋墩的紊流范圍從0.4D變化到2.6D(D為圓形橋墩的直徑)．如果橋墩建設(shè)在彎曲航道，當(dāng)Fr從0.10變化到0.18時(shí)，圓形橋墩紊流范圍從0.5D變化到2.6D．莊元等[8]給出了方形橋墩的紊流區(qū)寬度計(jì)算公式為

式中：Ks為系數(shù)，取0.8；θ為橋梁軸線與水流夾角；v為水流流速;h為橋墩附近水深.

長江武漢段橋梁橋墩類型不同，由于具體資料，可以將長江武漢段橋墩全部考慮為圓形橋墩，橋墩直徑可以按照橋梁寬度進(jìn)行估算.由于不同河段的水流流速不同，但從安全角度著想，考慮將紊流區(qū)安全范圍為2.6D.橋墩紊流區(qū)數(shù)據(jù)見表7.

2.4 安全富裕量

在實(shí)際情況下，由于風(fēng)、流等因素，船舶在航行時(shí)可能會產(chǎn)生漂移，因此，在建立安全范圍時(shí)，還應(yīng)該留有一定的富余量，防止船舶應(yīng)漂移進(jìn)入紊流區(qū)發(fā)生危險(xiǎn).借鑒《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中航道寬度計(jì)算模型，選擇6級風(fēng)以上，安全富余量可取船寬，經(jīng)量綱一的量化為0.15，也就是說在橋墩紊流區(qū)外面還需留有寬度為0.15的安全富余量.

表7 橋墩紊流區(qū)范圍建模

2.5 模型建立

為了方便后期研究，基于MATLAB軟件對群橋水域進(jìn)行建模研究，由于不同橋梁之間間距與橋墩距離等參數(shù)數(shù)量級差別較大，紊流區(qū)及安全富余量在圖中無法表示出來，只能大概繪制出橋墩所在位置，見圖1.

圖1 長江武漢段群橋水域橋墩位置示意圖

3 模型優(yōu)化

按照武漢橋梁實(shí)際情況建立的群橋水域模型雖然能比較真實(shí)的反應(yīng)武漢橋區(qū)情況，但模型在通用性等方面還存在著一定的問題.

3.1 局限性分析

在建模型中，不同橋梁間距與橋墩直徑、安全區(qū)域范圍值不在同一數(shù)量級.橋梁直徑數(shù)值一般在0.5L以下，通航孔寬度在7L以下，橋梁間距從(29～62)L不等，紊流區(qū)寬度在0.63L以下，富裕寬度為0.3L，數(shù)據(jù)數(shù)量級差距較大，無法在同一圖中表示，會對航路規(guī)劃模型計(jì)算精度產(chǎn)生一定的影響.

模型中部分橋梁通航孔寬度較小，比如武白沙洲大橋和天興洲大橋的2個靠近岸邊的通航孔，不能保證3 000 t級船舶的安全通過，沒有實(shí)際意義.

模型中選擇橋梁數(shù)目較多，造成坐標(biāo)系中障礙物過多，增加了航路規(guī)劃時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度.

3.2 模型改進(jìn)

1) 橋梁數(shù)量選擇 群橋水域的具有橋梁間距小、通航孔交錯、橋梁軸線不平行、交通流復(fù)雜等特點(diǎn)，選擇滿足上述特征的3～4座橋梁進(jìn)行建模即可，其他群橋區(qū)域可以分解為局部的3～4座橋梁分析.

2) 橋梁間距 按照目前武漢橋梁建設(shè)規(guī)模，橋梁間距一般都在20L以上，這樣的距離與橋墩半徑、安全距離范圍相差較大，為了能夠使模型具有描述近距離復(fù)雜環(huán)境障礙的能力，可以適當(dāng)縮小將橋梁間距，增加模型的選擇距離為(15～20)L.

3) 橋墩間距、紊流區(qū)及安全富余量 所建立的模型中橋墩間距、紊流區(qū)及安全富余量數(shù)值較小，與橋梁間距不成比例，為了方便后期計(jì)算，將橋墩半徑、間距、紊流區(qū)及安全富余量擴(kuò)大10倍.

4) 優(yōu)化模型

按照以上優(yōu)化方案，本文建立的群橋水域模型見圖2.

圖2 群橋水域建模示意圖

4 結(jié)束語

本文以長江武漢段群橋水域?yàn)槔?，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析了武漢段群橋水域的突出特征，對橋墩、橋墩

紊流區(qū)、安全富余量分別進(jìn)行了建模，在此基礎(chǔ)上建立了群橋水域模型.由于模型直接來源于長江武漢段橋梁，模型中橋梁間距與通航孔寬度、橋墩半徑、安全區(qū)域范圍數(shù)值存在著數(shù)量級差異問題，為了增加模型實(shí)用性和適用性，對橋梁數(shù)量、橋梁間距和橋墩間距、安全富余量進(jìn)行了優(yōu)化，得到具有較強(qiáng)適用性的群橋水域模型，為后期開展群橋水域相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ).

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[4]趙志舟，陳明棟，林 巧，等.長江菜園壩橋群河段通航條件試驗(yàn)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012(6)：1240-1243.

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[8]莊 元，劉祖源.橋墩紊流寬度的試驗(yàn)研究[J]．中國航海，2002(4)：5-8．

Study on Multi-bridges Water Area Characters Analysis and Modeling

XU Yanmin YANG Ke GUAN Hongxu LIU Qiang

(SchoolofNavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

To solve the problem of ship route planning in multi-bridges water area, the bridge navigation holes, bridge axis and the traffic flow of the multi-bridges in Wuhan are analyzed, it turns out that the multi-bridges water area is characterized by small bridge interval, staggered bridge navigation hole, different bridge axial and complex traffic flow. Based on bridge turbulent region and security surplus amount analysis, the multi-bridge model in Wuhan is established by dimensionless data. However, the model performance is suffered with data magnitude difference and bridges number, the new model, which has strong adaptability, is obtained after narrowing the data magnitude difference.

character analysis；multi-bridges water area modeling；bridge turbulent region；security surplus amount

2015-01-12

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：51109173)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號：2013-II-019)資助

U612.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.005

徐言民(1976- )：男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橥ê桨踩Ｕ?、船橋防撞、自動控制研?/p>