威海长会口海湾大桥通航评价

李永广，艾万政

威海长会口海湾大桥通航评价

李永广1，艾万政2

为防范船舶撞桥事故的发生，考虑长会口大桥的具体情况，从船舶操纵角度出发，运用理论分析的方法，从通航水深、通航净空高度、桥孔通航宽度3个方面评价长会口大桥水域的通航环境，提出该桥水域船舶通航的风、流条件及船舶尺度条件。

水路运输；大桥；通航；安全；评价

威海长会口海湾大桥建设地点位于山东省东部，胶州半岛南部，长会口海湾内，大桥西接文登市，东连荣成市，是威海市沿海公路的重要组成部分。桥址西端位于文登市的长会口东山，东端位于荣成市岳家村的北边张家山。长会口海湾大桥包括主桥及引桥，全长约1 791 m。设计最高通航水位2.83 m，最低通航水位-2.25 m(1985黄海高程)。单孔双向航道净空高度27.5 m,通航净空宽度190 m,单孔单向航道净空高度30.3 m,通航净空宽度135 m。长会口海湾大桥水域受风、流及潮汐影响较大，水文情况较为复杂。航道水域船舶航行较为频繁，通航环境复杂。大桥的建设客观上改变了该水域原有的通航环境和通航条件，对船舶航行安全产生一定的影响[1-3]。因此有必要对大桥通航环境进行评价，为安全通航提供指导。

1 桥区通航环境评价理论

对于桥区而言，水深、净空高度、桥孔宽度是确保船舶安全通航的重要前提[4-6]。桥区的水深至少应大于船舶的最大吃水和富余水深之和，否则船舶会搁浅。桥梁的净空高度应大于船舶水线以上最大高度，否则也无法通航。同样，桥孔宽度也应大于船舶的通航宽度。相关研究表明，桥孔宽度与交通事故密切相关，桥孔宽度越窄，发生撞桥事故的概率越高。但是桥孔宽度也不可能无限制加宽，因为这样会影响桥梁的设计安全。因此桥孔宽度应根据实际选择一个合理取值。决定桥孔宽度的因素包括：船舶的航迹带宽度、风致偏移量、流致漂移量、船间间距、船与桥墩的距离等[7-8]。

1.1 船舶航迹带宽度

如果船舶的船长为L、宽为b，船舶航行偏离航道轴线的夹角为α，则船舶航向所占的航迹带宽度Bts为

(1)

1.2 船间间距及船墩间距

船舶领域理论是20世纪60年代首先由日本学者藤井弥平提出的[6]，现普遍应用于分析船舶避碰原理及航行水域的船舶交通流量状况。船舶领域是一船驾驶员将其他船舶和固定物体保持在外的围绕该中心船的有效水域范围。该领域一般可认为是一个椭圆形，领域的大小与船舶尺度、航速，以及环境状况有关，对于桥区或限制水域，当船舶以正常速度航行时，其满域尺寸的平均值在船艏艉线方向上一般取6倍船长，横向上一般取1.6倍船长，为了保证船舶航行安全，领域和领域之间还应间隔一个领域，见图2。根据船舶领域理论，船间间距或可取值为：0.8(L1+L2)-0.5(B1+B2)。L1和L2分别为上下水船舶的船长；B1和B2分别为上下水船舶的船宽。船与桥墩之间的间距可取0.8L1-0.5B1或0.8L2-0.5B2。

1.3 船舶的流致漂移量

流对船舶操纵最大影响是使得船舶产生漂移。设船舶航行的方向与航道轴线的夹角(偏航角)为α，船速为V，流速为Uc，流与航道轴线的夹角(流向角)为β，S为计算航段长度。如果船舶沿航道轴线方向航行的距离为S，则船舶产生的横向漂移量ΔB1为

(2)

1.4 船舶的流致漂移量

船舶在航行中受风时，将向下风侧产生漂移，若以保向为前提，船舶航迹与航向并不一致，斜航中的漂角即风压差的大小取决于航行中的漂移速度与船舶纵向运动速度。考虑到船舶在受横风时，风动力作用对船舶影响最大，则航行中船舶因风致漂移速度可用下式计算[6]。

2 长会口大桥水域通航评价

2.1 通航水深和净空高度评价

威海长会口海湾大桥设计时确定的船型标准是2 000 t级和3 000 t级船舶通过。2 000 t级和3 000 t级的代表船型数据分别见表1、表2。长会口海湾大桥在平潮时的水深均能达到6 m以上，在有潮汐存在的情况下，桥区的平均高潮潮高可达3.47 m，平均低潮潮高可达0.94 m。而桥区设计的代表船型船舶的最大吃水5.3 m(见表2)。长会口海湾大桥水域的水深均大于代表船型船舶的吃水且保留一定的富余水深。因此，从水深角度看，大桥水域的水深完全能满足代表船型船舶的通航。长会口大桥净空高度27.5 m，3 000 t级代表船型船舶的水面以上高度一般不会超过27.5 m，从净空高度角度考虑，大桥净空高度完全能满足代表船型船舶的通航条件。

表1 2 000 t级代表船型资料

表2 3 000 t级代表船型资料

2.2 通航宽度评价

桥区的通航宽度包括船舶的航迹带宽度、风致偏移量、流致漂移量、船间间距、船与桥墩的距离。表3、表4在叠加计算以上参变量的基础上，得出了不同通航条件下所需要的航道宽度。表3、表4在计算风致漂移和流致漂移时均考虑了实际情况。其中偏航角按照3°取值，流向角按照5°取值，计算航段长度S按照500 m取值，船速按照3.09 m/s取值。

表3 单向通航评估结果(桥孔宽度135 m)

由于桥区的水深和净空高度均能满足3 000 t级船舶通航。对于通航宽度而言，通过分析表3、表4的计算结果，可以得出如下结论。

1)对于单向航行。拟建桥梁的设计通航净宽为135 m，对于设计最大代表船型(3 000 t级杂货船)，桥梁通航净宽完全能满足代表船型在6级风条件下通航安全的要求，并且桥孔还有一定的安全富裕宽度。

表4 双向通航评估结果(桥孔宽度190 m)

2)对于双向航行。拟建桥梁的设计通航净宽为190 m，在3级风条件下，对于2 000 t级散货船及3 000 t级杂货船，桥梁通航净宽完全能满足代表船型对驶通航安全的要求，并且桥孔还有一定的安全富裕宽度。

3)在6级风条件下，除以下3种情况外，桥梁通航净宽完全能满足代表船型对驶通航安全的要求，并且桥孔还有一定的安全富裕宽度：两艘2 000 t级散货船空载对驶(包括涨潮和落潮时)；一艘2 000 t级船舶与一艘3 000 t级船舶空载对驶(包括涨潮时)；两艘3 000 t级船舶对驶，两艘船舶均空载或其中之一空载对驶(包括涨潮)。

因此，对于单向通航而言，大桥桥孔宽度完全能满足通航要求；但如果要想让2 000 t级～3 000 t级空载船舶在双向通航桥孔顺利过桥，最好是选择风速小于3级的时候通过，当风速达到3级～6级之间时，双向通航的2 000 t级～3 000 t级空载船舶应尽量处于压载状态。

3 结论

对于桥区船舶安全通航而言，桥区的水深不能低于船舶的吃水及富余水深之和；桥梁的净空高度应不低于船舶水线以上的高度；确定航道宽度时应综合考虑代表船型船舶的航迹带宽度、风致漂移量、流致漂移量、船间间距以及船与桥墩之间的间距，通航桥孔宽度应不小于以上物理量的叠加之和。运用以上理论，对长会口大桥的通航环境进行了科学评价，评价结果认为，长会口桥梁净空高度和桥区水深均能满足代表船型船舶的通航要求，但当风速达到3级～6级之间时，2 000 t级～3 000 t级空载船舶在双向通航桥孔顺利过桥，应尽量处于压载状态。

在考虑船与桥墩之间的安全间距时，可运用船舶领域理论来取代我国相关规范的要求。因为船舶领域理论是在统计大量实践数据的基础上提出的，该理论充分考虑了船舶的操纵性，与实际更加相符。但是无论是船舶领域理论还是我国相关规范对船与桥墩之间的安全间距的规定，均没很好考虑桥墩紊流漩涡区对船舶通航的影响，因此，如何结合桥墩紊流去探讨桥区的通航宽度，也是一个值得研究的重要科学问题。

[1] 戴彤宇,聂武,刘伟力.长江干线船撞桥事故分析[J].中国航海,2002(4):44-47.

[2] 内河通航标准：GB50139—2004[S].北京:中国计划出版社,2004.

[3] 胡旭跃,沈小雄,程永舟,等.墩柱周围水流表层涡漩区宽度的试验研究[J].长沙理工大学学报,2004(1):39-42.

[4] 沈小雄，胡旭跃.航道边线与桥墩之间安全距离的水槽试验研究[J].水运工程,2004(11):85-87.

[5] 庄元,刘祖源.桥墩紊流宽度的试验研究[J].中国航海,2002(4):5-8.

[6] 刘明俊,艾万政,程志友.苏通大桥桥区水域船舶通航能力研究[J].船海工程,2006(4):80-85.

[7] OLSEN, N R B, MELAAEN, M C. Three-dimensional calculation of scour around cylinders[J]. Journal of hydraulic engineering,1993,119(9):1048-1054.

[8] RAUDKIVI A J. Functional trends of scour at bridge piers[J]. Journal of hydraulic engineering, ASCE,1986,112(1):1-12.

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；2.浙江海洋大学，浙江 舟山 316022)

Research on Navigation Evaluation of Changhuikou Bridge

LI Yong-guang1, AI Wan-zheng2

(1.Zhejiang International Maritime College, Zhoushan Zhejiang 316021, China;2.Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

In order to prevent the ship collision accidents of the bridge, considering the specific circumstances of the Changhuikou bridge, from view of ship maneuvering, the theoretical analysis method was used to evaluate the navigable environment in waterway around the bridge from the water depth, air-draft and bridge hole breadth. The wind and current conditions in this bridge waters were researched, so as to propose the navigable conditions of ship sizes.

water transportation; bridge; navigation; safety; evaluation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.045

2016-06-14

浙江自然科学基金(Y5110084)

李永广(1981—)，男，硕士，讲师研究方向:通航安全保障及航海教育

U676.1

A

1671-7953(2017)01-0185-04

修回日期：2016-08-01