顺直航道矩形桥墩防撞范围的确定方法研究

戚建祥,艾万政，冯 娜

(1.浙江国际海运职业技术学院航海工程学院，浙江 舟山 316021；2.银川能源学院土木建筑学院，宁夏 银川 750105)

桥梁极大地改善了我国的运输条件，是我国交通网络的重要构成部分。20世纪80年代以来，我国跨江和跨海桥梁越造越多。据统计，国内主要的三大内陆通航水系，即长江水系、珠江水系和京杭运河水系，现有各种桥梁约300多座[1-4]。桥梁不仅给交通运输带来方便，更重要的是桥梁建设有效地促进了经济的发展[5-11]。如浙江沿海的东海大桥贯通了洋山港和上海南汇芦潮港,该大桥工程是上海国际航运中心的重要配套桥梁，为洋山深水港区的进出口货物运输以及通讯、供电、供水等提供了极大的方便，促进了该地区经济的发展。桥梁建设虽然对经济发展发挥了重要的促进作用，但同时桥区的通航水环境也是在桥梁建设时必须要充分考虑的，科学设置好桥区浮标和航道，以有效控制船舶的通航安全并避免船舶发生撞桥事故，否则桥梁会成为制约船舶通航安全的“瓶颈”。 如2001年12月26日，浙江绍兴一座55m的小桥梁遭黄沙船撞击而坍塌，造成船长死亡；2001年19月20日，“明月”轮撞击正在建设的响噍门跨海大桥，使桥墩损坏并导致施工延误，造成的直接经济损失近千万元；自2014年12月至2016年5月，广深高速公路桥梁碰撞触发报警的有效事件就有30次，较为严重的碰撞事件就发生了8次；2017年4月1号9时55分，一艘载有近千吨货物的货船在通过珠海市斗门区莲溪大桥时不慎撞到桥墩，导致莲溪大桥桥体发生不稳定的现象，桥上的自来水管道已破裂，货船倾斜[12]。以上交通事故的发生，虽然在很大程度上与驾驶人员的疏忽有关，但也与桥区浮标布置不科学有一定的关联性[13-15]。桥墩的防撞范围与桥区的航道布置密切相关，它是桥区浮标和航道布置的重要依据，桥区的浮标和航道必须要布置在桥墩防撞范围之外[16-19]。因此，有必要研究桥墩防撞范围的确定方法。本文基于数值模拟和回归分析法对顺直航道矩形桥墩防撞范围的确定方法进行了理论分析，并推导出顺直航道矩形桥墩防撞范围的经验计算公式，以为桥梁工程建设提供参考。

1 理论分析

在通航水域建设桥梁以后，由于桥墩的存在，水流结构会发生改变，桥墩附近存在“墩吸流”和“墩推流”。“墩推流”可以推动船舶远离桥墩，对船舶运动和桥梁而言相对安全，而“墩吸流”有诱导船舶撞桥的作用，因此其往往是船舶撞桥的重要诱因之一。因此本文将“墩吸流”距离桥墩表面的最大距离定义为桥墩的防撞范围。为了船舶和桥梁的安全，船舶不应闯入此范围之内；同时为了提醒船舶远离桥墩防撞领域区，桥墩附近往往也应设置有闪特定灯光的“桥浮”，以警示船舶远离该区域。已有文献研究表明，影响桥墩水流结构的重要因素是桥墩迎流面的特征宽度和附近水流的弗劳德数[17-21]，而影响弯道桥区附近水流弗劳德数的重要因素是弯道总流速。因此，影响桥墩防撞范围的因素是桥墩的特征宽度(桥墩在垂直于主流向的最大宽度)B和航道入流(轴线)的平均流速U，即

D=f(B,U)

(1)

式中：D为桥墩的防撞范围(m)，也即是“墩吸流”消失点距离桥墩表面的最大距离;B为桥墩的特征宽度(m);U为航道入流的平均流速，也即是桥墩附近的水流流速(m/s)。

为了确定桥墩的防撞范围D，本文拟通过数值模拟计算得出大量数据，再运用回归分析方法推导出矩形桥墩防撞范围D的经验计算公式。

2 计算模型的建立

顺直航道中的桥墩、航道和坐标系布置如图1所示(航道布置在“墩吸流”之外)。其中，X表示航道纵向方向(轴向)；Y表示航道径向方向。RNGk-ε模型适合于对管道或航道流态进行精确模拟，因此本文拟采用RNGk-ε模型对顺直航道的流态进行数值模拟分析。

图1 顺直航道中的桥墩、航道和坐标系布置Fig.1 Layout of pier,fairway and coordirate system in straight waterway

RNGk-ε模型的控制方程组如下[22]：

(1) 质量守恒方程(连续方程)：

(2)

(2) 动量守恒方程：

(3)

(3)k-方程：

(i=1,2)

(4)

(4)ε-方程：

(5)

边界条件的处理方法如下：①入流边界条件为两护岸之间河道的入流平均流速、湍流动能分布和湍流动能耗散率分布，其数学表达式为：uin=U、k=0.014 4U2、ε=k1.5/(0.25b)，其中U为航道入流的平均流速(m/s)，b为护岸之间的宽度(m);②出流边界条件为假设出流充分发展;③壁面边界条件为假设边界层流中无滑移，换言之壁面边界的速度和边界节点速度的分量一致。

3 顺直航道矩形桥墩防撞范围的经验计算公式推导

顺直航道矩形桥墩防撞范围D的数值模拟计算结果见表1。根据表1的数据，绘制顺直航道矩形桥墩防撞范围与相关因素(桥墩特征宽度B和航道入流的平均流速U)之间的关系曲线见图2。

表1 顺直航道矩形桥墩防撞范围D的数值模拟计算结果

图2 顺直航道矩形桥墩防撞范围D与相关因素之间的关系曲线Fig.2 Relationship between the anti-collision area D of retangular bridge pier in straight waterway and the related factors

由图2可以看出：顺直航道矩形桥墩的防撞范围D与桥墩的特征宽度B呈线性关系，且桥墩的特征宽度B越大，则矩形桥墩防撞范围D越大，这主要是因为桥墩迎流面的特征宽度B越大，水流在桥墩附近的绕流范围也越大，从而导致桥墩在航道方向上的“墩吸流”范围也越大；顺直航道矩形桥墩的防撞范围D与航道入流平均流速U大致呈幂指数关系，且航道入流的平均流速U越大，则矩形桥墩的防撞范围D也越大，这主要是因为：航道入流的平均流速U越大，水流在桥墩附近的绕流范围也增大，从而增大了“墩吸流”范围。

本文利用回归分析法拟合图2中的曲线，可得到顺直航道矩形桥墩防撞范围D的经验计算公式：

D=(0.56B+0.26)U0.35

(6)

公式(6)的实用范围为：桥墩的特征宽度B在0.5～4.5 m范围内，桥墩附近的水流平均流速在1～6 m/s之内。公式(6)虽然是一个量纲不一致的经验公式，但对实际工程具有指导价值。

当顺直航道矩形桥墩与航道入流的平均流速U之间存在一定的夹角β时(见图3)，则斜流条件下顺直航道矩形桥墩的特征宽度B′可以表示为

B′=Lsinβ+Bcoaβ

(7)

式中：L为桥墩长度(m);B为桥墩的特征宽度(m);β为航道入流的总流向与桥墩之间的夹角(°)。

由公式(6)可知，斜流条件下矩形桥墩的防撞范围的经验计算公式为

D=[0.56(Lsinβ+Bcosβ)+0.26]U0.35

(8)

4 结 论

桥墩的防撞范围与桥区的航道布置密切相关，桥区的航道和浮标应布置在桥墩防撞范围之外。数值模拟研究结果表明：顺直航道矩形桥墩的防撞范围与桥墩的特征宽度和桥墩附近的水流速度密切相关，即桥墩的特征宽度越大，顺直航道矩形桥墩的防撞范围也越大，且它们两者之间为线性关系；桥墩附近的水流流速越大，顺直航道矩形桥墩的防撞范围也越大，且它们两者之间为幂指数关系。利用回归分析法通过曲线拟合，得到了顺直航道矩形桥墩防撞范围的经验计算公式，可为桥梁工程建设提供依据。