通航拱桥防撞设施设计优化试验研究

蔡新永，李晓飚，蔡汝哲

（重庆西南水运工程科学研究所，重庆400016）

通航拱桥防撞设施设计优化试验研究

蔡新永，李晓飚，蔡汝哲

（重庆西南水运工程科学研究所，重庆400016）

随着三峡水库175 m蓄水运行，位于三峡水库常年回水区的桥区，通航宽度进一步变窄，水深增加，桥拱脚高程较低，船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱，极易导致拱桥垮塌，为防止此类恶性事件的发生，桥梁防撞装置的建设就显得尤为重要。以万州长江公路大桥为例，在桥梁防撞设施设计中，应用小比尺船模技术，对研究成果进行定量和定性分析，提出了船舶碰撞防撞带不同位置，碰撞后降速的变化规律和船舶碰撞防撞带不同位置可能性的变化规律，为设计方案优化提供了可靠的数据和理论指导。

物理模型；小比尺船模模型；拱桥防撞

万州长江公路大桥为钢筋混凝土箱型拱桥，拱圈、立柱均采用矩形钢筋混凝土薄壁箱型结构，大桥实际极限抗撞情况的船舶吨位可按拱圈1 094 t、立柱（4#、5#）115 t考虑，大桥自身顺水流方向抗撞能力较弱。同时，三峡水库正常蓄水后，该桥位于三峡水库常年回水区。由于该桥拱脚高程较低，仅152.59 m，随着三峡水库175 m蓄水运行，大部分时间内大桥拱圈将被部分淹没，桥区通航宽度进一步变窄，水深增加，未来船舶载重也越来越大，一旦船舶失控或走偏航道碰撞拱圈和立柱，将极易导致拱桥垮塌，引发极为恶劣的安全事故［1］。为了更好的配合万州长江公路大桥防撞设施工程初步设计工作，论证工程设计方案的合理性和可行性，包括研究防撞设施对桥区河段通航条件的影响，研究典型船型在各种不同工况下撞击防撞带后，防撞带的防撞效果和船舶的状态（包括上爬、转向、翻转）以及结构运行的可靠性等，以优化该工程的设计。

万州长江公路大桥防撞设施工程采用弧形水上升降式防撞装置，该装置是一种新型的桥梁防撞装置，其主要特点是独立于桥梁设置，对桥梁进行区域性防护，可随库区水位自适应升降，并满足“三不坏”防撞要求。

1 自航船模与防撞设施碰撞试验研究

1.1 试验方案、航段及工况

采用自航船模［2-5］和整体水工模型相结合的方式（模型比尺为1∶100）研究不同通航水流条件下，不同船型撞击防撞带的典型部位时，防撞带的防撞效果和船舶的状态。万州长江公路大桥防撞装置代表船型为5 000 t级和1 000 t级货船，船模主要性能参数（见表1）。

表1 主要性能参数Tab.1 Main performance parameters

试验方案主要包括两个：（1）324 m通航净宽方案；（2）310 m通航净宽方案。船模碰撞试验流量工况及水位：（1）Q=28 400 m3/ s，h桥位=174.22 m，h坝前=175 m（吴淞）；（2）Q=56 700 m3/s，h桥位= 151.80 m，h坝前=145 m（吴淞）。

1.2 试验航向、碰撞位置及碰撞角度

船模碰撞试验，考虑到船舶下行碰撞桥梁的危险比上行大得多，所以主要研究下行的碰撞情况。根据有关规范和资料计算的结果，下行船舶碰撞防撞带角度为与桥轴线法线呈16°夹角。船舶碰撞防撞带的位置为［6］：（1）防撞带拱顶；（2）距拱顶1/8处；（3）距拱顶1/4处；（4）距拱顶3/8处（见图1～图2）。

图1 船舶撞击典型部位Fig.1 Typical parts of ship collision

碰撞角度：根据有关规范和资料计算的结果，下行船舶碰撞防撞带角度为与桥轴线法线呈16°夹角。由于防撞带呈弧形，船舶撞击防撞带拱顶、距拱顶1/8处、距拱顶1/4处、距拱顶3/8处四个位置时，船舶撞击相应撞击点的角度分别为16°、36°、56°和76°。

1.3 船模碰撞研究成果及分析

（1）324 m净宽方案试验情况（Q=28 400 m3/s，H桥位=174.22 m，航道最大流速1 m/s）

5 000 t自航货船（满载）碰撞防撞带拱顶船舶右侧上层建筑擦挂桥拱，危及大桥和船舶的安全。324 m净宽方案，防撞带距大桥两侧过近，船舶撞击防撞带拱顶时，上层建筑可能擦挂桥拱，不能确保大桥和过往船舶的安全。

（2）310 m净宽方案试验情况（Q=28 400 m3/s，H=174.22 m）

船模试验发现，324m净宽方案不能确保大桥安全，水工模型对布置方案进行调整后，又进行了310 m净宽方案的碰撞船模试验。

5 000 t自航货船（满载）碰撞防撞带：①碰撞防撞带拱顶（图3）：船舶与防撞带轻擦而过下行，船舶上层与桥拱未接触，也未出现船舶骑爬防撞带的情况；②碰撞防撞带距拱顶1/8处：船舶碰撞防撞带，碰撞力度大于撞拱顶，船舶略转向下行，船舶未出现骑爬防撞带的情况；③碰撞防撞带距拱顶1/4处：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/8处，船舶略后退，转向下行，船舶未出现骑爬防撞带的情况；④碰撞防撞带距拱顶3/8处（图4）：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/4处，船舶碰撞后，后退，船舶未出现骑爬防撞带的情况。

1 000 t自航货船（满载）碰撞防撞带：①碰撞防撞带拱顶（图5）：船舶与防撞带轻擦而过下行，船舶未出现骑爬防撞带的情况；②碰撞防撞带距拱顶1/8处：船舶碰撞防撞带，碰撞力度大于撞拱顶，船舶稍有侧倾略为转向下行，船舶未出现翻覆和骑爬防撞带的情况；③碰撞防撞带距拱顶1/4处：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/8处，船舶略为斜向上爬（约5～6 m），船舶未出现翻覆，也未与大桥发生接触；④碰撞防撞带距拱顶3/8处（图6）：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/4处，船舶碰撞后，上爬约6～8 m，船头未与大桥发生接触。

图2 防撞方案的立面图Fig.2 Elevation of collision avoidance scheme

图3 5 000 t自航货船碰撞防撞带拱顶（H= 174.22 m）Fig.3 Collision of 5 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H=174.22 m)

图4 5 000 t自航货船碰撞防撞带距拱顶3/8处（H=174.22 m）Fig.4 Collision of 5 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H=174.22 m)

图5 1 000 t自航货船碰撞防撞带拱顶（H=174.22 m）Fig.5 Collision of 1 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H= 174.22 m)

图6 1 000 t自航货船碰撞防撞带距拱顶3/8处（H=174.22 m）Fig.6 Collision of 1 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H= 174.22 m)

（3）310 m净宽方案（Q=56 700 m3/s，H=151.80 m）

在Q=56 700 m3/s，H=151.8 m时船舶碰撞防撞带不同部位碰撞防撞带与Q=28 400 m3/s，H=174.22 m时基本一致，由于船速有所加大，碰撞力度也略加大。

5 000 t自航货船（满载）碰撞防撞带：①碰撞防撞带拱顶（图7）：船舶与防撞带轻擦而过下行，船舶上层建筑与桥拱距离富裕，船舶未出现骑爬防撞带的情况；②碰撞防撞带距拱顶1/8处：船舶碰撞防撞带，碰撞力度大于撞拱顶，船舶略转向下行，船舶未出现骑爬防撞带的情况；③碰撞防撞带距拱顶1/4处：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/8处，船舶略后退，转向下行，船舶未出现骑爬防撞带的情况；④碰撞防撞带距拱顶3/8处（图8）：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/4处，船舶碰撞后，后退，船舶未出现骑爬防撞带的情况。

1 000 t自航货船（满载）碰撞防撞带：①碰撞防撞带拱顶（图9）：船舶与防撞带轻擦而过下行，船舶上层与桥拱距离富裕，船舶未出现骑爬防撞带的情况；②碰撞防撞带距拱顶1/8处：船舶碰撞防撞带，碰撞力度大于撞拱顶，船舶稍有侧倾略为转向下行，船舶未出现翻覆和骑爬防撞带的情况；③碰撞防撞带距拱顶1/4处：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/8处，船舶略为斜向上爬（约6～7 m），船舶未出现翻覆，也未与大桥发生接触；④碰撞防撞带距拱顶3/8处（图10）：船舶与防撞带碰撞，碰撞力度大于撞距拱顶1/4处，船舶碰撞后，上爬约8～10 m，船头未与大桥发生接触。

图7 5 000 t自航货船碰撞防撞带拱顶（H=151.80 m）Fig.7 Collision of 5 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H=151.80 m)

图8 5 000 t自航货船碰撞防撞带距拱顶3/8处（H=151.80 m）Fig.8 Collision of 5 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H= 151.80 m)

图9 1 000 t自航货船碰撞防撞带拱顶（H=151.80 m）Fig.9 Collision of 1 000 t cargo ship with collision avoidance vault(H=151.80 m)

图10 1000t自航货船碰撞防撞带距拱顶3/8处（H=151.80 m）Fig.10 Collision of 1 000 t cargo ship with 3/8 of collision avoidance vault(H= 151.80 m)

2 自航船模桥区通航试验研究

船模通航试验流量工况及水位：（1）Q=28 400 m3/s，h桥位=174.22 m，h坝前=175 m（吴淞）；（2）Q=37 800 m3/s，h桥位=147.72 m，h坝前=145 m（吴淞）；（3）Q=45 000 m3/s，h桥位=149.23 m，h坝前=175 m（吴淞）。

1 000 t干散货船（纵流型平头）：（1）上行情况：大桥设置防撞设施后，船舶通过桥区河段上行，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三种流量工况试验中，最大舵角分别为15.84°、17.13°和19.50°，均未达到船模试验舵角安全限值（25°）；最小航速分别为3.03 m/s、2.02 m/s和1.73 m/s，均明显优于船模试验最低航速安全限值（0.4 m/s）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三种流量工况时，只要谨慎驾驶，1 000 t船舶可较顺利地通过桥区河段上行；（2）下行情况：大桥设置防撞设施后，船舶下行通过桥区航道，在所进行的Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s时这三种流量工况船模试验中，最大舵角分别为11.03°、12.40°和15.91°，均远未达到船模试验舵角安全限值（25°）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q= 37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三种流量工况时，只要谨慎驾驶，1 000 t船舶可较顺利地通过桥区河段下行。

5 000 t干散货船（球鼻艏）：（1）上行情况：大桥设置防撞设施后，船舶通过桥区河段上行，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三种流量工况试验中，最大舵角分别为17.22°、20.46°和20.64°，均未达到船模试验舵角安全限值（25°）；最小航速分别为3.08 m/s、2.17 m/s和1.97 m/s，均明显优于通常船模试验最低航速安全限值（0.4 m/s），也优于三峡库区船模试验最低航速要求（1.1 m/s）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三种流量工况时，只要谨慎驾驶，5 000 t船舶可较顺利地通过桥区河段上行；（2）下行情况：大桥设置防撞设施后，船舶下行通过桥区航道，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q= 45 000 m3/s三种流量工况试验中，最大舵角分别为11.02°、12.83°和16.30°，均远未达到船模试验舵角安全限值（25°）。研究成果表明，在Q=28 400 m3/s、Q=37 800 m3/s和Q=45 000 m3/s三种流量工况时，只要谨慎驾驶，5 000 t船舶可较顺利地通过桥区河段下行。

3 结论

（1）324 m净宽方案，船舶碰撞防撞带：由于防撞带距大桥两侧过近，船舶撞击防撞带拱顶时，上层建筑可能擦挂桥拱（5 000 t自航货船尤为明显），不能保障大桥和船舶安全。

（2）310 m净宽方案，5 000 t自航货船碰撞防撞带时，船舶未出现侧倾、翻覆和骑爬防撞带的情况，船舶未接触大桥，没有危及大桥安全。

（3）310 m净宽方案，1 000 t自航货船碰撞防撞带时，船舶有一定的侧倾和骑爬防撞带的情况，但船舶未出现翻覆，也未接触大桥，没有危及大桥安全。

（4）船舶碰撞防撞带不同位置，碰撞后降速的变化规律：船舶撞击后的降速呈逐渐加大的趋势。船舶碰撞后降速越大，惯量损失也就越大，这说明，随船舶碰撞防撞带角度逐渐接近90°，撞击力度也逐渐增大。

（5）船舶碰撞防撞带不同位置可能性的变化规律：在船舶正常行驶时，一般不易碰撞防撞带，即使碰撞防撞带拱顶，也需操不小的舵角（14.75°～17.82°）才能实现，随着碰撞位置向防撞带根部移动，船舶驶向撞击点需操的舵角越来越大，撞击的可能性也就越来越小，撞击距拱顶3/8处时，船舶驶向撞击点用舵已接近船模试验最大舵角限值（25°），船舶撞击防撞带根部的可能性是很小的。

（6）在试验的三级流量水位时，防撞设施设置后，只要操纵得当，其桥区河段可满足1 000 t级和5 000 t级船舶的通航要求。

［1］蔡汝哲，蔡新永.万州大桥公路大桥防撞设施船模试验研究报告［R］.重庆：重庆西南水运工程科学研究所，2012.

［2］蔡汝哲.三峡工程通航建筑物布置研究的通航船模相似性问题分析（三峡水利枢纽工程应用基础研究一第二卷）［M］.北京：中国科学技术出版社，1997.

［3］蔡汝哲.在水工河工模型中应用小尺度船模试验方法探讨［C］//中国水利学会.国际高坝水利学术讨论会论文集.北京：［s. n.］，1988.

［4］GB 50139-2014，内河通航标准［S］.

［5］蔡创.三峡枢纽通航船模试验系统软件开发［J］.重庆交通学院学报，2001，20（2）：110-115. CAI C.The development of ship model test system software in navigation of the Three Gorges Project［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（2）：110-115.

［6］余葵，刘洋，吴俊，等.弧形水上升降式桥梁防撞装置防撞能力研究［J］.四川大学学报：工程科学版，2012，44（3）：31-35. YU K，LIU Y，WU J，et al.Preliminary study on the crash capability of round bridge anti-collision setting which lifts up and down with water level［J］.Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition，2012，44（3）：31-35.

Experimental study on arch bridge collision avoidance design optimization

CAI Xin-yong,LI Xiao-biao,CAI Ru-zhe
（Southwest Research Institute for Water Transport Engineering,Chongqing400016,China）

With the 175 m reservoir operation of the Three Gorges Reservoir,bridge area navigation width becomes further narrow,water depth increases,and the arch foot elevation is low.Collision of arch and post can easily lead to the collapse of arch bridge when ship is out of control or moving off the channel.In order to prevent the occurrence of such vicious incidents,the construction of bridge anti-collision equipment is particularly important.Taking Wanzhou Changjiang River Highway Bridge as an example,in the design of bridge anti-collision facilities,the research results were quantitatively and qualitatively analyzed by using small scale ship model technology.The changing law of the falling velocity after collision and change law of ship possibility in different position of the collision avoidance zone were presented.The reliable data and theoretical guidance were provided for the design optimization.

physical model;small scale ship model;arch bridge collision avoidance

U 641

A

1005-8443（2017）01-0045-04

2016-09-06；

2016-11-10

蔡新永（1983-），男，河北河间人，工程师，主要从事港口及航道工程方面研究。

Biography：CAI Xin-yong（1983-），male，engineer.