牛湾特大桥通航安全评估

陈 兵，许肇峰，魏 斌，王勇平

(广东交科检测有限公司，广州 510550)

0 引言

近年来，船舶撞击航道桥梁的事故屡见不鲜，例如2017年8月超强台风“天鸽”从珠海正面登陆，事故造成社会船只横向撞击西部沿海高速公路磨刀门大桥水中桥墩[1]，致使桥梁严重受损，被迫封闭交通拆除重建，引发了社会舆论的持续关注，在造成巨大经济损失的同时也给相关管理部门带来了巨大的压力。统计分析表明[2]，造成通航桥梁倒塌的前四位原因分别为洪水、船舶撞击、设计失误和施工过程失误，因此对于航道桥梁，桥梁船撞安全是必须重点考虑的安全问题。

船舶撞击桥梁事故的影响因素众多[3]，包括桥区地质水文条件、区域气候天气、水域交通管理、桥梁自身结构特性和船舶驾驶者的能力素质等，在经费和精力有限的情况下，对以上所有影响因素进行掌握和控制是不现实的。因此在具体的桥梁管理工作中，选择哪些因素进行检测控制，如何通过这些有限的相关参数评估桥梁的通航安全状态，是一个非常迫切且具有实际意义的问题。

本文以新台高速公路牛湾特大桥作为工程背景，通过前期资料调查、现场参数检测及安全模型分析，介绍了公路桥梁通航安全评估的具体工作和评价准则。

1 工程概况

新台高速公路牛湾特大桥跨越潭江，属内河Ⅲ级通航桥梁，主桥为(55m+90m+55m)预应力混凝土连续刚构桥，全宽24.5m，分左右两幅。下部结构主墩采用Y型墩，其余桥墩采用整体双柱式桥墩。该桥于2001年建成，目前已运营17年。

图1 牛湾特大桥主桥桥型布置(单位：cm)

牛湾特大桥设一个主通航孔(设计通航宽度为70m)、两个辅通航孔(设计通航宽度为35m)，主通航孔的通航净空尺度按当时内河III 级的标准进行设计。主桥设计船舶撞击力横桥向1 800kN，顺桥向1 400kN。

牛湾特大桥所跨越的航道为“潭江”，其下游为崖门水道及崖门出海口，是珠江三角洲高等级航道网的组成部分。“潭江”航道沿岸水域经济发达、交通繁忙，大量过往船舶的通行给桥梁运营带来一定的安全隐患。近年来，仅记录在册的影响较大的船舶撞击事故就有2起，船舶分别撞击桥梁的R35-1#立柱和33#桥墩。按照设计及规范要求，牛湾特大桥仅允许1 000t级船舶通行，但根据广东省江门航道局新会航道分局2007年提供的资料显示，随着航运交通的发展，牛湾特大桥通航孔存在大量大于原设计吨位的船舶通行，记录到的最大船舶载重吨位为2 228t。

对于参照旧《内河通航标准》(GBJ 139-90)(以下简称《90标准》)建造的牛湾特大桥而言，现行的《内河通航标准》(GB 50139-2014)(以下简称《14标准》)关于航道、桥梁通航净空的相关要求已经发生改变，这加大了牛湾特大桥的运营风险。另外由于实际通航船舶等级大大超过设计通航船舶等级，牛湾特大桥面临船舶撞击抗力储备不足的风险。为了准确掌握牛湾特大桥的通航安全状况，急需对其展开相关安全评估工作，为桥梁的后期运营维护提供依据。

本次安全评估工作主要通过三个步骤展开：首先进行资料调查分析，对牛湾特大桥目前所面临的安全风险进行初步判断；然后进行现场检测分析，对一些关键性的风险参数进行检测识别；最后将资料调查和现场检测数据结果作为风险分析及船撞力计算的参数，对牛湾特大桥的风险现状进行评价。具体工作流程如图2所示。

图2 牛湾特大桥通航安全评估工作流程

2 资料调查与分析

2.1 航道调查

牛湾特大桥于2001年建成，以《90标准》作为设计依据，目前按照《14标准》进行运营管理。另外，根据竣工图纸及现场实测，牛湾特大桥的通航净空尺度现状、航道尺度现状见表1和表2。

表1 牛湾特大桥通航净空尺度现状

通过表1可见：

(1)除侧高外，牛湾特大桥的通航净空尺度满足原先《90标准》的要求。

(2)牛湾特大桥的设计通航净高为13m，满足现行《14标准》的要求。

(3)牛湾特大桥的设计通航侧高为5m，不能满足现行《14标准》6m的要求；设计通航净宽为70m，不能满足现行《14标准》110m的要求；设计通航上底宽为55m，不能满足现行《14标准》96m的要求。

(4)在现行《14标准》下，船舶撞击桥梁主梁的可能性很小，船舶撞击桥墩的可能性较高，这也符合已有的船舶撞击事故记录。

表2 牛湾特大桥航道尺度现状

通过表2可见：

(1)牛湾特大桥所处“潭江”航道现今的航道尺度满足原先《90标准》的要求，满足现行《14标准》的要求。

(2)航道宽度80m超过了桥梁设计通航净宽70m，航道交通受到桥梁设计通航净宽的限制。

2.2 通航交通量及船舶调查

通航交通量的调查通过桥梁实地视频监控和AIS信息服务平台区域监控两种技术同步进行。通过在牛湾特大桥主跨中央布设高清摄像机，监控大桥两侧过往船只，实现了对船舶交通量的连续实时监控。通过在中国海事局AIS信息服务平台上设置监控区域，抓取通过监控区域的船只信息，可以获取船舶ID标识、船型、船体尺寸、吃水深度等具体信息，进而可以估计船舶载重吨位。利用python技术编写爬虫程序，可以实现船舶记录的监控、数据整理全自动进行。

图3 牛湾特大桥通航船舶视频监控

图4 AIS信息服务平台区域监控

视频监控记录可以准确地统计船舶交通量，但是难以对船舶载重吨位进行判别；AIS区域监控可以完整地记录大型船舶的通行信息，但是可能会遗漏部分小型船舶。在实际调查中，综合运用两种技术手段、相互补充，得到了可信度较高的船舶交通量信息(表3、表4)，每天通过的船舶流量约为109艘次，通行船舶多为货船。

表3 牛湾特大桥交通量统计

表4 牛湾特大桥船舶类型统计

通过表3和表4可见：

(1)牛湾特大桥按设计可通航1 000t级别船舶，实际通航船舶在1 000t以下所占的百分比为97.25%，超过1 000t所占的百分比为2.75%。

(2)统计上平均每天都有超设计吨位的船舶通行，对牛湾特大桥安全运营较为不利。

(3)从船舶类型上看，牛湾特大桥主要通航各类货船，包括各类集装箱船只和运砂、运煤船只，占比达到95.41%。

需要指出的是，由于条件限制，本报告通航交通量调查的时间尺度为30d，并以该时间段内的样本容量对全年通航交通量进行推断。另外，通过交通量调查发现了以下风险信息：

(1)大吨位船舶(吨位超过500t)通过桥梁时的航速在3m/s附近，在航道交通受到桥梁设计通航净宽的限制情况下，绝大部分船舶在通过桥梁前没有采取制动减速措施。小吨位船舶(吨位小于500t)通过桥梁时的航速稍快，平均在3.5m/s附近。

(2)在牛湾特大桥副通航孔尚未开放的情况下，仍有部分船舶在其间通行。

(3)在牛湾特大桥主通航孔通航净宽不能满足《14标准》的情况下，仍有部分船舶选择在桥梁下方会船，违反了《广东省桥梁水域通航安全管理规定》。

2.3 码头调查

牛湾特大桥上游潭江北侧为开平市水口镇，其为广东省省级中心镇之一，上游潭江南侧为台山市大江镇。水口镇和大江镇经济发达、航运繁忙，在潭江沿岸均设置了大量规格不一的码头。通过调查和实地走访，将能停靠300t以上船舶的码头在图5中进行标识。

图5 牛湾特大桥附近码头分布

图6 牛湾特大桥上游裕海物流码头

通过码头调查，得到以下信息：

(1)在牛湾特大桥上下游20km范围内，上游码头数量较多，下游码头数量较少。

(2)各码头与桥梁的安全距离，在上游均大于4倍代表船队长度(640m)，在下游均大于2倍代表船队长度(320m)，满足《河港工程总体设计规范》(JTJ 212-2006)的相关规定。

2.4 上下游桥梁调查

对牛湾特大桥的航道通航条件进行安全评估，必须考虑牛湾特大桥桥位处上、下游相关桥梁的通航情况。牛湾特大桥所处航道为“潭江水道”，下游部分与“南坦水道”交接。

对于“潭江水道”，最小通航净高桥梁和最小通航净宽桥梁均为公益大桥。公益大桥共设置2个单向通航孔，通航净高为12m，通航净宽为45m，位于牛湾特大桥上游。

对于“南坦水道”，最小通航净高桥梁和最小通航净宽桥梁均为南坦桥。南坦桥共设置1个双向通航孔，通航净高为8m，通航净宽为62m，位于牛湾特大桥下游。

进一步调查牛湾特大桥下游的相关桥梁：黄宣充大桥(与小冈大桥并列)的主通航孔净宽101m、净高13m，辅通航孔净宽61m、净高10m；无限极大桥(与七堡大桥并列)的主通航孔净宽102m、净高13m。均大于等于牛湾特大桥的通航孔净宽70m、净高13m。

牛湾特大桥桥位处上、下游相关桥梁的平面位置及水道情况如图7所示。

图7 上下游相关桥梁位置

通过上下游桥梁调查，得到以下信息：

(1)从“潭江水道”上游经过牛湾特大桥的船舶，其需要满足公益大桥通航净空的要求，而公益大桥的通航净高和净宽均比牛湾特大桥净高和净宽小。需要注意的是，公益大桥共设置2个通航净宽为45m的单向通航孔，而牛湾特大桥仅设置1个通航净宽为70m的单向通航孔。因此，牛湾特大桥不存在船舶超高撞击主梁的风险，但存在船舶偏航撞击桥墩的风险。

(2)从“潭江水道”下游经过牛湾特大桥的船舶，由于黄宣充大桥与七堡大桥的通航净高为13m，与牛湾特大桥通航净高相等;同时，黄宣充大桥与七堡大桥的通航净宽均大于牛湾特大桥通航净宽，因此，牛湾特大桥不存在船舶超高撞击主梁的风险，但存在船舶偏航撞击桥墩的风险。

(3)经过“南坦水道”通过牛湾特大桥的船舶，由于南坦桥的通航净高和净宽均比牛湾特大桥净高和净宽小，因此，牛湾特大桥不存在船舶超高撞击主梁的风险，但存在船舶偏航撞击桥墩的风险。

2.5 桥梁附近航标设置情况调查

内河航标是船舶在内河安全航行的重要助航设施，考虑到牛湾特大桥所处河道弯曲程度较大，航标的合理设置是船舶安全通过桥梁水域的重要保证措施，因此有必要对桥梁附近航标设置情况进行调查。

根据广东省高速公路有限公司台山分公司和广东省江门航道局台山航标与测绘所提供的资料，牛湾特大桥上下游2km范围内的航标设置情况如下：

(1)牛湾特大桥上游689m左右配有一座沿岸标，牛湾特大桥下游568m左右配有一座过河标，如图8和图9所示。

图8 牛湾特大桥上游航标布置

图9 牛湾特大桥下游航标布置

(2)桥梁通航桥孔中央共设置桥涵标2座，上下游各一座。桥梁通航孔两侧主墩共设置桥柱灯16盏，如图10所示。

图10 牛湾特大桥桥涵标及桥柱灯

相关航标设置均符合《内河助航标志》(GB 5863-93)和省航道局有关航标设置质量等标准规范，航标日常维护工作由广东省江门航道局台山航标与测绘所实施。

3 现场检测与分析

3.1 河床扫测

本次安全评估以桥梁轴线为基准，进行了上游侧桥墩外25m、上游侧桥墩外5m、桥轴线、下游侧桥墩外5m、下游侧桥墩外25m五个断面的河床扫测工作。河床的现状资料见表5。

(1)对比2016河床高度,31#～37#墩对应上游侧5m河床变化值在-0.8m～0.4m区间；31#～37#墩对应桥梁中轴线处河床变化值在-0.1m～0.3m区间；31#～37#墩对应下游侧5m河床变化值在0.2m～1.2m区间。

(2)对比原地面高度,31#～37#墩对应桥梁中轴线处河床变化值在-1.9m～1.6m区间，考虑各桥墩桩底标高较深，河床标高变化对桥梁结构受力影响较小。

(3)牛湾特大桥下方河床总体保持稳定，航道维护质量较高。

3.2 航迹线观测

航迹线能反映过往船舶通过水域时的习惯航路，是水域水文环境、地理条件、气象因素、船舶操作人员素质等因素的综合反映，航迹线的分布能在一定程度上反映船舶撞击桥梁的风险量[4]。

本次航迹线观测采用GPS追踪过往船舶的习惯航路，共观测记录上下行各4条航迹线。从实测的航迹线可以得到以下信息：

(1)船舶的航行路线主要位于主通航孔，较为靠近33#主墩，船舶通过桥梁时存在一定的偏航现象。航迹线的中心区域距33#主墩中心37.5m，距32#主墩中心52.5m。通过实地考察，这可能是33#主墩较32#主墩更加接近江面中心所导致。

(2)33#主墩面临船舶撞击的风险比其他桥墩(柱)高。牛湾特大桥已有的两次船舶撞击事故中，船舶分别撞击桥梁的R35-1#立柱和33#主墩，可作为该结论的佐证。

(3)船舶通过桥梁时的航向基本垂直于桥梁轴线。

表5 新台高速公路牛湾特大桥历年河床变化

注：1.河床标高是根据测深参照点换算而来的；2.变化量为正值，说明本期河床位于上期河床线以上，即为河床抬升；变化量为负值，说明本期河床位于上期河床线以下，即为河床下切。

3.3 流迹线观测

流迹线是反映河流水文特征的重要参数，是无动力漂浮物仅在河水水力作用下运动的轨迹，直观显示了河水的水流方向、对河岸的冲刷等信息，在一定程度上能反映水流对船舶航行的影响。本次流迹线观测采用浮标法，从大桥上、下游500m处投放浮标进行流迹线观测。涨落潮各分别投放4个浮标，观测4条流迹线。

根据《通航海轮桥梁通航标准》(JTJ 311-97)条文解释2.0.4，以及《内河通航标准》(GB 50139-2014)条文解释5.2.1-5.2.3，桥梁轴线的法线方向与航道主流的交角超过5°时，会加大船舶操纵难度，增加船舶安全通过桥梁的风险。

从实测的流迹线可以得到以下信息：

(1)潭江水流受潮汐影响较大，在月中大潮2018年3月30日(农历二月十四)至2018年3月31日(二月十五)期间，潭江水流流向发生改变。

(2)潭江水流方向基本平行于两侧河岸，与牛湾特大桥轴线的垂线方向约呈15°夹角，这会加大过往船舶的操纵难度，增加船舶安全通过桥梁的风险。

根据《内河助航标志》(GB 5863-1993)关于桥区航道航标的配布要求，当桥梁位于弯曲河段上或水流流向与桥梁轴线的垂线之间的夹角超过10°时，在由上游驶向桥孔的航道上，应设置两对侧面标：第一对侧面标距离桥梁100～300m，第二对侧面标距离桥梁400～800m，每对侧面标的连线应与桥梁平行。必要时还可再增设侧面标，其与桥梁的距离可以根据具体条件适当增大，几对侧面标的中心线应与水流流向平行。据调查，牛湾特大桥桥体上已经设置了桥涵标和桥柱灯，但在其附近水域未设置侧面标，由于潭江水流方向与牛湾特大桥轴线的垂线方向约呈15°夹角，应考虑增设相应的侧面标。

3.4 流速观测

本次流速测量日期选择为2018年3月30日(农历二月十四)至2018年3月31日(二月十五)，在此期间进行26h连续观测，此时处于大潮，江水流速较快。在大桥附近布置2条测流垂线(分别位于曾被撞击的32#、35#桥墩附近)，进行两点同步流速、流向测量，具体流速测量结果见表6和表7。

通过流速观测，可以得到以下信息：

(1)潭江水流平缓，在布设测流垂线附近无急流、湍流存在。

(2)潭江水流的流速在时间尺度上受潮汐影响较大，在空间尺度上无明显规律。

(3)经统计分析，潭江水流平均流速在0.2 m/s～0.6m/s之间，变异系数基本在0.5～1.0之间，水流流速变化范围较小。

表6 32#墩附近流速统计

表7 35#墩附近流速统计

4 船舶撞击桥墩风险评估及撞击力计算

4.1 风险分析

参照美国AASHTO[5]的《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications》(2017年第8版)，桥梁各桥墩每年因船舶撞击倒塌的频率可按照以下公式计算：

AF=N×PA×PG×PC×PF

(1)

式中：AF为桥梁的年倒塌频率；N为根据船舶类型、尺度和装载情况分类的船舶年通航量；PA为船舶的偏航概率，表示代表船舶由于人员失误、机械故障、恶劣环境等原因而偏离正常航线，并可能会撞击桥梁的概率；PG为船舶的几何概率，用正态分布进行模拟；PC为桥墩被撞击后的倒塌概率；PF为桥墩防护调整系数，考虑桥墩防护措施或其他保护结构对桥梁倒塌概率的降低。

其中，船舶的偏航概率PA可定义为：

PA=BR×RB×RC×RXC×RD

(2)

式中：BR为偏航基准概率，依据通航船舶的类型取值；RB为桥位修正系数，依据桥区附近一定范围内航道的顺直、弯曲状况取值；RC为平行于船舶航线的修正系数，根据桥梁跨越水道的顺船向水流流速计算；RXC为垂直于船舶航线的修正系数，根据桥梁跨越水道的横船向水流流速计算；RD为船舶交通密度修正系数。

图11 船撞桥墩概率分布

船舶的几何概率PG可以定义为船舶靠近桥梁的区域已经失去控制而偏航的概率，属于条件概率。AASHTO规范把几何概率定义为正态分布密度函数曲线下阴影部分的面积，它以桥墩的宽度加上桥墩两侧各1/2船舶宽度为其界限，示意图如图11所示。

桥墩被撞击后的倒塌概率PC是许多变量的函数，如船舶大小、类型、速度、撞击方向等，PC也依赖于桥墩本身的抗冲击能力。AASHTO规范中PC是根据桥梁的极限抗力H与船舶撞击力的比值来确定的，H为桥梁抗力，P为船舶撞击力。

PC的取值分为以下几种情况：

当0≤H/P<0.1时，

PC=0.1+9×(0.1-H/P)

(3)

当0.1≤H/P<1.0时，

PC=1/9×(1-H/P)

(4)

当1.0≤H/P时，

PC=0

(5)

桥墩防护调整系数PF可以表述为PF=1-PP。PP为桥墩的保护程度，如果防护措施能提供100%的保护，那么PP=1。由于牛湾特大桥没有采取桥墩被动保护措施，取PP=0。

基于上述标准规范，计算船舶通过牛湾特大桥时发生碰撞事故的概率(表8)。

表8 牛湾特大桥风险分析结果

注：风险分析只对主桥(两主墩+两过渡墩)进行。

4.2 船舶撞击力计算

《内河通航标准》(GB 50139-2014)按照可通航船舶的吨级将航道划分为7级，并明确指出船舶的吨级按照载重吨(DWT)确定。

国内外规范在计算船舶撞击力时，通常使用船舶载重吨(DWT)或船舶重量这两个指标，而最大船舶重量=满载排水量吨=空载排水量吨+载重吨。船舶载重吨和最大船舶重量这两个指标之间并没有确切的关系，同济大学王君杰通过大量的数据统计获得了这两指标之间的拟合关系曲线，对于货船有y=1.799 73×x0.957 88，y为最大船舶重量，x为船舶载重吨。因此在实际进行船撞力计算时，采用表9所示的吨位数据。

表9 航道等级划分及船舶吨位

表10 主通航孔船舶撞击力计算

表11 辅通航孔船舶撞击力计算

注：为了对比的需要，在船舶撞击力计算时，撞击速度均取为3m/s。

船舶撞击力可采用以下4种规范进行计算：

(1)《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)。规范并没有给出桥梁船舶撞击力的计算公式，但是给出了漂流物横桥向撞击力的标准值计算方法，可作为参考：

(6)

式中:W为漂浮物重力(kN)；V为水流速度，此处考虑为航速(m/s)；g为重力加速度(m/s2)；T为撞击时间，取为1(s)。

(2)《铁路桥涵设计规范》(TB 10002-2017)。桥梁墩台考虑船舶撞击作用时，其撞击作用力可按照下式计算：

(7)

式中:F为撞击力(kN)；γ为动能折减系数，正向撞击时取0.3(s/m0.5)；v为撞击速度(m/s)；α为撞击夹角，正向撞击时取α=90°；W为船只或漂浮物重力(kN)；C1、C2分别为船舶和墩台的弹性变形系数，缺乏资料时可取C1+C2=0.000 5m/kN。

(3)《美国AASHTO-2017规范》。船舶对桥墩的撞击作用力可按照下式计算：

(8)

式中：F为撞击力(kN)；V为撞击速度(m/s)；DWT为船舶载重吨(kN)。

(4)《欧洲统一规范(Eurocode 1)Actions on structures》。轮船对桥墩的撞击作用力可按照下式计算：

(9)

式中：F为撞击力(MN)；V为撞击速度，对于内陆航道船舶取为3(m/s)；K为撞击时船舶与桥梁之间的相互作用刚度，对于内陆航道船舶取为5(MN/m)；M为船舶重量(kg)。

将牛湾特大桥主通航孔、辅通航孔的设计代表船型进行不同规范下的船撞力计算。

对比主桥设计船舶撞击力横桥向1 800kN和顺桥向1 400kN，依据规范计算的船舶撞击力远远大于设计安全值。且在通航交通量调查中发现，平均每天都会有载重吨超2 000t的船舶通行，桥梁安全运营面临一定的风险。

5 结论

风险评估结果表明，牛湾特大桥目前面临的主要风险因素如下：

(1)牛湾特大桥的通航侧高、净宽、上底宽均不能满足现行《14标准》的要求，航道交通受到桥梁设计通航净宽的限制，船舶撞击桥墩的可能性较高。

(2)牛湾特大桥平均每天通航船舶为109艘，其中超设计吨位(1 000t)的船舶比例为2.75%。

(3)潭江水流方向与牛湾特大桥轴线约呈15°夹角，这将加大船舶操纵难度，增加船舶安全通过桥梁的风险。

(4)船舶驾驶者经过桥梁时较少减速缓行、选择在桥梁下方会船、在尚未开放的辅通航孔通行等。