（交通信息工程及控制专业论文）内河水域取水工程船撞概率研究.pdf

独创性声明 | i i ii ii llrl , r l lr li i i ! i i j y 18 8 0 5 7 8 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：蝉日期：半m 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：勘伟导师( 答名) 。1 础日期缈争铜- j i 7 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着内河沿岸地区经济的发展、南水北调工程开工建设和西部大开发工程 的进一步推进，各种类型的内河取水工程不断投入建设，跨流域、跨省际调水、 农业用水、城市生活供水及工业用水、环保用水相应增加，内河水域取水工程 的建设步伐正在逐步加快。失控船舶一直是造成水上交通安全的一个重大危险 源。由失控船舶所造成的重大水上交通事故，在水上交通事故总数中占有很大 的比例。其中也不乏对取水口的安全构成威胁的水上交通安全事故。内河水域 取水工程一旦受到失控船舶的碰撞危险，将会给取水工程造成相当巨大的经济损 失。因此，对于内河水域取水工程船撞风险进行研究将变得日益重要。 虽然，目前国内外关于船撞桥方面的研究已经相当成熟，其研究方法和措 施也可以为取水工程安全评估和防船撞设计提供参考，但是综合考虑，桥梁和 取水工程还是存在着诸多方面的区别。首先，桥梁作为跨河江建筑物，难以避 免的会占用航道，而取水工程一般设置在岸边，不会占用航道；其次，船舶过 桥还受桥梁的净空高度与宽度的影响，船舶除了会与桥墩碰撞外，也可能与桥 梁上部结构发生碰撞，而船舶与取水工程的碰撞除了水面上的建筑外，还可能 与取水工程的水下结构物发生碰撞；最后，桥区水域与取水工程前沿水域的水 流条件也有所不同。 此外，从航道方面来说，针对取水工程的研究提供了取水工程在施工期间 和营运期间对航道的影响，根据这些影响有针对性的采取相关措施，将其影响 程度降到最低的范围内，从而确保船舶的航行安全；从取水口的建设者方面来 说，通过对取水工程的相关研究可以优化取水口的选址和建设的方案，能够将 取水工程对航道的影响降到最低，同时也可以将航行船舶对取水工程的影响降 到最低。 本文通过运用船舶失控漂移模型，在充分地考虑了风、流、偏航角对船舶 失控漂移的影响的前提下，建立了内河水域失控船舶撞击取水工程的一般概率 模型，通过该模型能够计算出内河船舶在航道内失控后碰撞取水工程的撞击概 率，撞击力的大小等。最后，以江西彭泽核电取水工程为实例，运用上述模型， 通过对不同船型不同工况下的危险区域进行叠加处理，并根据该河段船舶交通 流量和水上交通事故统计结果，得出了每种船型的年撞击概率和最大撞击力， 武汉理工大学硕士学位论文 从而为该取水工程的防船撞设计提供了一种参考。 关键词：内河水域失控船舶取水工程漂移量模型撞击概率 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to fi n l a n dc o a s t a la r e a s ，t h eu n d e rc o n s t r u c t i o n w a t e rd i v e r s i o np r o j e c ta n dt h ef u r t h e rp r o m o t i o no fw e s t e r nd e v e l o p m e n tp r o j e c t ， v a r i o u st y p e so fi n l a n dw a t e ri n t a k ec o n t i n u e dt ob ec o n s t r u c t e d ，c r o s s b a s i na n di n t e r p r o v i n c e sw a t e rt r a n s f e r , a g r i c u l t u r a lw a t e rs u p p l y , u r b a nl i f ew a t e rs u p p l ya n da c o r r e s p o n d i n gi n c r e a s ei ni n d u s t r i a lw a t e r ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nw a t e r , t h ep a c e o ft h ec o n s t r u c t i o no fw a t e ri n t a k ei ni n l a n dw a t e ri ss p e e d i n gu pg r a d u a l l y o u to f c o n t r o ls h i ph a sb e e nam a j o rh a z a r dw h i c hc a u s e sw a t e rt r a f f i cs a f e t y m a r i t i m e a c c i d e n t sw h i c hc a u s e db yd i s a b l e ds h i p sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o no ft h e t o t a l a m o n gt h e m ，t h e r ei ss o m ea c c i d e n t sw h i c hp o s eat h r e a tt ot h es a f e t yo fw a t e r i n t a k e i n l a n dw a t e ri n t a k e ，i n c a s eo fac o l l i s i o nr i s k ，ah u g ee c o n o m i cl o s s e sw i l lb e o c c u r r e dt oi n l a n dw a t e ri n t a k e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h es h i pc o l l i s i o nr i s ko f i n l a n dw a t e ri n t a k ew i l lb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a l t h o u g ht h er e s e a r c ha b o u ts h i pc o l l i s i o nw i t hb r i d g ei sa l r e a d yq u i t em a t u r ei n o u rc o u n t r y ，a n di t sr e s e a r c hm e t h o d sa n dm e a s u r e sc a ng i v er e f e r e n c et os a f e t y a s s e s s m e n ta b o u tw a t e re n g i n e e r i n ga n dd e s i g no fa n t i s h i pc o l l i s i o n ，i naw o r d b r i d g e sa n dw a t e rw o f k sa r eh a v em a n yd i f f e r e n c e f i r s t ，a sa r i v e rc r o s s i n gb u i l d i n g ， b i l g ei sd i f f i c u l tt oa v o i dt a k ec h a n n e l ，w h i l et h e w a t e rw o r k su s u a l l ys e to nt h es h o r e ， a n di tw i l ln o tt a k ec h a n n e l ；s e c o n d ，t h es h i pi sa l s oa f f e c t e db yt h eb r i d g ec l e a r a n c e h e i g h ta n dw i d t hw h e np a s sb r i d g e ，t h es h i pi sn o to n l yc o l l i s i o nw i t ht h ep i e r , b u t a l s om a yc o l l i d ew i t ht h eb r i d g es u p e r s t r u c t u r e ，a n ds h i pc o l l i s i o n sw i t ht h ew a t e r w o r k sb u i l d i n gm a yo ns u p e r w a t e rs t r u c t u r e sa n du n d e r w a t e rs t r u c t u r e s ；f i n a l l y , t h e w a t e rf l o wc o n d i t i o n sb e t w e e nb r i d g ea r e aa n dw a t e r 、v o r k sa r e aa r ed i f f e r e n t i na d d i t i o n ，s t u d yo fw a t e re n g i n e e r i n gf o raw a t e rp r o j e c td u r i n gc o n s t r u c t i o n a n do p e r a t i o no ft h ec h a n n e ld u r i n gt h ei m p a c t ，a c c o r d i n gt ot h e s ei m p a c t sa s s o c i a t e d w i t ht a r g e t e dm e a s u r e st om i n i m i z et h e i ri m p a c tw i t h i nt oe n s u r et h es a f en a v i g a t i o n o ft h es h i p ；t oe n s u r et h eb u i l d e r si nt e r m so fw a t e ri n t a k e ，t h r o u g ht h er e s e a r c h p r o j e c to nw a t e ri n t a k ec a no p t i m i z et h e l o c a t i o na n db u i l d i n gp r o g r a m s ，w a t e r i i i p r o i e c t st l l a tw i l lm i n i m i z et h ei m p a c to nt h ew a t e r w a y ， a l s o1 t l l m m l z et h em l p a c t b e c a u s es a i lt h es h i po nt h ew a t e r t ot h ep r o j e c t t h i sp a p e rb u i l d sac o m m o np r o b a b i l i t ym o d e lo fc o l l i s i o nw i t hw a t e r i n t a k e p r o i e c ti ni n n e rr i v e ra r e at h r o u g ht h ef l o a t i n gm o d e lo fs h i p o u to fc o n 仃o l ，mt u l l c o n s i d e r a t i o no ft h ew i n d ，c u r r e n t a n dy a wa n g l e t h ep r o b a b i l i t ya n dp o w e ro f c o l l i s i o nw i t hw a t e ri n t a k ep r o j e c tc a nb e c a l c u l a t e dt h r o u g ho u tt h em o d e l f i n a l l y ， t 妇gt h ej i a n g x ip e n g z ew a t e rn u c l e a rp o w e rp r o j e c ta sa ne x a m p l e ，t h e p a p e rd e a l s w n ht 1 1 ed i 脓e n tc o n d i t i o n so fd i f f e r e n ts h i pi nt h i sa r e a m e a n w h i l ea c c o r d i n g t ot h e s h i pt r a 伍cu n d e rt h er i v e ra n d w a t e rt r a f f i ca c c i d e n ts t a t i s t i c s ，t h ep a p e rc a l c u l a t e st h e a n 仙mp r o b a b i l i t ya n db i g g e s tp o w e r o fc o l l i s i o n ，t h u s ，g i v e ss o m ea d v l c ef o rt h e p r e v e n t i o no ft h ec o l l i s i o nw i t hw a t e r i n t a k ep r o j e c t k e yw o r d s ：i n l a n d w a t e r ；o u t 。f c o n t r 。1s h i p ；i n t a k ew a t e r ；m o d e l 。f m e “f c ； c o l l i s i o np r o b a b i l i t y i v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 论文研究目的、意义2 1 3 国内外相关研究现状及发展水平一3 1 3 1 拉森( i a b s e ) 模型3 1 3 2a a s h t o 指南模型4 1 3 3 欧洲规范模型5 1 3 4 昆兹模型。5 1 3 5 黄平明的模型7 1 3 6 戴彤字模型7 1 4 存在的问题7 1 5 本文采取的模型8 1 6 论文研究的主要内容9 第2 章取水工程概述与船撞风险分析1 0 2 1 取水工程的类型l o 2 2 取水工程选址的相关规范和标准要求1 0 2 3 取水工程对船舶通航环境的影响1 2 2 3 1 取水工程对水流的影响1 2 2 3 2 取水工程对航道水深的影响13 2 3 3 取水工程对航道冲於变化趋势的影响l3 2 4 过往船舶应与取水工程保持的安全距离1 3 2 5 取水工程船撞风险分析1 4 2 5 1 特殊环境下船舶误操作可能撞击工程的情况1 4 2 5 2 特殊环境误操作船撞可能性分析1 4 2 5 3 船舶失控后可能撞击工程的情况1 5 第3 章失控船舶撞击取水工程概率模型16 v 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 失控漂移模型1 6 3 1 1 模型的研究工况1 6 3 1 2 失控漂移模型介绍1 6 3 2 求取冲时t 的零船速的确定2 0 3 3 冲时与冲期总漂移量的确定2 1 3 4 失控危险区域的概念及边界点的坐标求取2 2 3 5 失控船舶撞击取水工程的概率计算模型2 4 3 6 失控船舶撞击取水工程的撞击力计算模型2 5 第4 章编程实现2 7 ， 4 1 工具选择2 7 4 2 编程路线2 7 4 3 具体实施2 8 4 3 1 环境窗体的创建2 8 4 - 3 2 计算窗体的创建2 9 4 3 3 绘图窗体的创建3 0 4 3 4m 函数介绍3 2 第5 章实例分析3 3 5 1 实例介绍3 3 5 1 1 江西彭泽核电一期工程项目简介3 3 5 1 2 该工程的研究工况3 5 5 1 3 工程水域水上交通事故调查与分析3 6 5 1 4 工程水域船舶交通流量观测与分析3 9 5 2 相应失控危险区域的面积求取4 2 5 - 3 失控船舶撞击概率和最大撞击力的求取4 3 5 4 年失控船舶撞击概率4 9 5 5 实例分析结论与建议4 9 5 5 1 实例分析结论4 9 5 5 2 防撞措施与建议5 0 第6 章论文研究结论与展望。5 2， 6 1 研究结论5 2 v i 武汉理工大学硕士学位论文 6 1 1 主要研究成果5 2 6 1 2 创新点5 2 6 2 展望5 2 致谢5 4 参考文献5 5 附录。：5 8 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着现代经济的飞速发展和交通运输业的进步，虽然说我国的水资源十分 丰富，但如此同时，又是很宝贵的，水资源的综合利用也日益重要，目前我们 对水资源的开发也是全方位的，在进行项目开发的同时一定要兼顾相关行业、 部门的影响，综合利用有限的资源，争取做到资源利用的最大化n ，。 单从航道的方面来说，针对取水工程的研究提供了取水工程在施工期间和 营运期间对航道的影响，根据这些影响有针对性的采取相关措施，将其影响程 度降到最低的范围内，确保船舶的航行安全；从取水口的建设者方面来说，通 过取水工程通航论证可以优化取水口的选址和建设的方案，能够将取水工程对 航道的影响降到最低，同时也可以将航行船舶对取水工程的影响降到最低2 1 。 国外对于此类问题的研究有时见诸于报道，典型的文献资料还是比较难以 查找得到的。二十一世纪初，国家有关部门开始下文要求对水上水下工程以及 施工作业对船舶通航环境的影响进行安全评估。对于在长江水域修建的取水工 程来说，目前还基本没有进行水域船舶通航安全管理的科学化、系统化和规范 化的研究，海事部门和航道部门也没有现成的管理规章来提供给所管辖的水域 通航船舶和施工企业，这给相关的安全管理工作埋下了隐患口1 。 与此同时，随着内河沿岸地区经济的发展、南水北调工程开工建设和西部 大开发工程的进一步推进，各种类型的内河取水工程不断投入建设，跨流域、 跨省际调水、农业用水、城市生活供水及工业用水、环保用水相应增加，内河 水域取水工程的建设步伐正逐步加快。随着科技进步，我国船舶的装备水平、 安全监督管理水平以及取水工程的建设与管理水平等，有了长足的进展，但与 此同时，船舶的大型化以及航速加快的变化趋势，使得船舶撞击取水工程事故 发生的可能性也大大地增加。失控船舶一直是造成水上交通全的一个重大危险 源。由失控船舶会所造成的重大水上交通事故，在水上交通事故总数中占有很 大的比例。其中也不乏对取水口的安全构成威胁的水上交通安全事故。内河水 域取水工程，如果受到失控船舶的碰撞危险，将会给取水工程造成相当巨大的经 济损失。因此，对于内河水域取水工程船撞风险进行研究将变得日益重要。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 论文研究目的、意义 随着南水北调工程开工建设和西部大开发的进一步推进，跨流域、跨省际 调水、农业用水、城市生活供水及工业用水、环保用水相应的增加，内河水域 取水工程的建设步伐逐步加快。尽管随着科技进步，我国船舶的装备水平、安 全监督管理水平及取水工程的建设与管理水平等，有了长足的进展，但与此同 时，船舶的大型化以及航速加快的变化趋势，使得船舶撞击取水工程事故发生 的可能性也大大增加。其中，船舶失控险情历来就是水上交通安全的重大隐患 之一，由船舶失控而引发的重特大水上交通事故，在水上交通事故总件数中占 有相当大的比重；其次，当地的一些小吨位船舶由于习惯沿岸航行也对取水工 程的安全构成威胁。而内河水域取水工程一旦受到船撞危险，所引起的经济损 失将会非常地惨重。因此对于内河水域取水工程船撞风险进行研究变得越来越 重要。 ， 同时，随着内河沿岸地区经济的发展，各种类型的内河取水口不断投入建 设。同时航运业也不断发展，船舶的吨位、航速不断增加。在越来越繁忙的内 河航道上，船舶与桥梁的碰撞事故时有发生，严重危及了通航安全，造成了重 大的经济和人员损失，船舶与取水工程的碰撞也有可能会发生。所有这些情况 都在提醒我们，应该对于取水工程防船撞问题加以足够的重视，并积极采取相 应对策，来化解风险。 虽然，目前国内外关于船舶撞击桥梁方面的研究已经相当成熟，其研究方 法和措施也可以为取水工程安全评估和防船撞设计提供一种参考，但是综合考 虑，桥梁和取水工程还是存在着诸多方面的区别。首先，桥梁作为跨河江建筑 物，难以避免的会占用航道，特别是桥墩更是对船舶的航路选择造成直接的影 响，而取水工程一般设置在岸边，不会占用航道；其次，一般船舶过桥还受桥 梁的净空高度与宽度的影响，船舶除了会与桥墩碰撞外，也可能与桥梁上部结 构发生碰撞，而与取水工程的碰撞除了水面上的建筑外，还可能与取水工程的 水下结构物发生碰撞；最后，桥区水域与航道边限外的水流和偏航角也存在着 很大的区别，船舶失控漂移的撞击模型也有所不同。 基于上述分析，对于内河水域失控船舶撞击取水工程的概率模型进行专门 的研究是十分必要的。 本文旨在通过数学建模，建立内河水域失控船舶撞击取水工程的概率模型， 通过该模型能够计算出内河船舶在航道内失控后碰撞取水工程的撞击概率，碰 2 武汉理工大学硕士学位论文 撞力的大小等。期望据此计算结果能对过往船舶的驾驶，船位的控制，航路的 选择提供参考，以及对于取水工程的防撞措施的设计，工程选址的合理性分析 等提供技术支撑，从而能够有效避免工程投入的人力、物力的浪费，以最小的 投入带来最大的社会经济效益。 1 3 国内外相关研究现状及发展水平 目前国内外，对于船舶撞击取水工程的研究很少。而类似地失控船舶撞击 桥梁方面的研究，已经日渐成熟。在1 9 7 1 年和1 9 7 4 年的工作中，f u j i i 运用了 数理统计的方法，分析研究了日本海峡中的船舶搁浅统计的事故，并得出了船 舶失控撞击桥梁的概率【4 j 。1 9 7 4 年，m a c d u f f 在评估船舶交通事故的时候，以船 船相碰的统计研究结果为基础，计算出了船舶相互碰撞的理论撞击概率。他们 的项目研究的共同之处就在于都是预先假设船舶杂乱地分布在水道内，并且失 控概率都是来自于这种自然状态下的假设，然而，一旦假设了一种更接近现实 情况的分布，那么这种概率估算就应当作出相应的改变。但是无论运用这个假 设来预测哪种条件下的碰撞或者搁浅的概率，这个独到的分布假设仍然是比较 实用的。他们的这两项工作的顺利完成也为以后的船桥碰撞研究打下了坚实的 基础，之后国内外也形成了一系列的概率计算的模型和方法，最为典型的有以 下几种： 1 3 1 拉森( i a b s e ) 模型 1 9 9 1 年，在俄罗斯列宁格勒召开的i a b s e 年会上，拉森( 0 d l a r s e n ) 主笔 撰写了一份船舶撞击桥梁的报告( s h i pc o l l i s i o nw i t hb r i d g e ) 。该报告以现 象学研究的角度为出发点，还尚属首次，拉森较为系统地归纳和总结了船舶撞 击桥梁研究的已有成果，并在此基础之上，他提出了一个一般性的包括四种情 形的船桥碰撞的概率数学模型。该船桥碰撞概率数学模型被i a b s e 接受并作为 i a b s e 的文件正式发表于1 9 9 3 年哺1 。 f = m ，_ ，p g j 七名j ( 卜1 ) ik 式中： n ；一按种类来分类船，每船类分别进行流量的统计； f 一桥梁每年发生碰撞事故的总次数，主要包括碰撞桥墩和桥梁板两个方 3 武汉理工大学硕士学位论文 面； r ；一“因果概率”，是指船舶在船桥碰撞的概率因果关系；他与某个特定 的船舶偏航角度，信道条件，船舶的类型，知名度，交通条件和其他 因素有关。 p f ；。一指船舶撞击桥梁后桥梁被毁坏的概率，即“毁坏概率 ； 心；。一它是指在一个航线上船舶碰撞的概率( k 为实际的桥位) ，通常由过 桥模型、船只，来确定轨道的几何分布，即“几何概率 ， 拉森模型计算的是船撞桥后桥梁毁坏的概率，应该去除桥梁倒塌概率才能 表征其真正的船舶撞击桥梁的概率。 1 3 2a a s h t 0 指南模型 1 9 8 0 年之前，对船撞桥的问题比较重视的国家为数不多，相关的研究也比 较少，美国也是一样。但是，自从1 9 8 0 年，世界上损失晟惨重的船撞桥事故之 一，佛罗里达州阳光大桥遭受艘空载3 5 万载重吨的散装货轮的撞击后，造成 了3 5 人丧生，价值2 5 0 0 0 万美元的桥梁倒塌，。这起事故，引起了整个美国乃 至世界改变了对桥梁安全问题的看法。人们开始逐渐重视船撞桥的问题，各种 非政府组织、机构开始逐渐加大对船撞桥研究的重视力度。1 9 9 1 年，在这样的 背景下，美国1 1 个州和美国联邦公路局( f i - i w a ) 制定出了船舶碰撞公路桥梁设 计指南。该规范是美国的第一部关于防止船舶碰撞公路桥梁的指导性设计规 范。随后这一文件被美国各州公路和运输官员协会a a s h t o 正式出版了，之后 a a s h t 0 采纳了一个由格林公司( g r e i n e r ) 研制，科威公司协助完成的桥梁年倒塌的 频率模型。该模型就是以后大家所熟知的a a s h t o 指南模型，该模型进一步地 推进了船撞桥问题的研究工作，该模型如下1 ： p = n 只e o p c ( 卜2 ) 式中： p 一桥墩每年被船舶撞击导致倒塌的频率； 只一船舶偏航概率，船舶由于各种原因导致偏离原航线而致使撞击桥梁的 偏航角概率，其取值受桥区船舶流、水文气象、航道等因素影响，其大小计算 方法可参照公式1 - 3 h 1 。 一每年该桥区船舶流量统计； b 一碰撞几何概率，该模型将其作为正态分布考虑； 4 武汉理工大学硕士学位论文 耳一桥梁每年被船舶撞击导致倒塌的频率。 只= b r r 口r c r 嬲r d ( 卜3 ) 式中： b r 一偏航基准概率，取值区分一般船舶和驳船，分别取0 6 1 0 q 与1 2 1 0 ； r r 一航道顺直修正系数； r c 、r x c 一水流修正系数； r d 一船舶流密度修正系数，按照船舶流的密度大小可分别取值1 0 、1 3 和1 6 三种情况。 整座桥的倒塌年频率应该为每个桥墩倒塌频率与桥梁构件倒塌概率之和。 国际航海协会常务会议p i a n c 在1 9 9 5 年，成立了一个专门研究船撞桥事故 研究的工作小组。该小组经过5 年研究工作建立的船撞桥事故的国际数据库表 明，人为失误是导致船舶撞击桥梁的主要因素，古总比例的7 0 。人为因素主要 包括船员的素质、职业技术能力、工作态度、人生观、价值观等。 1 3 3 欧洲规范模型 1 9 9 7 年，在欧洲规范模型统一规范第一卷第2 7 分册中，进一步地推进了 船撞桥问题的研究工作，该模型在以往的基础上提出了基于失效路径的积分算 法，来用于计算船桥碰撞的概率。模型把船舶碰撞桥墩的过程看成是一个非均 匀的泊松过程，如果假设泊松过程的失误概率为五( x ) ，那么时间t 内的碰撞概 率就可以表示为1 ： r ( 丁) = 甩开加i i 允( x ) r ( x ，y ) f ( y ) d x d y ( 1 - 4 ) 式中： p c ( 丁) 一时间t 内桥梁构件被撞至少一次的概率； 尸c ( x ，y ) 一在给定初始位置( x ，y ) 下的碰撞条件概率； 旯( x ) 一船舶单位航程的失误概率，可参照事故资料来确定； 厶一由于人员干预但仍不可避免撞桥的概率； 六( y ) 一在y 方向上船舶的航迹分布。 1 3 4 昆兹模型 国际桥梁界，于1 9 9 8 年再次召开专题研讨会来讨论研究船撞桥的问题，并 5 武汉理工大学硕士学位论文 在该会议上发表了论文2 0 篇，从而把船撞桥问题的研究工作进一步地推进了。 至此，国际桥梁界对于船撞桥问题的研究跨入了一个崭新的发展阶段。 德国的昆兹( c n k t m z ) 以船撞桥事故发生前船与桥墩的相互位置为基础上， 建立了一个船撞桥概率计算模型，该模型具有两个随机参数，也即k u n z i 模型。 该模型可以计算出船撞桥概率，根据船舶的年交通流量可计算出年碰撞的次数。 船撞桥概率公式为9 m0 j ： p ( o = n f 警形l ( s ) w 2 ( s ) d s ( 1 - 5 ) ，2 赤p 等卜 m 6 ， 删2 壶j e x p 舒卜 m 7 ) l ( s ) 2 ( c h ) 一巳( 伊2 ) ( 1 8 ) 形2 ( j ) = 1 一f 工( s ) ( 1 9 ) 式中： w 。( s ) 一船舶轨迹中能与桥墩发生碰撞事故的轨迹部分所占概率； 尸( 0 一在时间t 内发生一次或一次以上船撞桥事故的概率； 一d a 一每单位距离的船撞桥事故发生次数； 凼 一时间t 内船舶通过该桥的数量； w ，( 5 ) 一未能有效制止撞桥危险的概率； o r ，一船舶停车距离正态分布标准差。 盯。一偏航角正态分布标准差； 我国对有关船撞桥问题的研究在上个世纪九十年代以后才刚刚开始进行。 一些专家和学者通过调研、实地考察等方式、方法收集资料，并对资料进行分 析研究后提出自己的理论。或者结合大桥项目进行了桥梁防船撞设施的试验研 究与实践验证，并计算了船舶对桥梁的撞击力，并对桥区水域流场对船舶航行 安全的影响等进行了探索性地研究。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 5 黄平明的模型 2 0 0 0 年，我国著名学者黄平明等人，在研究a a s h t o 规范模型和k u n z i 模型等的基础上，提出了直航路上船舶撞桥的概率模型。该模型分析了直航路 上船舶航行的偏角分布，停船距离分布及船舶在偏航情况下碰撞桥墩的概率。 在该模型中，两个最重要的概念就是停车距离分布概率与偏航概率。根据统计 资料，该模型认为船舶停车距离分布为正态分布。因此，停不住船的概率与船 舶发生偏航并且与桥墩发生碰撞的概率之乘积即为该模型的船舶撞击桥梁的概 率。该模型也为今后有关研究和应用提供了一个很好的参考n 妇2 | 。 p = 瓦慨( i = 1 , 2 。3 )( 卜1 0 ) 1 3 6 戴彤宇模型 2 1 世纪初，我国本土学者戴彤宇在分析并研究长江干线航道上发生的船撞 桥事故。并对四十年来发生在国内的十余座长江大桥上的1 7 2 起船撞桥事故进 行统计分析与研究的基础上，得出了下列重要的结论：长江上行船撞桥的事故上 略呈增长趋势，单船的撞桥事故比船队发生的比率要大，单船占1 4 ，船队约 占8 6 。与人为因素、洪水、桥梁跨距、能见度等因素会影响船撞桥的概率， 尤其在洪水期船撞桥概率会比较大【l3 1 。在船撞桥的众多因素中，人员操作失误 占大部分的比例，大概7 8 以上。在此一年后，在大量调研的基础上，戴彤宇 又建立了我国包括长江、珠江、黑龙江等在内的水域的船撞桥事故的数据库， 共包了2 1 3 起事故，对国内、国外的船撞桥事故也进行了非常系统的综述。在 长江上的1 7 2 起撞船事故中，按撞桥的位置来区分，其中撞桥墩的有1 4 7 起占 8 5 ，而撞桥墩防撞装置的只有1 7 起占1 0 ，船舶撞上部结构的有8 起，占5 。 在研究船撞桥概率时可以应用了人工神经的网络系统的研究方法【1 4 1 ，并提出了 首次的后果当量的测出概率。 1 4 存在的问题 到目前为止，船舶撞击桥梁方面的研究，已经日渐成熟，但是，对于失控 船舶撞击取水工程方面的研究还是很少【15 1 。虽然，目前国内外关于船舶撞击桥 梁方面的研究已经相当成熟，其研究方法和措施也可以为取水工程安全评估和 防船撞设计提供一种参考，但是综合考虑，桥梁和取水工程还是存在着诸多方 7 武汉理工大学硕士学位论文 面的区别。首先，桥梁作为跨河江建筑物，难以避免的会占用航道，特别是桥 墩的布置，更是对船舶的航路选择造成直接的影响，而取水工程一般设置在岸 边，不会占用航道；其次，一般船舶过桥还受桥梁的净空高度与宽度的影响， 船舶除了会与桥墩碰撞外，也可能与桥梁上部结构发生碰撞，而与取水工程的 碰撞除了水面上的建筑外，还可能与取水工程的水下结构物发生碰撞；最后， 桥区水域与取水工程前沿水域的水流流向、流速和船舶航行时的偏航角也存在 着很大的区别，船舶失控漂移的撞击模型也有所不同。 目前，绝大多数的取水工程通航安全的研究工作都是从以下几个方面来研 究的【l6 】：( 1 ) 取水工程对水流的影响、取水工程对航道水深的影响、取水工程对 航道冲於变化趋势的影响；( 2 ) 航行船舶与取水工程之间应该保持的安全横距问 题；( 3 ) 取水工程水域船舶安全管理的建议与措施等。 而对于内河水域取水工程失控船舶船撞风险的分析，失控船舶撞击取水工 程的概率计算和撞击力的计算等方面的研究少有成果。为此，有必要对于内河 水域取水工程的船撞风险展开研究。 1 5 本文采取的模型 对于内河水域失控船舶撞击取水工程的概率研究，首先需建立失控船舶漂 移量计算模型，用于计算船舶自失控点失控后至取水工程时所产生的风致漂移 量、流致漂移量。本文采用武汉理工大学刘明俊教授于2 0 0 7 年建立的失控船舶 漂移量计算数学模型。 该模型通过对船舶失控后的运动状态，以及船舶失控后的航行轨迹都进行 分析的基础上，建立了船舶失控漂移模型，用于计算船舶失控后漂移到达的桥 梁时的漂移量。漂移量包括偏航角引起的漂移量、流致漂移量、风致漂移量等 组成。当船舶的舵、车突然同时失灵时，以至于使船舶处于失控状态，并且又 没有采取正确的抛锚措施的情况下，此时船舶的失控运动过程就可以拆分为两 个阶段，其中一个是惯性减速阶段，而另外一个是随流淌航行阶段。此模型首 次提出船舶失控的危险区域模型。船舶失控危险区域就是指船舶在桥区等水域 失控后因偏航角、流、风的作用下致使可能与桥梁发生碰撞所有失控点的集合。 当船舶在桥区航道内失控时，并不是所有航道内失控点都会与桥梁本体发生碰 撞。当失控点离桥梁很近，则可能会直接通过桥墩孔，若失控点离桥梁比较远， 则可能只会在到达桥梁之前就航行到岸边。若给定了特定的水文工况以及船舶 武汉理工大学硕士学位论文 在失控状态的各种参数，即可通过船舶失控漂移模型来求出船舶失控危险区域 的面积，再用该面积除以相对的航道面积即是船舶失控撞桥的概率。 本文，在系统地考虑风、流和偏航角对失控船舶撞击取水工程的影响的情 况下，通过船舶失控漂移模型，建立船舶失控危险区域、失控船舶撞击取水工 程的概率模型和碰撞力的计算模型，并经过实例分析进行模型验证，提出取水 工程防船撞措施和船舶航行安全管理的相关建议，从而为取水工程的选址，过 往船舶的航行和船位的控制提供一种参考。 1 6 论文研究的主要内容 本课题重在研究船舶失控后撞击概率和最大撞击力的计算。 ( 1 ) 调查了解内河水域取水工程的形式，工程选址的相关规范和要求，以 及其对船舶通航环境的影响； ( 2 ) 运用船舶漂移量数学模型对过往船舶与工程外边缘的安全距离进行计 算分析，提出过往船舶与工程外边缘应保持的安全距离，为安全防护措施提供 依据； ( 3 ) 运用船舶失控漂移运动模型，结合该水域船舶流量分布规律、水上交 通事故统计结果，船舶上、下行航路，以及取水工程区域地形、水流、风向、 风速等特点，对取水工程船撞风险进行分析，提出撞击概率和最大撞击力的计 算模型； ( 4 ) 将上述模型应用于江西彭泽核电取水工程，通过计算得出在不同工况 下的失控船舶撞击取水工程的撞击概率和最大撞击力，并对其进行比较和分析， 最后结合该段航道的船舶交通流量，水上交通事故的统计结果，得出船舶撞击 取水工程的撞击概率。 ( 5 ) 根据船撞风险分析、过往船舶与工程外边缘应保持的安全距离、长江沿 岸大型取水口的安全状态及防护措施的分析等研究成果，结合工程水域船舶通 航环境，提出保障取水工程安全的防护的措施与建议。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章取水工程概述与船撞风险分析 2 1 取水工程的类型 取水工程主要有无坝取水、有坝取水、水库取水、水泵站引水几种类型n 7 1 。 无坝取水的主要建筑物就是进水闸。为了便于引水和防止泥沙进入渠道， 进水闸一般应设在河道的凹岸。一般来说，取水角度( 引水渠道轴线与河流流 向的夹角) 应小于9 0 度。无坝取水的设计取水流量一般不超过河流流量的3 0 ， 否则，难以保证各用水时期都能引取足够的流量。无坝取水工程，虽然简单， 但由于没有调节河流水位和流量的能力，完全依靠河流水位高于渠道的进口高 程而自流引水，因此引水流量受河流水位变化的影响很大。必要时，可在渠首 前修顺坝，以增加引水流量。 有坝取水，是修建壅水坝或拦河节制闸而进行取水的方式。修建壅水坝或 拦河节制闸，来抬高水位，保证渠道能够自流取水。虽然此方法能调节河道水 位，但不能调节大流量。有坝引水与无坝引水相比较，其主要优点是可以避免 河流水位变化的影响，并能稳定引水流量。主要缺点是修建闸坝费用相当大， 河床也需有适合的地质条件。由于改变了河流的原来平衡状态，还会引起上下 游河床的变化。 水库取水的渠首工程一般是设在拦河坝附近，通过引水隧洞或涵管引水。 水库的作用，既可调节流量又可抬高水位。由于灌区位置不同，可采取不同取 水方式。 水泵站引水，是指在平原地区的下游河道，由于枯水位低于灌区高程，自 然条件或经济条件又不适合修建闸坝工程，只有修建水泵站引水灌溉。其引水 流量依水泵能力而定。 2 2 取水工程选址的相关规范和标准要求 根据取水许可管理办法，取水工程必须遵循以下几条原则： ( 1 ) 取水工程的排水中所含的主要污染物的浓度不能超过国家或者地方规 定的污染物排放标准； 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 取水工程的排水、退水应符合排入水域所限制排污总量的控制要求； ( 3 ) 不能因取水造成水量减少，从而可能使取水口所在的水域达不到水功 能区的水质标准的； ( 4 ) 取水工程的排水、退水不能使排入水域达不到水功能区的水质标准； ( 5 ) 不能在饮用水水源的保护区内设置入河排污口； ( 6 ) 取水工程的排水、退水应符合地下水回补的要求。 取水工程的设置除了符合以上的原则外，还应满足以下要求： ( 1 ) 退水地点、退水量和退水水质要求； ( 2 ) 水源地水