（交通运输工程专业论文）内河大桥水域通航环境安全评价方法的研究.pdf

n e a rt h eb r i d g ew a t e r s at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i a n g x i ( t r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rf u y uh u i a s s i s t a n ts u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e r z h a n gc h i g a o j u l y2 0 1 1 脚6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事人学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部fj 或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权人连海事入学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采片j 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕十学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出 版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属丁： 保 密口在年解密后适用本授权书。 不保密9 ( 请在以上方框内打“ 论文作者签名：导师签名： 日期：如，f 年7 月多日 工建筑物的建设，但是随着时代的发展，有些已经不能适应现实要求，并且这些 标准中涉及到大桥水域通航标准的内容比较分散，没有形成一个完整的体系。在 此基础上本文展丌了对内河大桥水域通航环境安全评价方法的研究。 本文首先分析了国内外相关的研究成果，本文选择了模糊综合评价的研究方 法；接着分析了影响内河大桥水域通航安全的因素指标，建立内河大桥水域通航 环境危险度评价指标体系以及危险度评价等级；根据各评价指标对通航安全影响 重要程度的不同以及结合专家意见分析确立了大桥水域通航环境危险度评价标 准，设计了模糊隶属函数，应用模糊综合评价的方法建立了大桥水域通航环境危 险度的综合评价模型。利用该模型可以实现对大桥水域的综合分析以及危险度的 评价，从而掌握桥区通航环境的安全状况，一方面可对现有桥区通航安全状况做 出有效评价，另一方面为新建大桥进行桥址选择、通航论证提供有价值的参考方 法。并且本文以乐龙大桥水域通航安全评价为例对评价模型进行了印证，结果与 实际结果相符。研究成果将为内河大桥水域通航安全评估论证工作形成完整的体 系和行业统一标准做一些铺挚性的工作。 关键字：大桥水域通航环境；模糊综合评价；危险度等级；隶属函数 v o l u m eh a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ne c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t i nr e c e n t y e a r s ，an a t i o n w i d eb r i d g ec o n s t r u c t i o no fi n l a n dn a v i g a b l ew a t e r sr u s h i n g ( j u m p i n g q u i c k l y ) ，h a si m p r o v e - dt h er o a dt r a f f i cc o n d i t i o n s b u ta tt h es a m et i m ei tb r i n g s g r e a to b s t a c l e st o t h es h i p ss a i l i n gb e l o wt h eb r i d g e sa n dt h e r ee x i s t sd a n g e ro f c o l l i s i o np i e ro rs p a ns t r u c t u r e so ft h eb r i d g e ，i m p a c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fw a t e r w a y t r a n s p o r t a l t h o u g hr e l e v a n td e p a r t m e n t sh a v ea n n o u n c e ds o m ei n d u s t r ys t a n d a r d sa n d n a t i o n a ls t a n d a r d st oc o n s t r a i nt h ec o n s t r u c t i o no fh y d r a u l i cs t r u c t u r e sa c r o s sar i v e r b r i d g e ，s o m es t a n d a r d sa l r e a d yc a n ta d a p tt ot h en e e do fr e a l i t yw i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft i m e s ，w h a t sm o r e ，t h e s es t a n d a r d st h a ti n v o l v ei nb r i d g ew a t e r sn a v i g a t i o na r e d e c e n t r a l i z e da n df a i l e dt of o r mac o m p l e t es y s t e m b a s e do nt h ea b o v e ，t h i sp a p e r d o e sar e s e a r c ho nt h es a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o d so fi n l a n dw a t e rb r i d g en a v i g a t i o n e n v i r o n m e n t f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e l e v a n tr e s e a r c hr e s u l t s ， c h o s er e s e a r c hm e t h o d s ；t h e n ，a n a l y s e st h ef a c t o ri n d e xi n f l u e n c i n gt h es a f e t yo f i n l a n dw a t e rb r i d g en a v i g a t i o na n de s t a b l i s h e sr i s ke v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fi n l a n d b r i d g e w a t e rn a v i g a t i o ne n v i r o n m e n ta n dr i s ke v a l u a t i o n g r a d e s a c c o r d i n gt o e v a l u a t i o ns t a n d a r d s d i f f e r e n ts i g n i f i c a n c et ot h es a f en a v i g a t i o n ，c o m b i n i n ge x p e r t s o p i n i o n ，h a se s t a b l i s h e db r i d g ew a t e r sn a v i g a b l ee n v i r o n m e n tr i s ke v a l u a t i o nc r i t e r i a ， d e s i g n e df u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n s ，a p p l i e df u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m e t h o dt oe s t a b l i s ht h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lo fb r i d g ew a t e r sn a v i g a b l e e n v i r o n m e n t a lr i s kd e g r e e u s i n gt h i sm o d e lc a na c h i e v et h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s a n dr i s ka s s e s s m e n to fb r i d g ew a t e r s t h e r e f o r ey o uc a nm a s t e rt h es a f e t yc o n d i t i o n s o fn a v i g a t i o ne n v i r o n m e n ta r o u n db r i d g ea r e a s f o ro n et h i n g ，i ti s p o s s i b l e t o e v a l u a t et h es a f e t yc o n d i t i o n so fn a v i g a t i o ne n v i r o n m e n ta r o u n db r i d g ea r e a s ；f o r a n o t h e rt h i n g ，i tc a np r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c eo ft h es i t es e l e c t i o no fn e wb r i d g ea n d k e y w o r d s ：n a v i g a t i o n e n v i r o n m e n tn e a rt h e b r i d g ew a t e r s ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t ；r a n ko fr i s k ；m e m b e r s h i pf u n c t i o n 2 1 1 自然环境7 2 1 2 交通环境9 2 1 3 管理环境1 0 2 2 桥梁的因素。1 2 2 2 1 桥址的选择1 2 2 2 2 桥梁布置1 3 2 3 桥梁对通航安全的影响1 5 2 3 1 桥梁对通航环境的影响1 5 2 3 2 桥梁对船舶航行的影响1 6 第3 章内河大桥水域通航环境安全评价指标体系的建立1 7 3 1 评价原则1 7 3 2 模糊综合评价方法的概述一1 7 3 2 1 基本步骤1 9 3 2 2 方法的主要内容。1 9 3 3 评价指标体系2 1 3 3 1 评价指标的确立2 1 3 3 2 评价指标危险度等级的划分2 4 3 3 4 评价指标权重值的确定3 1 第4 章模糊综合评价方法模型3 5 4 1 评价指标体系3 5 4 2 危险度等级评价集3 5 。3 5 4 5 4 6 4 7 4 7 。4 7 一4 9 4 9 4 9 。5 2 - 5 2 第6 章总结与展望5 5 参考文献5 7 致谢6 l 一 内河大桥水域通航环境安全评价方法的研究 1 1 研究的背景 第1 章绪论 内河航运具有占地少、污染小、能耗低、运能大等独特优势，为沿江流域经 济社会发展提供了重要支撑与保障。2 0 0 8 年，珠江水系完成货运量3 4 4 亿吨，货 物周转量4 6 0 2 9 亿吨公里，主要港口集装箱吞吐量4 3 2 8 万t e u ，珠江水系完成 客运量、旅客周转量分别为2 1 7 8 7 万人、9 7 4 4 3 万人公里。2 0 0 8 年，长江干线完 成货运量1 2 2 亿吨，相当于1 8 条京广铁路。长江水系1 4 省市拥有水上运输船舶 1 5 万艘，长江干线省际运输船舶8 万多艘；干线港口货物年综合通过能力1 2 亿 多吨，集装箱吞吐能力7 6 5 万t e u 。长江干线承担了沿江电厂所需8 3 的电煤运 输、沿江钢铁企业生产所需8 0 的铁矿石，有力地促进了沿江钢铁、石化、汽车 等产业带的形成和沿江地区经济社会快速发展】。 建国以来，特别是改革开放以后，随着国家经济的快速发展，我国各种跨海、 跨桥梁等水上水下施工工程也同渐增多。据不完全统计，在宜宾至长江入海口的 接近3 0 0 0 公里的长江干流上，政府己兴建了宜宾、重庆白沙沱、湖北枝江等三座 铁路桥和武汉、九江、南京等三座公铁两用桥以及其他2 8 座公路桥。再加上近年 内相继开工和列入建设规划的大桥和正在进行可行性研究，未来1 0 年内，预计长 江上的大桥将突破10 0 座，平均桥距不足3 0 k r n t l 】【2 】。 在珠江流域，随着广东经济的发展和第十六届广州亚运会的召开，近三年来， 广东路桥建设达到空前的规模，以佛山市为例，这两年来每年在建的跨通航水域 的桥梁都在3 0 座以上，这些工程的建成通车，在很大程度上解决了两岸的交通问 题，为两地区的交流提供了便利，也促进了当地经济发展。但是，由于工期紧， 工程任务重，很多桥梁的前期建设决策、设计都存在着问题，由于对桥区水域认 识不足，对区域的水文特点、河床、海床演变规律考虑不周等原因，从而选取了 不理想的桥位，桥墩和跨桥布设也不近合理，这样就使得桥区和该水域的通航环 境恶化，从而增加了船舶航行的难度，增加了安全事故隐患，严重的还会导致人 第1 章绪论 伤亡、船毁、桥损的重大安全事故，造成国家和人民生命财产的重大损失。以笔 者所在的顺德区为例，2 0 0 8 年一2 0 1 0 年两年间，在建的桥梁1 3 座，每年在建桥区 水域事故1 2 起，2 0 0 8 年，佛山九江大桥更是发生了一起举世瞩目的船撞桥事故， 九江大桥断裂，9 人死亡。在长江流域，情况也不容乐观，如湖北境内的黄石长 江大桥桥址选在了航道弯曲且水运繁忙的区域，导致该桥区在不足1 5 0 天的时间 内，就发生了1 6 起船桥相撞事故，沉船9 艘，造成了直接经济损失达数百万元。 另外，根据国际桥梁和结构工程协会的统计资料，从1 9 6 5 年至1 9 9 0 年的三十多 年间，全世界平均每年仅发生一起船桥相撞事故，而在我国的武汉长江大桥，每 年平均会发生1 7 起船桥相撞事故b 1 1 上述事故表明，内河水域面临着船撞桥风险越来越大的趋势。例如桥梁越建 越多、越建越长、越建越大；船舶数量与船型尺度不断增加，吨位更大，航速更 高；危险品运输呈快速增长态势。因此，在建桥前，最重要也是极其必要的一项 工作就是对拟建桥区水域的通红状况进行系统全面的分析、研究与评估论证h 。 近年来，随着内河通航标准( g b 5 0 1 3 9 2 0 0 4 ) 、内河航道及水文规范( j t j 2 1 3 9 8 ) 等国家标准和行业规范的出台，对桥梁等水工建筑物的建设起到了一 定的约束作用，这些标准都从某些方面规范了水工建筑物的建设要求。但是随着 经济、社会的发展，有些标准和规范已经不再适用当今的要求，并且这些标准中 涉及到的有关桥区水域通航标准的内容比较分散，并没有一个完善的体系要求。啼1 呻1 。另一方面，我国对船撞桥问题的研究目前主要集中在某些专题上，如船撞力 以及船舶或桥梁的响应问题，桥墩防撞设施问题等方面，尚缺乏全方位的研究例。 我们不得不面对现在这种严峻的现实情况，并且我们已经意识到改善大桥水 域交通安全状况是一项具有现实意义的重要工作。基于以上几点的考虑，本文以 内河桥梁通航环境为研究对象，以本人辖区内北江乐龙大桥水域的通航环境为评 价实例，通过研究该水域的通航情况，分析影响航行安全的不利因素，以期建立 一个有效的安全评估模型来分析评价桥区通航安全状况，一方面可以为现有桥区 通航状况作一个有效的评价，另外还能为新建大桥的选址、通航论证等工作提供 一种有价值的参考方法。 2 内河人桥水域通航环境安全评价方法的研究 1 2 研究的目的和意义 随着我国经济社会对道路交通发展的需要，国内交通事业迅速发展，承担水 路运输的内河桥梁工程日益增多。桥梁的建设方便了两岸的交通往来。但却为内 河航运造成了不利影响，尤其是在前期桥梁建设的设计、决策中，由于工程设计 人员对桥区水域认识不足，对水流特性、交通状况考虑不周，现有的标准规范不 适合工程的要求，缺乏系统的桥区水域通航标准，没有统一的评估体系，导致桥 位选择不理想，跨桥和桥墩布设不合理等，恶化了通航条件，增加了船舶航行难 度。本课题研究的目的在于通过分析研究影响桥区水域通航安全的因素以及用于 水上( 或港口) 通航安全评价的通常方法，根据桥梁水域通航安全评估的特点确 定一种合适的用于内河大桥水域通航环境安全评价的方法，通过对安全评价方法 的深入研究，为内河大桥水域通航环境安全评估建立一个合适的评估模型，作为 新建大桥进行桥梁的桥址选择、通航论证一种有价值的参考方法，对由于桥梁建 设产生的船舶航行的不良影响提出保障措施。同时可对现有大桥水域通航安全状 况作出有效评价。本研究成果对内河大桥通航环境安全评估论证工作做了一些铺 挚性的研究，对统一行业评估标准和完善评估体系起到一定的参考作用。另外， 本研究对于加强水域安全监督管理、促进水上资源合理利用并保护有限的通航资 源以及实现航运的可持续发展等具有重要意义。 1 3 国内外研究的现状 1 3 1 国外研究现状 水上交通安全评价最早是由英国的a n c o c k c r o f t 、g r g l e w i s o n 、m j b a r l a t t 、e m g o o d w i n 、荷兰的v a n d e rt a k 、德国的k w i k 和日本的藤井 等水上交通工程研究者将安全评价引入到水上交通工程领域。 在航行环境安全评价领域，日本的海上交通工程学专家、学者通过利用海上 交通模拟、操船仿真模拟等方法取得了一些进展和成果。如小林弘明在参考文献 8 中，将操船困难度作为影响航行环境安全的评价方法，该方法将船舶操纵特性的 第1 章绪论 变化随船型、船长、自然条件、航行水深等因素的变化对操船者操船能力的影响 来定量评价整个海域的操船困难度；新井康夫在参考文献 9 中，给出了对操船能 力的自然环境要素的量化指标值，并对所给的这些指标与操船者的主观操船感觉 的关系进行了验证，为客观判断各要素的影响，以及改善航行环境的对策的选取 提供了科学依据；井上欣三在参考文献 1 0 一文中，从船舶航行于该水域期间与 它船会遇的机率的大小和每次会遇给操船者增加的负担量这两个方面处理了某水 域潜在的碰撞危险度，并以此作为定量表示该航行环境下的船舶航行潜在危险水 平的指标；另外，参考文献 1 1 一文中，井上欣三通过定量计算操船环境压力值 和航行环境压力值，提出了一种基于环境压力模型的操船困难度的评价方法。 1 9 9 3 年国际海事组织( i m o ) 海上安全委员会( m s c ) 第6 2 届会议上，英 国海事安全局提出了将综合安全评价法( 即f s a ) 应用于船舶安全领域的议案， 将f s a 引入水上交通安全评价中来n 羽。 1 3 2 国内研究现状 我国的航行环境安全评价研究工作虽然这些年取得了一些成绩，但是相关的 研究总体上还是定性较多，定量评价的较少。特别是对于内河航道航行环境安全 评价的工作，目前仍处于起步阶段。虽然有学者开展过长江干线水域通航环境相 关研究工作，但是针对大桥水域的研究比较少n 3 j 。 吴兆麟教授领导的大连海事大学安全评价小组提出了一种安全评价方法：“安 全指数法。“町该方法采用的评价交通安全状况的指标为在某一期间内某水域所 发生的船舶交通事故数与该期间内船舶活动量的比值。安全指数法的提出，解决 了港口间横向可比性的问题，并利用标准船的概念将船舶活动量采用统一换算出 的船舶活动量替代；同时，为解决不同时期内同一港口或水域的纵向可比性的问 题，利用综合换算事故数替代船舶交通事故数。安全指数法的提出是安全评价工 作的一次进步和飞跃，该法已经在我国烟台港进行试点，并已在我国各主要沿海 港口、临海内河港口进一步加以应用。 邵哲平的博士学位论文海上交通安全评价模型及仿真应用的研究n 副，应 用模糊控制系统( f i s ，f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) ，对地形条件、航行环境、交通 4 内河人桥水域通航环境安全评价方法的研究 环境、船舶因素和人的因素分别进行综合评价。然后运用基于自适应网络的模糊 推理系统a n f i s ( a d a p t i v en e t w o r k b a s e df u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) 。大连海事大 学吴兆麟、马会在参考文献 1 6 中，利用灰色统计评估和灰色聚类的方法，定量 分析了港口各航道及整个港口航道水域操船环境的危险度。郑中义、吴兆麟教授 在参考文献 1 7 中，应用灰色聚类系统理论指标定权方法，分析选取了八种影响 港口船舶航行安全的环境指标，并基于此对我国沿海十个港口船舶航行环境的危 险度进行了评估。郑中义、陈新、黄忠国发表的通航水域危险度评价模型n 引， 文章运用模糊综合评判的方法，建立了包括航道自然情况指标、水文气象指标、 交通状况指标、航行支持指标等四项内容的评价指标体系，确定权重时采用了以 灰色关联分析和因子分析的综合方法，使用该方法可对评估特定水域。赵仁余教 授在参考文献 1 9 中，提出了多层次模糊综合评判法来评估水域交通危险度。该 方法是基于事故统计资料的分析，取得了很理想的评价效果。 本文在综合研究目前用于水上安全评价的方法基础上，结合本研究的实际情 况，采用模糊综合评价的方法来实现对内河大桥水域这一特定水域的通航环境的 安全评价。 1 4 本文主要研究的内容 本文根据我国经济社会发展过程中出现的日益增加的桥梁工程由于在规划、 建设时没有很好的兼顾内河水域的具体情况以及内河航运的长期发展规划，致使 恶化了内河大桥水域的通航环境，给航运船舶的安全航行造成了隐患，甚至严重 阻碍了内河航运的可持续发展。本文旨在建立一个大桥水域通航环境安全评估的 方法，避免以上类似情况的出现以及对现有大桥水域通航环境安全进行评估，为 海事等部门进一步加强大桥水域的管理提供参考。本文从以下几个方面进行了研 究。 第1 章绪论 6 内河大桥水域的通航环境般是指通航水域本身及其周围的自然和人为情 况。该内河通航环境包括以下几个方面：航行水域的自然状况，包括气象水文、 地理环境情况等；水域航行情况，包括船舶交通流量、船舶密度和通航秩序情况 等；导航通讯的情况等。 导致内河大桥水域的通航环境出现交通危险的因素中，既有直接因素，也有 间接因素心0 。2 ，其中，直接因素主要指水域自然环境方面的因素，而间接因素主 要包括了人的因素、设施状况以及服务水平方面等。这些直接或间接的因素都被 列入影响交通环境安全的风险因素。 2 1 大桥水域的通航环境因素 2 1 1 自然环境 环境因素对船舶的航行安全有着直接的影响，内河水域每年因水文、气象等 因素而导致的交通事故频发，各类事故层出不穷，特别是在枯水季节。环境因素 造成事故的类型主要分为两类：一是气象因素，包括强风、能见度不良等因素影 响；二是航道因素，如航道的转弯、水深限制、碍航物影响等等。 2 1 1 1 气象条件 能见度因素会导致船舶速度下降或是停航，其对水上交通安全和交通效率的 影响较大。能见度不良时，极易发生碰撞、搁浅或触礁事故，严重影响了水上交 通行为。有学者做过长江上能见度对通航安全影响的统计分析工作，他通过对在 特定能见度下，1 0 0 0 小时内所发生的船舶交通事故的统计分析，得出了以下的结 论：船舶航行安全在能见度小于4 千米时会受到一定的影响；当能见度低于l 千 米时，其对船舶交通安全的影响程度增大，此时的能见度定为危险能见度。除了 能见度不良的影响因素以外，大风天气也同样会影响船舶交通安全和效率。风对 船舶航行有明显的影响，风对船舶的影响除了令船舶失速或增速外，一方面使船 向下风向漂移，另一方面使船发生偏转。其对船舶作用的程度和特征与风级及风 第2 章内河大桥水域通航环境的系统分析 舷角大小、干舷高度与吃水之比、船舶受风面积及风动力中心位置、船舶航向与 航速等诸多因素有关。风力愈大，其对船舶产生倾斜、漂移、偏转的影响程度也 愈大。在较宽阔的长江下游水域，4 5 级风就足以影响船队的航行安全，而遇到 内河大桥水域通航环境安全评价方法的研究 由于受到凸岸淤积、凹岸冲刷的影响，一些土质相对疏松的河段的桥梁主通 航孔应跨越深槽，并且在凹岸一侧的桥墩不应设在水中，这样可以避免产生挑流 和其他影响船舶安全通航的水流。考虑到水流流向变化复杂的情况，我们在有着 弯曲河段的桥区一般采取“高水取值，低水坐弯，深槽偏靠凸岸 的原则布置设 计。又由于弯曲河段桥区的主流线随水位的变化而不断变化，所以大型船队在下 水通过桥梁时要充分考虑扫弯水、曲度、舵效下降及流速变化等因素的影响。桥 区的水深、断面形状、河道的弯曲、坡度、桥墩设置的位置、糙率、风等因素都 会影响桥区流速、流态的复杂多变，也会导致一个断面上各点的流速分配不均瞳5 。 假如船舶与水流形成一定夹角航行，则船舶的航速和航行轨迹都会发生变化， 并且船舶的航迹带宽度也会加大，这样就会导致船舶安全航行所需的可航宽度比 顺直航道航行更大。另外，船舶本身的航向以及水流的流速、流向都会影响到船 舶航速大小。顺流航行时，流舷角越大、航速越小，则漂移量越大；逆流航行时， 流舷角越大、航速越大，漂移量同样也越大。 2 1 2 交通环境 交通条件包括该水域内船舶流量、船舶运营时间、船舶动态特征、活动规律、 会让原则等船舶动态等内容。 一 2 1 2 1 船舶流量 船舶流量又称交通密度，指在单位时间内通过水域内某一点的船舶的数量， 它是用来表征一水域内水上交通实况的最基本的一个量。一个水域内船舶( 队) 规模和交通繁忙程度都可以用交通密度的大小来直接反映，并且还能在一定程度 内反映水域交通的危险和拥挤程度，能较直观地表征船舶( 队) 在航道水域航行 的危险情况，在很大程度上影响船舶( 队) 的航行安全和交通效率。 2 1 2 2 交通安全秩序 一个混乱的交通秩序会极大威胁到通航的安全。在当前交通条件下，随着交 通量的日益增大，船舶( 队) 对遇和交叉相遇的几率增大，而船舶( 队) 回旋避让 的余地就越小，交通构成越复杂，则交通环境越是恶化，事故发生的可能性就越 大。在不同航向、不同种类的船舶( 队) 交汇的情况下，尤其是在大桥水域等受 9 第2 章内河人桥水域通航环境的系统分析 限水域，船舶的行为很难控制，这样就极易产生为避让一船而与其他船舶( 队) 形 成碰撞危险的局面2 。 内河桥梁多建设在经济发达地区，桥区水域附近的水上交通都比较繁忙。支 流与干流的交汇与分流，锚地、码头、横越区的规划设置等因素都导致了桥区水 域交通复杂局面的产生。船舶( 队) 靠离泊、进出锚地、进出支流以及横越区的 穿越、船舶之间的避让等航行行为，必然导致船舶( 队) 交叉频繁乜8 。另外，捕 鱼船也会影响渔区附近水域的正常通航秩序。 2 1 3 管理环境 管理环境包括人工设施的条件、通航法规、交通组织、船舶状况因素等方面， 管理环境直接影响到大桥水域交通复杂度的状况，管理环境良好，交通复杂度降 低，管理环境混乱，交通复杂度升高。 2 1 3 1 人工设施的条件 人工设施可以分为三类。第一类是保障船舶安全航行的监控设施、导航设施 以及通讯网络；第二类是旨在预防事故发生的预警系统；第三类是当事故发生之 后实施救援的应急装备。 ( 1 ) 监控设施用来对船舶的航行行为进行监督，并为船舶提供现代化的交通 组织服务。目前主要的监控设施包括了船舶交通服务系统( v t s ) 和船舶自动识 别系统( a i s ) 两类。 ( 2 ) 导航设施是重要的人工设施，用以辅助船舶安全航行。设施的数量是否 充足，设施的配布是否科学合理，其工作效能是否能发挥j 下常都是影响航行安全 的重要因素。 ( 3 ) 通讯网络包括传统的中高频通信、近岸水域移动电话和卫星通信。通讯 网络的有效覆盖率也同样是影响船舶航行安全的因素之一。 ( 4 ) 预警系统的主要功能包括了发布航行警告和预报气象信息等。预警系统 可以在一定程度上减少由于恶劣天气所造成的事故。 ( 5 ) 应急装备起到了对水上交通事故的补救作用。配备足量的应急装备可以 减少人员的伤亡和财产损失，降低交通事故的威胁程度。对于应急装备的要求包 1 0 内河人桥水域通航环境安全评价方法的研究 括在其要具有一定的覆盖范围、有较迅速的反应时间和具备良好的工作性能几个 方面。 2 1 3 2 管理软环境的情况 这是一种具有社会属性的安全保障因素。内河水域管理制度是否健全、通航 秩序是否良好、安全服务网络是否完善等是影响水上通航安全的重要因素。 ( 1 ) 对服务机构的要求：所提供的安全服务网络应包括引航服务及维修站点 的建设、清污消防设备、加油加水等保障设备的配备以及医疗卫生机构的设置等 等。船舶能否可以便利、及时的获取相应的安全服务是评价航行环境安全的重要 因素之一。 ( 2 ) 对航行管理制度的要求：该制度应包括航行避碰规则、国家法律对水上 交通安全的规定、当地水上主管机关的安全管理措施以及地方性的法规等等。 2 1 3 3 船舶状况因素 ( 1 ) 船型杂、技术状况差 目前我国内河运输船舶普遍吨位小、航速慢、运输效率低下。船舶的船型除 了部分驳船以外，多为一船一型。另外，还有由其他普通货运船舶改造而成的油 船、化学品船，安全状况很差。大部分船舶抵御恶劣自然条件的能力较弱，船舶 安全技术性能较差，存在很大的安全隐患。 ( 2 ) 船龄老化 随着近些年水运市场的复苏发展和各项发展运力的政策的实施，船舶更新的 速度相对较快，但是由于受到各种因素的影响，内河运输船舶船龄老龄化的问题 依然很严重。 ( 3 ) 船舶结构不合理 随着航运市场的不断拓展以及造船业的发展，内河船舶船型趋向于多样化， 油船、化学品船、集装箱船迅速增加，而且船舶的吨位越来越大，给内河运输增 加了很大的压力，尤其对建造设计时没有考虑船舶大型化的内河桥梁产生了很大 的威胁，船舶撞桥的可能性不断增加。 ( 4 ) 船员素质低 1 1 第2 章内河大桥水域通航环境的系统分析 船员专业技术素质差，多数船员学历低、基础差，安全意识淡薄，一味追求 经济效益逃避管理，超载违章航行现象普遍存在，特别是对于小型船舶的安全管 理不能得到落实，这类船舶严重干扰了内河的通航秩序。另外，船舶的配员不足、 证不随人、持假证或冒用他人证件的现象也较严重啪1 。 2 2 桥梁的因素 2 2 1 桥址的选择 选择桥址是建设桥梁的关键环节之一，它不仅关系到桥梁的安全性、经济性 的问题，也影响到了港口的营运和发展，因此在选择桥位的时候，必须要坚持“统 筹兼顾、远近结合、水陆并举、确保航道顺畅”的原则。所以说，在我们选择桥 址的过程中，要多方面考虑问题，如拟建桥区的地质条件、防洪安全、对该水域 通航的影响、陆域的连接以及城市规划发展等因素都需要进行一个综合性的评估。 于此同时，一定要充分考虑船舶在通过桥梁时的安全与顺畅口卜3 引。此外，桥梁选 址必须适应航道的自然条件和远期开发利用规划，避免由于河势变化等原因造成 的工程投资和航道维护费用的增高，和给船舶航行、防洪设施、港口码头的经营 带来不利的影响。桥址的选择需要遵循以下几个要求： ( 1 ) 桥址应选在航道单一顺直，水深足够和水流条件良好，河势、深槽及河 床稳定的航段上。桥址上、下游的水流要通畅、顺直，桥区位置的选取应要避开 弯道、汊道、滩险、汇流口等河段，桥位与上、下游浅滩要有足够的安全距离， 一般距上游浅滩的距离要大于最长项推船队4 倍或拖带船队3 倍的距离，距下游 浅滩距离不得小于最长顶推船队的2 倍或拖带船队的1 5 倍的距离。 ( 2 ) 稳定的河道是桥位选择的重要条件，桥区水域河床冲淤变化幅度要小， 河道、航槽稳定。 ( 3 ) 航道的弯曲度要小。内河通航标准规定，船舶( 船队) 航行所需的航 道最小弯曲半径r 取顶推船队长度的3 倍，也可适当减小，但不得小于顶推船队 长度的2 倍，另外，各河段或者各浅滩还需做具体分析。 ( 4 ) 两座相邻跨河桥梁的轴线间距在i v 级航道中，应大于代表船队长度与 1 2 内河人桥水域通航环境安全评价方法的研究 代表船队下行5 分钟的航程之和，在v i 级和级航道上，该距离应大于代表船 队长度与代表船队下行3 分钟的航程之和。 ( 5 ) 桥梁横跨河道时应尽可能选择与河道正交的角度建设，桥轴线法线与水 流流向的夹角不超过5 。 2 2 2 桥梁布置 桥梁的布置包括桥梁的净空高度、通航孔的设计要求以及桥墩的设计布置。 2 2 2 1 净空高度 桥梁净空宽度和净空高度是桥梁净空尺度的两个衡量标准。所谓的桥梁净空 高度是指船舶净空高度富余与船空载水线以上至最高固定点的高度之和，设计最 高通航水位为净空高度的起算面。应当结合当前通航的船型以及根据拟建桥梁所 在航区的规划船型等方面来综合考虑代表船型的设置，并且要求充分考虑桥区航 道情况、附近营运的港口、船厂、船舶基地等设施的现状和发展情况，全面分析 当地经济的发展趋势及规划，与此同时，也要考虑到其他船艇如军事的、工程类 的等非运输船舶的通航需求。 设计需要给桥梁留取足够的富余高度来确保大桥的安全，一般取2 m 。主要考 虑到：潮汐预报和可能出现的误差；船舶在淡、海水中的吃水差；由于波浪及水 流产生船舶纵摇和垂荡现象使得船舶水线以上至最高固定点产生的变化；吃水修 正高度的误差；观测和设计吃水的误差；船舶修理后高度出现的误差等5 1 。此外， 如果桥墩的顺水面与水流流向偏角若超过5 。时，必须相应增大净空高。 上世纪九十年代以来，基本按照内河通航标准g b l l 3 9 9 0 来论证新建和 改建的桥梁。该标准颁布实施十余年来，取得了显着的社会效益和经济效益， 对内河航道的建设和水资源的综合利用发挥了重要作用，可是随着我国水运事业 的向前不断发展，内河船队、船型以及水上运输方式都发生了很大的转变，老的 “9 0 标准”某些要求与规定已经不再适用，因此为适应新形势的发展需要，交通 运输部和建设部对原标准进行了修订，在2 0 0 4 年出台了新的内河通航标准g b l 5 0 1 3 9 2 0 0 4 ( “0 4 标准”) ，该标准于该年5 月1 日起实施。 2 2 2 2 通航孔 1 3 第2 章内河人桥水域通航环境的系统分析 通航孔布置需考虑：满足船舶航行条件要求，确保航行安全；应遵循不得影 响和限制航道的通过能力；综合论证水运船舶发展的通过密度及能力；考虑航槽 的稳定性和充分利用天然深槽；注意大桥结构设计的跨度能力；考虑满足通过大 桥的船舶能够顺利进出大桥内外侧的港口。根据“0 4 标准”的规定：“水上过河 建筑物的布置不得影响和限制航道的通过能力。通航孔的布置应满足过河建筑物 所在河段双向通航的要求。在水运繁忙的宽阔河流上，通航孔的布置应满足多线 通航的要求，在限制性航道上，应采取一孔跨过通航水域。 首先要满足通航净空宽度的需要，在水运繁忙的河道上，要通过技术经济比 较，在满足通航的前提下综合考虑确定孔跨，在经济指标相差不大的情况下，应 当采用大跨m 1 。因为据以往经验和事故统计分析，通航船舶撞击桥墩危及桥梁安 全的事故屡次发生，这不利于桥下航运的发展，所以，从安全和保持航运资源的 角度考虑也宜采用大跨设计。要按目前施工技术和能力、经济指标要求，并结合 所选桥型的特点来确定桥梁的跨度，一般预应力混泥土桥梁3 0 0 m ，斜拉桥跨度1 0 0 0 m ，拱桥5 0 0 m ，悬索桥跨度可达1 5 0 0 m 以上。对于非通航孔，应尽可能选取 大跨度，这样可以减小桥墩占据水域的面积，环节建桥引起的桥区水流流态的变 化。 桥梁通航孔净空宽度系指经批准的远期规划航道设计底高程以上供代表船型 的船舶或船队安全通过桥孔的最小净空宽度。该宽度一般从以下几个因素考虑： 代表船型对航道宽度的要求；桥轴线与水流主流流向斜交时，净宽加大值；航道 过桥时的航道扩大系数，对于通航孔的宽度校核采取以下公式： b m = b f + a b m + 只 b f = b + l s i nf l ( 2 1 ) 式中： b m l 单孔单向通航净宽( m ) ； b r - 船舶或船队航迹带宽度( m ) ； b m 船舶或船队与两侧桥墩间的富裕宽度( m ) ；i v 级航道可取0 6 倍 轻重的分量。结合桥区河段的实际特点和水域的通航要求来布设墩孔，同时还要 考虑大桥建成后桥墩对河床演变造成的影响，要求该影响不能显著干扰到上、下 游河水走势及航道水文条件。由于某些原因，现有的一些桥梁在墩孔的布设和墩 形的设计上与该河段的边界条件和水流条件不相相适应，这些问题的存在致使这 些桥梁对航运产生了一些不利的影响。例如吨位较多、净宽不足，特别是在江心 设置较多墩位时将会大大缩小河道的过水面积，导致桥梁出现壅水昭7 1 。 2 3 桥梁对通航安全的影响 在我国跨江大桥数量不断增加的背景上，随着内河水运的发展，大型船队及 单穿的往来越发频繁，水域通航密度在逐年加大。所建桥梁的桥孔位于江中的桥 墩会对船舶的正常通航产生较大妨碍，特别是在洪水期导致桥位通航环境和河段 的地形发生改变，对船舶的航行安全影响会更大。 2 3 1 桥梁对通航环境的影响 2 3 1 1 桥梁对河道的影响 建桥对内河河道的影响主要是壅水和冲刷。桥建成以后，由于桥墩会减小过 水面积而产生一定的阻水作用，这样会导致上游形成壅水。壅水现象为上游水位 升高，流速减缓，会降低水流挟沙能力，建桥之前水道的边滩、心滩在建桥后滩 面高程可能会有所抬高，淤积范围可能进一步扩大，这些又会使水流及河势随之 发生变迁。壅水程度的大小由很多因素决定，包括河床的组成、河道过水断面的 情况、所建桥梁及其墩台的形式和尺度、上游来水状况等等汹1 。另一方面，桥梁 1 5 第2 章内河人桥水域通航环境的系统分析 建设之后，桥位外的水流因受到桥墩的阻碍作用和桥头阴堤挤压的影响，会增加 河槽中单宽流量，会造成下游河道水流流速和流态发生变化，增强了水流挟沙能 力，这样一种情况会加重对桥位下游河道的冲刷，会使得河床横断面重新调整， 改变了原有河势。河势的变化又会影响到附近水域水工设施和港口码头的营运， 所以，在选择桥位和布设桥墩时，要给予充分科学合理的论证。 2 3 1 2 建桥对水流的影响 建桥后，整个河槽的过水横断面会由于桥墩和桥台入水的影响而减小，在上 游形成壅水现象，并且使桥孔内及其出口处出现较大流速，导致桥梁附近航道水 流向速发生变化，可能会对船舶航行安全造成影响。 水位与壅水现象的产生有定的关系。在涨水期间，壅水较高，桥孔内及其 出口处的流速越大时，横流也相应越强。形成的横流严重威胁到船舶( 队) 安全通 过：一方面是船体会由于局部横流等作用而受到冲压，这样的一种影响不仅会导 致船舶随流漂移，更严重的是使船舶发生偏转而造成危害；另一方面使船舶偏失 船位，随流漂移。船舶在航行中经常由于横流的影响而发生突然转向，造成撞桥 等严重的事故口引。 2 3 2 桥梁对船舶航行的影响 ( 1 ) 在桥区航行时，驾驶员要严格控制船舶偏航角，这样会增大加驾驶员操 船心里压力。 ( 2 ) 船舶禁止在通航孔内追越、并行，因此通过次水域的时间较建桥之前有 所增加，排队、等让的现象时有出现，这样可能会进一步加大该水域内交通密度。 ( 3 ) 船舶不能距桥墩太近以防止产生岸壁效应和擦碰桥墩的危险出现。 ( 4 ) 夜间通过桥区时，驾驶员视线会受到桥上照