（交通信息工程及控制专业论文）船撞桥事故概率研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国桥梁建设步伐的加快，越来越多的跨海大桥、跨江大桥、跨河大 桥陆续兴建，形成水中永久障碍物、缩窄了截面通航宽度并且改变了船舶习惯 航路，给我国水路运输安全带来了新的挑战。从1 9 9 6 年统计到2 0 0 4 年，我国 发生的船舶撞击桥梁事故达到了2 3 1 起之多，经济损失和人员伤亡较大。系统 研究已建桥梁的船撞事故，对我国桥梁安全设计以及船舶安全管理方面具有重 要的意义。 目前，针对桥梁船撞事故的研究较多，在事故分析以及撞桥概率等方面都 发展形成了一些新的理论，但是这些理论还需要通过不断的研究工作来进行修 正和完善。2 0 0 2 年，由我国学者提出的船撞桥概率简易模型可以很好的应用到 桥梁的设计阶段，计算出桥墩的碰撞概率，但是该模型中关于不同船型的碰撞 影响系数这一经验参数还需要大量的系统研究才能确定。本文从安全的观点出 发，分析了船撞桥风险因子，修正了几何撞桥概率模型，计算出不同船型船舶 碰撞武汉长江大桥的影响系数，同时验证了修正模型的适用性。本文主要完成 了以下几个方面的工作： ( 1 ) 首先回顾和总结了国内外关于船撞桥事故的不同分析方法以及船撞桥 概率研究的发展情况。 ( 2 ) 对国内外的典型船撞桥事故进行了概述，进而以大量事故案例为基础 分析船撞桥事故特征以及事故风险因子，最后从“人船桥环境管理 这五个 方面初步提出了相应的航行安全注意事项和管理对策，为保障过桥船舶以及桥 梁的安全提供参考。 ( 3 ) 对现有的几种主要船撞桥概率数学模型进行了分析比较，认为模型中 几何碰撞概率的积分区间取值偏小，应该将桥墩周围形成的紊流宽度加入到积 分区间内。选择戴彤宇的船撞桥概率简易模型进行研究，将修正的几何概率模 型代入式中，得出了修正后的船撞桥概率简易模型。 ( 4 ) 统计武汉长江大桥的撞桥事故，分析事故特征。采集上水及下水船舶 的过桥航迹，验证其过桥航迹分布规律是否服从正态分布，对服从负偏态分布 的下水船舶航迹进行取指数的方法使数据正态化，从而得出均值和均方差。计 算武汉长江大桥各个桥墩在不同水位时期被不同船型船舶碰撞的几何概率，从 武汉理工大学硕士学位论文 而得出不同船型船舶撞桥的概率影响系数。 ( 5 ) 分析计算结果，证明修正后的船撞桥概率简易模型的适用性。 关键词：船撞桥概率，影响因素，紊流宽度，航迹分布，碰撞影响系数 n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t w i t ht h ea c c e l e r a t e dp a c eo fc h i n a sb r i d g ec o n s t r u c t i o n , m o r ea n dm o r eb r i d g e s w e r eb u i l t , w h i c hf o r m e dap e r m a n e n tw a t e rb a r r i e r , n a r r o w e dt h ef i v e rs e c t i o nw i d t h a n dc h a n g e dt h ec o s t u m e ds h i p sr o u t e ，w h i c hb r i n g sn e wc h a l l e n g e st oo u rw a t e r t r a n s p o r t a t i o ns a f e t y f r o m1 9 9 6t o2 0 0 4 ，2 3 1 s h i p - b r i d g ec o l l i s i o na c c i d e n t sh a v e t a k e np l a c e , w h i c hb r i n g sl a r g ee c o n o m i cl o s s e sa n dc a s u a l t i e s s y s t e m i c a l l yr e s e a r c h o nb u i l tb r i d g ec o l l i s i o na c c i d e n ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c eo nb r i d g es a f e t yd e s i g na n d s h i ps a f e t ym a n a g e m e n t a tp r e s e n t ，t h e r ea l em a n yr e s e a r c h e so nt h es h i p - b r i d g ec o l l i s i o na c c i d e n t sw e r e f o r m e dt h e o r i e sa b o u ta c c i d e n t a n a l y s i s a n dc o l l i s i o n p r o b a b i l i t y h o w e v e r , c o n v r i n i o u sr e s e a r c hs h o u l db ed o n et oi m p o r o v ec u r r e n tt h e o r i e s i n2 0 0 2 ，c h i n e s e s c h o l a r sp u tf o r w a r das i m p l ep r o b a b i l i t ym o d e lt oc a l c u l a t et h ep i e rc o l l i s i o n p r o b a b i l i t yf o rb r i d g ed e s i g n h o w e v e r , t h ee x p e r i e n c ep a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n ts h i p s n e e df u r t h e rs y s t e m i cs t u d y t oe n s u r eb r i d g es a f e t y , s h i p - b r i d g ec o l l i s i o nr i s kf a c t o r s w e r ea n a l y z e d ，g e o m e t r i cb r i d g ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ym o d e l w e r er e v i s e d ，t h e d i f f e r e n ts h i pc o l l i s i o nw i t hw u b a ny a n g t z er i v e rb r i d g ew e r ec a l c u l a t e d a sa c o n c l u s i o n , t h ea p p l i c a b i l i t yo fm o d i f i e dm o d e lw a sv e r i f i e d m a i nw o r kc o u l db e d e m o n s t r a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 ed i f f e r e n ta n a l y s i sm e t h o d sa n dt h ep r o b a b i l i t yo fs h i p - b r i d g ec o l l i s i o na t h o m ea n da b r o a dw e r er e v i e w e da n ds u m m a r i z e d ( 2 ) t h et y p i c a ls h i p - b r i d g ec o l l i s i o na c c i d e n t sw e r eo u t l i n e d ，t h e nb a s e do na l a r g en u m b e ro fi n c i d e n tc a s e s ，c o l l i s i o na c c i d e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n da c c i d e n tr i s k f a c t o r sw e r ea n a l y z e d ，f i n a l l yc o n s i d e r i n gf i v ef a c t e r s ，m a n ，s h i p ，b r i d g e ， e n v i r o n m e n t a l ，a n dm a n a g e m e n t t h ec o r r e s p o n d i n gn a v i g a t i o ns a f e t yp r e c a u t i o n s a n dm a n a g e m e n tm e a s u r e sf o rt h es a f e t yo ft h eb r i d g ea n ds h i pw e r ei n i t i a l l y p r o p o s e d ( 3 ) 1 1 1 em a j o re x i s t i n gs h i p - b r i d g ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ym o d e la n a l y z e da n d c o m p a r e d ，a n dt h ei n t e g r a lr a n g ev a l u eo fg e o m e t r yc o l l i s i o np r o b a b i l i t ym o d e li s s m a l l e r , t h ew i d t ha c h i e v e db yt h et u r b u l e n c ei n t e g r a lr a n g ea r o u n db r i d g ep i e r s s h o u l db ea d d e dt os t u d i e do nd a i t o n g y um o d e , i n c o r p o r a t e dm o d i f i e dg e o m e t r i c i i i 武汉理工大学硕士学位论文 p r o b a b i l i t ym o d e li n t ot h ef o r m u l a t i o n , a n d r e a c h e dar e v i s e ds i m p l em o d e l ( 4 ) w i t hs t a t i s t i c s o nw u h a ny a n g t z er i v e rb r i d g ec o l l i s i o na c c i d e n t s , c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d a c q u a i n t e dt h es h i pt r a c k , v e r i f i e dw h e t h e rt h e d i s t r i b u t i o no ft r a c k si sn o r m a ld i s t r i b u t i o n ，n o r m a l i z e dt h es h i pt r a c kt h a ta g a i n s tt h e c u r r e n tn e g a t i v es k e w e dd i s m b u t i o n , g o tt h em e a na n dv a r i a n c e g e o m e t r i cc o l l i s i o n p r o b a b i l i t yo nd i f f e r e n tp a r t i c u l a r sa n dw a t e rl e v e l st oe a c hp i e ro fw u l a a ny a n g t z e r i v e rb r i d g ew a sc a l c u l a t e d ，t h ep r o b a b i l i t yo fi m p a c tf a c t o rw e r ec o n c l u d e d ( 5 ) a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e ds h i p - b r i d g ep r o b a b i l i t ym o d e li s a p p l i c a b l e k e yw o r d s ：s h i p - b r i d g ec o l l i s i o np r o b a b i l i t y , t u r b u l e n c ew i d t h , d i s t r i b u t i o no f s h i pt r a c k , c o l l i s i o ni m p a c tf a c t o r i v 独创性声明 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 武汉理工大学或其它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： 至遭日期：逊垫：兰：姿 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( 签名) ： 参跨导师( 签名) ：帼月期：汐l o s 体 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国国民经济和交通运输事业的飞速发展，特别是“十五 以来，国 家加大交通基础设施投资力度，大量高投入、高技术的跨江大桥纷纷修建。据 统计，到2 0 0 1 年底，我国主要通航河流上的桥梁总共有4 7 4 座，其中长江水系 1 5 6 座，珠江水系1 11 座，黑龙江水系1 0 座，京杭运河4 5 座，其它河流为1 5 2 座。截止到2 0 0 5 年1 0 月，长江宜宾至上海段已建成通车的特大型桥梁有5 3 座， 在建的桥梁1 8 座( 不包括规划中或设计中的桥梁) 。为进一步加强长江两岸的 陆上运输，中国交通运输部计划在2 0 2 0 年以前还将新修5 2 座长江大桥n 】。到时， 近3 0 0 0 k m 的长江干流上将跨越1 2 4 座桥梁，平均不到3 0 k m 就会有一座跨江大 桥。除此之外，我国正在建设或准备建设的跨海以及跨海湾大桥也数目众多。 可以遥想，在大力促进科技进步、加强科技创新的新形势下，未来的桥梁建设 事业必将拥有更广阔的发展空间。 跨越江河、海湾( 海峡) 桥梁的修建，极大地通达了陆路交通。然而从桥梁 建设的情况来看，无论是过去还是现在，均不同程度地存在因建桥而使航运的 发展、航行安全和航道的畅通性得不到保障的现象，并在相当程度上制约了航 运的发展。大型桥梁横跨在水面上，通航孔净宽较小、桥墩布置不合理使水流 流态紊乱恶化了通航条件，这些都可能会引发船毁桥损的重大事故。据统计， 船撞桥事故在总的数量上是呈增长态势的，详见表1 1 乜3 。 表1 1 我国船撞桥事故统计表 年平均累计年平均 年代事故总数累计事故数 事故数事故数 1 9 6 02 9 2 92 92 9 1 9 7 060 63 51 7 5 1 9 8 04 7 4 78 22 7 3 1 9 9 0 9 89 81 8 04 5 2 0 0 0 - 2 0 0 45 11 0 22 3 1 5 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 随着科技进步，我国船舶的装置水平、安全监管水平及桥梁的建设与管理 水平等都有了长足的发展。然而与此同时，桥梁建设步伐的加快及越建越大的 趋势，以及船舶大型化、航速加快的变化，都使得船撞桥事故发生的可能性大 大增加。 1 2 研究目的及意义 目前我国交通运输业发展速度加快，各种类型的桥梁不断兴建，从跨越内 河发展到跨越河口甚至跨越大海。同时航运业也不断发展，船舶的吨位、船型 尺度、航速不断增加。在运输繁忙的航段上，船舶擦、碰桥梁的事故频繁发生， 严重危及了交通安全，造成重大的经济和人员损失。所有这些情况都在提醒我 们，应该对船桥碰撞问题加以足够的重视，并积极采取相应对策，降低风险。 近年来，桥梁船撞事故研究领域一直方兴未艾，并且已经形成诸多研究成 果，为桥梁防撞问题作出了积极的贡献。目前国内外对桥梁船撞事故的研究重 点主要放在以下几个方面n 3 1 ：( 1 ) 建立船撞桥事故数据库；( 2 ) 桥梁船撞风险分 析；( 3 ) 撞桥概率的研究；( 4 ) 船桥碰撞力学研究；( 5 ) 桥墩主动防船撞装置的配 备。但是，大多数研究都缺乏延续性，都是各竖一帜，在各种理论规范以及数 学模型上寻求突破口，注重方法创新而忽视方法的实际应用。由此，涌现出了 一些对a a s h t o 等模型创新、修正的成果，而少有将这些修正过的模型进行实例 验证及应用的后续发展。所以造成了到目前为止，尚未有成体系的研究成果可 以直接用于桥梁设计当中，这给跨江海大桥蓬勃建设的壮丽前景带来了一定的 制约。 本文的研究，旨在通过理论研究和大量的船撞桥事故案例分析，总结事故 特征、阐明导致船舶撞上桥梁的各个潜在风险因子。剖析这些风险影响因素， 在一定程度为桥梁、以及船舶的安全管理提供了参照。 本文研究的另一个目的：选择一种船撞桥概率计算公式，分析一座已建桥 梁的撞桥事故，该桥不同船型的撞桥概率已知，推算出不同船型撞桥的修正系 数。目前，已有学者对南京长江大桥做了相关研究，得出了一组修正系数值， 本文拟将武汉长江大桥作为研究对象，计算其不同船型的碰撞修正系数取值。 这一修正系数的确定是一个长期的过程，需要对多个不同桥梁进行计算，得出 一个数值或者一个取值范围。通过己建桥梁的实际数据推算出的这一修正系数， 可供桥梁在今后科学设计和建设中参考，现实意义重大。 2 武汉理工大学硕士学位论文 笔者相信，只要经过不懈的努力，适合我国的不同船型撞击桥墩的碰撞修 正系数确定工作终将逐步完善。 1 3 船撞桥事故国内外研究现状 船撞桥是一个典型的多学科交叉问题，它涉及到水路运输、桥梁建设、水 资源污染等实际生产生活中的诸多方面。目前，国内外学者对船桥碰撞问题涉 及的各个领域进行了大量的系统研究，并取得了阶段性成果。2 0 0 2 年，戴彤字 归纳了船撞桥系列问题的国内外已有研究成果，然而随着船桥碰撞问题的影响 日益突出，近年来，越来越多的学者投身到船桥碰撞问题的研究上来，形成了 诸多新思想。本文将归纳总结这些研究成果，系统呈现目前船撞桥事故国内外 研究进展情况。 1 3 1 船撞桥事故分析研究现状 在船撞桥事故研究当中，最著名的是由p i a n c 在1 9 8 3 年成立的第1 9 工作 小组建立的一个包括1 5 1 起船撞桥事故的数据库。该小组发现：很严重的碰撞 频率从1 9 6 0 - 1 9 8 0 年呈稳定的增长趋势，1 9 8 0 年以后有所下降，而到了9 0 年代 又有小幅上涨n 一3 。事故率的下降主要归功于采取了有效监管措施，例如建立了 较好的船舶交通管理系统( v t s ) 等。 此外，f u j ii 等人曾对日本沿海船舶碰撞事故进行研究，发现夜间发生碰撞 事故的概率较高，大约是白天的4 5 - 1 2 倍n 引。日本海事事故调查机构曾对 1 9 9 0 1 9 9 4 年发生的大量船舶搁浅事故进研究，分析搁浅事故风险影响因素，发 现9 5 是由人为因素引起、2 为机器故障造成、3 是由恶劣天气以及其他不可抗 力因素造成n ，6 j 。 丹麦和瑞典合营的一家公司建立了一个包括2 5 2 个事故的数据库，研究了 跨越丹麦与瑞典的奥立桑海峡大桥的船舶碰撞概率模型。此外，他们还结合船 舶搁浅情况对船员失误概率和船舶交汇情况中的碰撞概率进行了研究，得到船 员失误概率约为2 x1 0 _ ，一次交汇中碰撞概率约为2 7 x1 0 引1 7 1 。我国在2 0 世 纪8 0 年代后期也陆续有学者投身到船撞桥事故研究上来。2 0 0 2 年，我国学者戴 彤宇展开了船撞桥事故系列研究，得出结论呻1 ：长江干线桥梁船撞事故在数量上 略呈增长态势；船队比单船更易发生撞桥事故，约占总数的8 6 ；桥梁跨径、洪 水、能见度等因素直接影响撞桥概率，其中洪水对船撞桥概率影响最大，并近 3 武汉理工大学硕士学位论文 似呈正态分布。2 0 0 3 年，戴彤宇建立了一个包括我国2 1 3 起船撞桥事故的数据 库，其中长江1 7 2 起，珠江和黑龙江均1 2 起，沿海及其它水域1 7 起嘲。 2 0 0 3 年，同济大学对1 9 9 6 - 2 0 0 0 年近5 年长江口航道船舶碰撞事故进行统 计，得出n 1 ：由于人为因素导致的船一船碰撞的年发生率约为4 x1 0 一，随机漂流 船舶的年发生率约为1 7x1 0 ，桥址2 0 l ( i n 水域内的事故发生率为l l o 。8 艘 年米。 2 0 0 5 年，黄志n 们统计并分析了台湾海峡1 9 9 4 - 2 0 0 3 年的船舶碰撞事故。2 0 0 6 年，林铁良n u 在戴彤宇的船撞桥事故数据库的基础上，增加了事故记录，建立 了1 9 5 9 2 0 0 4 年包括2 5 1 起撞桥事故的数据库。此外，他通过对撞桥事故案例 的研究，建立了针对我国运河、内河、海峡的三种不同情况的船撞桥故障树。 此外，船撞桥事故研究的重要性也引起了相关科研机构的重视。长江港航 监督局曾与长江航运科学研究所合作研究长江干线“八五期间发生的船撞桥 事故n 嬲。交通部规划院及长江航道规划院所作的专题研究中也都涉及到了长江 干线船桥碰撞问题的调查与分析n 3 1 。上海船舶运输科学研究所对南京长江大桥 桥区水域撞桥事故进行过相关研究n 们。武汉理工大学在对“苏通大桥船舶失控 漂移对桥梁的影响研究报告 中分别对1 9 9 7 - 2 0 0 2 年期间黄石长江大桥、武汉 长江大桥、武汉长江二桥桥区水域的海损事故进行了分析研究n 5 1 。 1 3 2 船撞桥概率分析研究现状 船撞桥概率的研究最初起始于船船碰撞概率的研究。f u j ii 1 s 在1 9 7 1 - 1 9 7 4 年间，运用统计方法对日本数个海峡中的船舶搁浅事故进行分析，得出船舶失 控概率。1 9 7 4 年，m a c d u f f c l 7 1 统计了船船碰撞事故，得出船舶相互碰撞的理论概 率。这两项研究都首先假设船舶随机地分布在水道内，通过统计工作来预测这 个随机事件的分布规律。这个独到的分布假设思想为以后船桥碰撞概率的研究 打下了基础，之后国内外形成了一系列的船撞桥概率计算模型和方法，较有代 表性的有以下几种： 1 9 9 1 年美国a a s h t o 规范模型h 引：提出了一个计算桥梁年倒塌频率的模型 p = n 只岛p c ( 式中为船舶年通航量；只、尸g 、乓分别为偏航概 率、几何概率和倒塌概率) 。该模型由格林纳公司( 6 r e i n e r ) 提出，后又被美国 公路桥梁设计规范( 1 9 9 1 & 1 9 9 4 ) 所采纳。 1 9 9 3 年拉森( 0 d l a r s e n ) 模型( i a b s e 模型) j i g ：从现象学角度出发，将 4 武汉理工大学硕士学位论文 桥梁船撞事故情形分为四种情况，并提出了一个更为一般性的船桥碰撞概率模 型。 1 9 9 7 年欧洲规范模型：提出了一种基于失效路径积分算法的模型，用 于计算船桥碰撞概率。 1 9 9 8 年k u n z i 模型乜：德国的昆兹( c n k u n z ) 以船撞桥事故发生前船与桥 墩的相互位置为基础，建立了一个包含偏航角伊和停船距离工这两个随机参数的 船桥碰撞概率计算模型。 ( 垦) 2 0 0 0 年黄平明直航路模型蚴：我国学者黄平明等人，基于船舶在直航路 上的航迹分布特性，借鉴a a s h t o 规范和k u n z i 模型的研究思路，统计了船舶的 偏航角和停船距离分布规律，并分析出船舶在偏航情况下碰撞桥墩的概率，进 而推导出了直航路上船撞桥概率模型。 ( 查) 2 0 0 2 年，戴彤宇随1 通过分析和比较众多已有研究，提出了针对我国通航 河流桥梁的船撞桥概率简化公式。其认为：船舶在单位时间内的碰撞频率只与 单位时间内船舶流量、几何碰撞概率以及碰撞影响系数有关。 此外，还有佩德森为丹麦大带桥提出的撞桥概率模型、茂盛公司为英国主 要桥梁提出的模型等2 舢。 1 4 本文的主要研究内容 船舶航行于桥下的安全性问题涉及到较多学科，但当前的研究大多是从单 一的角度出发，而非系统的、全面的研究。大多学者的研究工作是从桥梁的角 度出发，主要分析船对桥梁的撞击力以及桥梁结构响应、防撞设施的配置等等。 也有学者从交通工程角度出发，研究船撞桥的概率模型问题，从船体结构出发 研究撞桥后的船舶损毁问题。 船撞桥问题是个系统工程，涉及到的面比较广，研究点比较多。目前关于 船撞桥的研究存在一些问题，大家都注重理论的创新、数学模型的修正，而不 够重视模型的实例计算。因而形成的研究现状是：各个面的研究“成果 很多， 但是创新的理论、修正的系数都没有得到运用，也就是说“成果 众多但都没 被推广和认可；更有一些需要通过实例计算来确定的系数，因为得不到后续研 究而成为“阶段性成果”。 在目前的这种形势下，本文拟通过分析船撞桥事故案例，系统研究桥梁船 撞的风险影响因子，选择戴彤宇的船撞桥简化模型对武汉长江大桥进行研究， 武汉理工大学硕士学位论文 推算出不同船型的碰撞影响系数，将计算出的系数与她的研究成果进行比照， 推动该系数的确定。以下将简述本文每一章的研究内容： 第一章回顾了船撞桥事故分析方法以及事故概率研究的发展情况。 第二章作为一项基础性工作，本章主要通过研究一些现有的船撞桥事 故案例( 包括运河、长江、海上) ，总结船撞桥事故的固有特征，并且从“入 船桥环境管理 五个方面深入分析可能引发船撞桥事故的风险因子。最后， 针对各个风险影响因素提出相应的安全航行注意事项以及管理对策，为管理部 门制定科学有效的管理规定提供参考。 第三章对几个主要的船撞桥概率数学模型进行了介绍，将各个模型的 适用性进行了比较分析，并且拟选择用戴彤宇的“船撞桥概率简化模型 分析 武汉长江大桥的撞桥事故，计算武汉长江大桥不同船型船舶撞桥的碰撞影响系 数。但是经分析，发现该模型的几何碰撞概率积分区间设置不尽合理。因此借 鉴庄元关于紊流宽度的推导公式，提出了一个修正的“船撞桥概率简化模型一， 待后文进行分析研究。 第四章对武汉长江大桥水域通航条件以及现状做了细致分析，并且对 撞桥事故进行了统计和研究，对大桥上、下水船舶的航迹分布进行了验证和计 算。最后，根据上、下水船舶不同水位期的不同情况分析武汉长江大桥船撞桥 概率，校验新修正的船撞桥概率模型，计算不同船型船舶的碰撞概率影响系数。 第五章对全文的主要工作以及研究结果进行总结并且对进一步的工作 方向进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船撞桥事故分析及安全管理对策 安全是人类活动永恒的主题，随着我国经济的腾飞和交通运输业的高速发 展，一个综合的、科学的运输体系正在逐步发展与完善。但我国各种交通事故 也在不断地发生，最近就一连发生了多起由于船舶撞击桥梁而导致大桥跨塌的 事故。这些事故给人类的生命、财产以及社会和环境造成了极大的损害，直接 影响到水运、公路和铁路三种运输方式的安全性。其客观原因主要是由于我国 桥梁越建越大、越建越多，并且船舶数量和尺度也在不断增加，大大增加了船 撞桥风险。因此，系统的、深入的展开有关船舶撞击桥梁事故分析是非常必要 的。以已有的船撞桥事故案例为基础，分析船撞桥事故原因以及特征，并且剖 析船舶航行于桥下的各种风险，对船舶安全管理等生产生活颇有意义。 2 1 船撞桥事故概述 1 9 8 0 年，美国的阳光大桥被撞塌，造成2 5 0 0 0 万美元损失，引起了国内外 对船撞桥事故的关注。2 0 0 7 年，我国的“6 1 5 广东九江大桥事故才真正引起 了国人对船舶撞击桥梁事故的广泛关注。通过对船撞桥事故资料进行收集统计， 才发现该类事故所导致的财产损失、人员伤亡以及自然环境的破坏都是巨大的， 并且事故发生频率也是超乎人们想象的。 2 1 1 国外船撞桥事故 根据有关资料文献的统计与介绍，船撞桥事故一直在不断发生。在 1 9 6 0 1 9 9 3 年这3 3 年中，全世界被船舶撞损的大型桥梁达到2 9 座。而美国在 1 9 7 0 1 9 7 4 年这五年期间，内河上就发生了8 11 起船撞桥事故，年均船撞桥事故 高达1 6 2 起乜引。船撞桥事故的后果是悲痛的，以下是几例发生在国外的船撞桥 事故。 1 9 8 0 年，美国的阳光大桥被一空载散货船撞塌，造成3 5 人死亡，损失超过 2 5 0 0 0 万美元，是世界上损失最大的船撞桥事故之一。 1 9 8 3 年，前苏联“亚历山大苏瓦洛夫 客轮通过伏尔加河上一铁路桥时， 由于船舶偏航后准备从边孔过桥，但是边孔净空高度不足，客船的上甲板室被 7 武汉理工大学硕士学位论文 铁路桥全部切掉，1 7 6 人丧生，是世界上人员伤亡最多的船撞桥事故之一 1 9 9 3 年，美国贝尤卡诺特河上，一个船队撞上c s x 铁路大桥，大桥产生巨 大位移，几分钟后一列旅客列车从桥上驶过，大桥随即坍塌，4 7 人丧生。 2 0 0 2 年，美国阿肯色河上，一顶推船队撞上座公路大桥，大桥遭到意外 撞击后坍塌，导致至少1 7 辆汽车接连坠入河中，伤亡惨重。 2 1 2 国内船撞桥事故 国内的船撞桥事故也屡见不鲜：武汉长江大桥在伫立半个世纪来被撞近8 2 次；松花江佳木斯桥被船撞4 0 余次；南京长江大桥被撞2 0 余次；黄石长江大 桥施工期被撞2 0 次；汉阳汉水桥撞船和船队共1 7 次；武汉长江二桥施工期被 撞1 6 次；九江长江大桥施工期被撞2 次；平齐县嫩江桥1 9 8 4 年拖船撞墩1 7 次； 湘潭湘江桥1 9 8 0 年被船撞4 次；等汹1 。下面列举几起发生在我国水域的船撞桥 事故。 1 9 9 8 年9 月，浙江温州水域一艘装载2 8 0 吨甲苯的油轮撞上龙港大桥，三 节桥面掉入江中，事故造成4 人死亡1 人甲苯中毒，并且大量甲苯泻入江中严 重污染了水域环境心7 1 。 1 9 9 9 年7 月，四川涪江一轮渡因舵机失灵而失去控制，船舶漂流到桥梁附 近，碰撞桥墩并且倾覆，造成2 0 多人死亡n 1 。 2 0 0 7 年6 月，“南桂机0 3 5 运沙船在航行中遇到浓雾，并且与九江大桥 桥墩发生严重碰撞，造成九江大桥三个桥墩倒塌，约2 0 0 米桥面坍塌，正在桥 上行驶的4 辆汽车( 共有司乘人员7 名) 及2 名大桥施工人员当场坠入江中， 致使8 人死亡，一名司乘人员下落不明。 2 0 0 8 年3 月，台州籍货轮“勤丰1 2 8 在舟山海域与正在建设中的世界在 外海最大跨径斜拉桥“金塘大桥发生撞击，导致桥面上3 0 0 0 吨重的箱梁断裂 塌落，其中大部分直接砸向货轮的船尾，船桥均损失惨重啪1 。 2 2 船撞桥事故特征分析 对大量船撞桥事故进行统计分析，可以找出这类事故在不同影响因素方面 所呈现出的不同特性。笔者通过收集的大量船撞桥事故资料进行分析，并结合 已有的船撞桥事故特征研究成果，得出桥梁具有如下船撞特征： ( 1 ) 船撞桥事故陋1 的第一位原因是人为失误，约占7 8 ；第二位原因是恶 武汉理工大学硕士学位论文 劣的自然环境，约占1 6 ；第三位原因是机械故障，约占6 。 ( 2 ) 船队比单船更易发生撞桥事故。船队的事故数量占总数的8 6 嘲。 ( 3 ) 在长江干线，洪水对船撞桥事故的影响显著。洪水季节船撞事故明显 多于其它季节，事故率达月均值的3 倍左右 ( 4 ) 交通密度比较大时容易发生事故。中午是各个桥区水域的高峰通航时 段，是船撞桥事故的高发时段。 ( 5 ) 船撞桥事故多发生在能见度较差的情况下，与良好能见度情况相比， 事故数量为8 ：1 。同时，受黑暗和城市灯光的影响，夜间2 1 0 0 时船撞桥事故易 发生。 ( 6 ) 船撞桥事故与桥下通航宽度密切相关。3 4 以上的船撞桥事故发生在 通航孔宽度在1 5 0 m 以下的桥梁随3 。 ( 7 ) 下水船舶撞桥事故多于上水船舶，其比值约为2 6 ：l 。下水船舶由于 受水流影响较大，难以操纵，事故发生率较高。 2 3 船撞桥事故影响因素分析 船撞桥事故涉及的因素十分复杂，在表面上可能是一次操作事故，但潜在 内涵因素可能是多种，它不仅是存在于航海学或轮机工程学的范畴内，还涉及 到管理科学、社会经济、行为思维、甚至心理医学、机遇概率等等方面。研究 水上交通事故发生机理的目的是为了认识它，找出规律并避免事故发生瞳1 。对船 撞桥事故案例进行研究，探索出事故致因和发生规律，可供海事管理部门有针对 性的采取相关管理措施，减少撞桥事故的发生口，。 根据目前各水域通航现状和事故案例统计分析，船撞桥事故发生的可能性 大小由船员综合素质、航运交通状况、桥梁自身结构特性、自然环境、助航条 件等因素综合决定跚，需要从“人一船一桥一环境一管理”等方面系统研究船撞风 险因子。 2 3 1 人的因素 我国桥梁越来越多，每座桥梁结构、通航尺度及所处水域水流条件各有不 同，且每艘船舶( 队) 的尺度和操纵性能各不相同，因而过桥时考虑风流压影 响的船舶操作要点也不尽相同。这样，就对船舶驾驶员实操能力提出了很高要 求，一旦驾驶员存在经验不足、操纵水平有限、违章航行或一时疏忽、应急应 9 武汉理工大学硕士学位论文 变能力较差等因素，均可引发事故。据统计，7 8 0 , 6 的撞桥事故与船员的人为过失 有关。驾引人员的技术水平、工作责任心以及对当时的环境和情况判断失误， 特别是在洪水期顺流航行时，对船舶的控制能力、桥梁高度的通过能力的判断 失误，都是导致事故发生的风险因子。2 0 0 7 年8 月2 9 日1 2 时3 0 分，江苏省金 坛市华城航运有限公司所属水泥船“华航机8 2 8 轮在苏州昆山市境内的通城河 桥( 又称大洋桥) 水域，与江苏省泰州市兴良运输站所属“兴良机3 2 8 轮会遇时， “华航机8 2 8 刀轮碰撞通城河桥，造成该桥上游中孔半幅桥梁坍塌。经调查， 此次事故的主要原因是“华航机8 2 8 轮在进入桥梁水域时，未加强了望、未采 取安全航速、未主动避让已进入桥孔水域的“兴良机3 2 8 轮，无视桥梁上方设 置的“桥梁危险，限高3 7 米 的警示牌以及桥墩上的红色警示，冒险在桥孔 水域与“兴良机3 2 8 ”轮会遇，导致事故发生。2 0 0 8 年3 月2 7 日，“勤丰1 2 8 一 轮由于设计航线错误，盲目冒险航行，严重疏于嘹望等人为因素撞塌在建的金 塘大桥，酿成这起重大水上交通事故口u 。 ( 1 ) 船舶驾驶员的心理素质直接影响其驾船的行为。 船舶碰撞事故有很多是由于船员的失误心理造成的。譬如：( 1 ) 习惯心理。 即习惯性作业程序；由于受习惯性心理的作用而忽视异常信息，不能及时判断 处理，从而造成事故。( 2 ) 厌倦心理。常表现出精神疲劳、心不在焉、对船舶 驾驶工作无兴趣，想尽快摆脱这种状态。( 3 ) 反常心理。人的情绪常受到生理、 家庭、社会等诸多因素刺激和影响，在一些强烈刺激和影响下，会改变人的正 常心理状态而形成反常心理。反常心理的驾驶员若在短时间内不能得到调整， 就容易发生事故。( 4 ) 侥幸心理。在船舶驾驶员中主要表现为对了望的疏忽。 ( 2 ) 外界环境对驾驶员影响非常大。 船外环境对船舶驾驶员的影响主要体现在船舶夜间通过桥梁时，外界照明 灯光对船舶驾驶员视力的影响。桥上和路上灯光干扰桥涵标灯光、浮标灯光的 能见距离。特别是处在繁华城市的通航桥梁，由于高楼林立，背景灯光明亮， 导致桥涵标灯光、桥区浮标灯光淹没在城市的背景灯光中，无法辨认。相当部 分的桥涵标灯、桥区浮标灯不亮或亮度不够。天气能见度正常的情况下，船舶 到达距大桥五倍船长时，有的桥涵灯标仍不能被清晰辨别。 2 3 2 冉台舶因素 船舶因素主要体现在船舶不适航、船舶积载、大型船队、船舶系统故障等 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 方面。 ( 1 ) 船舶不适航 船舶良好的适航状态是安全过桥的保证，一旦船舶出于不适航状态，特别 是船舶主机、舵等直接影响船舶操纵性能的设备出现故障，船舶过桥将极其危 险状态，容易发生事故。1 9 9 2 年6 月1 7 日1 1 4 3 时，轮渡1 4 号下行至武汉长 江大桥桥区水域时，因断油主机熄火，船顺水下淌，擦碰6 号墩b 副。此外，船 队比单船更易发生撞桥事故。 ( 2 ) 船舶积载问题 在甲板上和甲板下装运的货物和货物单元，其装载和系固应保证对船舶和 船上人员不造成危险，同时也应尽可能避免超高、超宽以导致船舶在受限水域 存在操纵风险。1 9 9 0 年7 月2 8 日1 9 1 5 时，武昌造船厂武船浮吊1 号，因突起 大风，浮吊缆绳绷断，船上空无一人，浮吊高出水面4 5 m ，长4 0 m ，宽2 0 m ，随 风迅速顺江下漂，浮吊的右弦后尾部撞上大桥4 号墩上游端，将武汉长江大桥 公路边梁撞击弯曲变形，由于撞击的反弹力作用，浮吊又顺水撞擦4 号墩上游 端汉阳侧，被大桥挡住，4 号墩有两处受损m 1 。 ( 3 ) 大型船队 2 0 0 1 年以前，航行于长江沿线的大型顶推船队虽然符合武汉长江大桥管 理办法中规定的总长不超过1 8 0 米，宽度不超过4 0 米，但当时动力船的操纵 性能普遍不好，船队成了撞桥事故的主力军。现今，随着航行技术水平的普遍 提高以及长江货运的要求，船队日益大型化，大型顶推船队的尺寸达到了长2 1 0 米、宽4 1 米。虽然顶推船队在船舶动力装置上面有了很大的改进，但是船队本 身的特性无法改变，它尺寸比单船大，操纵性能没有单船好，在桥区水域，其 航行风险较大。特别是在顶推船队断缆时，撞桥危险一触即发。1 9 8 2 年1 2 月 2 8 日2 1 2 0 时，由潜江2 0 9 拖轮组成的顶推船队下水通过武汉长江大桥的第6 孔， 近大桥时，拖轮和铁驳处的尼龙绳崩断，撞上5 号桥墩口羽。 ( 4 ) 船舶系统故障 当船舶航行至桥区水域，操纵系统、导航系统( 罗经、雷达、g p s 等) 、通 信系统和安全应急系统等突发故障，船员操船紧张，将可能引发撞桥危险。2 0 0 7 年6 月2 2 日1 7 1 5 时，重庆市合川区海丰船务有限公司所属“盛发8 号运砂 船在嘉陵江运砂行进途中因主机出现故障，发生漂流，在嘉陵江河口上游6 6 9 公里处，撞向遂渝铁路草街大桥8 号桥墩汹1 。2 0 1 0 年3 月2 5 日凌晨左右，上海 环境物流公司一艘满载生活垃圾的集装运输船从市区驶抵大治河随塘桥近5 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 米处，船舶突然失控撞上随塘桥。 2 3 3 桥的因素 桥墩存在撞击隐患主要体现在桥梁选址和通航尺度上。 ( 1 ) 桥梁选址不当，处于弯曲复杂河段。 桥梁建设选址是非常重要的一个环节，按内河通航标准等国家技术规 范，作为通航建筑物的桥梁应建在河床稳定、航道水深充裕和水流条件良好的 平顺河段，远离易变的洲滩。桥址若选择在滩险、汉道、弯道、分汇流口或河 床不稳定等复杂河段。一方面可能因船舶航向线与桥轴线法线方向的夹角过大， 造成船舶过桥操纵困难，增加操纵风险，稍有不慎，易引发事故。另一方面也 可能因河势变化引发主通航桥孔航道条件恶化，严重时，会造成主通航孔不能 通航，只能从副通航桥孔航行的局面，相应地会增加船舶过桥航行操作难度。 已建的重庆白沙沱大桥、荆州长江公路大桥、武汉白沙洲长江大桥、武汉 长江大桥、黄石长江公路大桥、沅水桃源大桥及东江石湾大桥均因桥址选择不 当对船舶航行和桥梁安全带来了威胁。其中黄石长江公路大桥因为水流流向与 桥梁垂线夹角达到1 5 。之大，在建设期1 9 9 3 年至1 9 9 5 年间就发生船舶( 队) 撞桥事故1 9 起啪3 。 ( 2 ) 桥梁跨径较小，船舶航行避让困难。 桥梁通航尺度包括净空高度和净空宽度。桥梁通航桥孔跨径较小时，对船 员操纵技能提出了更高要求，船舶过桥时若未摆好船位，加之操作不慎，极易 引发撞桥事故。据不完全统计，有7 5 0 5 的船撞桥事故是发生在跨径为1 5 0 m 以内 的桥梁上田。通航净宽较小，桥墩过多过密等都将提升船舶撞桥的机率。例如松 花江上的几座桥梁以及武汉长江大桥、白沙沱大桥等都是桥梁跨径较小的桥梁， 同时也是船撞桥事故的高发桥梁。 2 3 4 环境因素 环境因素主要体现在桥区水流、风况、能见度、冰等方面。 ( 1 ) 水流流态复杂，船舶操纵避让困难。 桥区水流流态复杂也直接干扰船舶过桥时的操纵，长江洪水期和枯水期时 桥区水流特征完全不同，船舶枯水期受水流影响较小，而洪水期受水流影响较 大。洪水期水流较急、流态较乱，对船舶驾驶员的操纵技能和经验要求很高， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 特别是水流主流流向与桥轴线法线方向夹角较大时，船位不易控制，船舶驾驶 员一旦操作不当易酿成事故。黄石长江公路大桥在建设期发生的船撞桥事故多 数都是因为水流流向与桥轴法线夹角过大，船舶过桥时受水流干扰较大、无法 有效控制船位而导致了事故的发生。 ( 2 ) 天气条件恶劣，影响船舶正常航行。 大雾、大风以及冰冻等恶劣天气，将影响船舶正常航行，船舶过桥安全得 不到保障，一旦船舶冒险航行，有可能引发撞桥