余 葵，吳威力，劉憲慶，孟繁超 ，張 鑫，劉 濤，毛德涵

(1.重慶交通大學，國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學，重慶市橋梁通航安全與防撞工程技術研究中心，重慶 400074)

跨河橋梁宜布置在順直穩(wěn)定、河面寬闊的河段上[1]。然而，對于丘陵地區(qū)或山區(qū)河流，受河勢、地形等因素的制約，橋梁有時只能布置在微彎甚至彎曲河段上，如澧水石龜山大橋[2]、重慶烏江三橋[3]等。此時，由于橋墩與水流存在交角，在一定程度上擴大了建筑物的阻水面積，增加了橋墩壅水，給航行的船舶帶來安全隱患。研究認為橋墩涉水會改變墩周的流場，導致側面流速加快，產生橫流并增加紊流寬度，一些通航河段的橋梁軸線法線方向與水流方向夾角較大，產生的橫流影響了通航寬度[4]；同時，山區(qū)河流水流湍急，河道窄深，通航環(huán)境復雜，這些因素增加了船橋碰撞的幾率[5]。

目前，針對橋區(qū)河段船舶航行的安全問題，常用的研究手段包括物理模型試驗及有限元數值模擬2種。有限元數值模擬主要采用RANS[6]、LES[7]等方法圍繞柱體繞流問題開展。牛國杰等[8-10]分別對橋墩周圍流場影響航行船舶的受力特性展開研究，結果表明船墩間距是影響船舶艏搖力矩變化的主要因素：船舶越靠近橋墩，艏搖力矩的變化越大。對于物理模型試驗，何小花等[11]用Micro ADV流速儀測量墩周的三維瞬時流速，得到紊流強度的輻射范圍；劉曉平等[12]以船墩間距為控制條件，研究多種航線航行時船舶受到水流的影響情況，結果表明船墩間距不同，船舶受水流的影響也不同；莊元等[13]通過水槽定床及動床試驗對墩周流場的三維特點進行分析，指出隨著橋墩與水流交角的增大，紊流寬度也在增大；曹民雄等[14]通過自航船模航行試驗研究橫流對船舶航行的影響，結果表明橫流對船舶航行的影響程度主要與紊流寬度成正比；許保華[15]通過研究不同結構形式橋墩、不同水流方向對通航條件的影響，指出相比于銳形截面，圓形截面的繞流性能更好，其對于墩周流場的影響小于銳形截面。

綜上所述，目前針對橋區(qū)通航安全的問題主要集中在墩周流場對通航安全的影響問題，少有涉及橋墩布設防撞裝置后對通航安全的影響。本文通過物理模型試驗的方法，從橋墩設防方式、橋墩與水流交角等因素出發(fā)，研究船舶航跡線的變化規(guī)律；通過分析船舶艏向角、漂角等船舶航行參數的變化，研究山區(qū)橋梁布設防撞裝置對于船舶航行的影響，成果可為山區(qū)河流橋梁通航安全的研究及防撞裝置的研發(fā)提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗概況

船舶航行過程中，如果受到不同于航線方向的側向水流的影響，船舶則會被推離航線，影響船舶航行安全(圖1)。山區(qū)河流具有河道窄深、水流湍急、河道彎曲等典型特征，橋區(qū)水流條件更加復雜，某些橋梁的軸線與水流流向存在交角，進一步擴大了橫流的范圍，這些橫流時刻威脅著橋區(qū)船舶的航行安全，嚴重時將導致船橋碰撞事故。對橋梁設置防撞裝置可使橋墩免受撞擊，但防撞裝置的加入增加了橋墩的截面積，阻水作用進一步增強，對船舶航行安全極為不利。本試驗結合實際工程，利用運動船舶受力偏離航線的原理，通過對船舶艏向角θ、漂角β等船舶航行參數的分析，研究橋梁與水流存在交角時布設防撞裝置對船舶航行的影響；通過設置多條航線，探究影響船舶航行的范圍。

圖1 船舶受力偏離航線

1.2 試驗設計

試驗以嘉陵江某橋梁為依托，采用1:100概化模型試驗方案研究防撞裝置形式及橋墩-水流交角這2個因素對船舶航行的影響；通過設置多條航線試驗，分析影響船舶航行的范圍。該試驗為順水航行試驗且預先設定好航線，通過頂置全景攝像獲得船舶實時航跡影像，運用背景差分法獲得船舶航行坐標，描點成線。試驗共分為裸墩、布設圓艏型防撞裝置、布設尖艏型防撞裝置3組。采取改變橋墩與水流流向角的方式，模擬山區(qū)河道水流條件，每一組角度分別取0°、10°、20°、30°，工況組合如表1所示。安裝防撞裝置后，對通航的影響實際主要是對水流的影響，紊流寬度是影響船舶航行的主要因素，故試驗開始前應首先對紊流寬度進行研究。通過觀測示蹤粒子分布的試驗，對各工況下的紊流寬度進行分析(圖2)，通過圖像識別等手段得到各工況下的紊流寬度(橋墩兩側+橋墩寬度)，見表2。分析數據可知，橋墩設防前后，橋墩對橋區(qū)紊流寬度變化較大。尖艏型防撞裝置對橋區(qū)水流紊流寬度的影響與圓艏型防撞裝置相當，略小于后者。隨著斜交角的增大，紊流寬度隨之增大，其中0°～10°過程變化趨勢較為明顯。交角超過10°后，橋墩兩側的紊流情況隨之增大，增大趨勢有所減緩。

表1 不同交角下的工況組合

圖2 紊流寬度(水流自左向右)

表2 各工況下紊流寬度

本試驗擬設置5條航線。根據紊流寬度試驗分析，測得的紊流寬度最小值0.24 m，最大值0.72 m，為覆蓋真正影響船舶航行的區(qū)域，可取防撞裝置寬度方向的幾何尺度為單位(取0.18 m)進行試驗分析，用W表示。

根據對嘉陵江某大橋橋區(qū)水文條件的分析，結合實驗室流量及尾門條件，選取橋區(qū)常年水流條件作為試驗參數，按照幾何比尺1:100進行換算，試驗條件與實際橋墩周圍情況對應，各物理量比尺及模型水流條件見表3～4。

表3 各物理量比尺

表4 模型水流條件

1.3 模型設計

根據近期嘉陵江航行船舶調查和有關規(guī)劃，工程河段通航船舶主要以500～3 000噸級駁船為主，以1 000噸級船舶數量最多，故選取1 000噸級駁船為研究對象，其尺寸為67.5 m×10.8 m×2.0 m(長×寬×吃水)，試驗船舶為動船模型，動力由電機馬達(可正反轉)、滑輪等對船模航行速度、方向進行調控。船首、船尾分別用細線連接，保證船舶始發(fā)時船舶無偏角。在試驗區(qū)段，以橋墩位置為中心，距離上下游2.5 m處布置滑輪軌道。電機轉速可調節(jié)，滿足順水船模試驗時船速為50 cm/s的要求。模型選用雙薄壁橋墩，兩薄壁尺寸為長65.0 cm，寬14.5 cm，高3.0 cm，根據原工程布置形式，橋墩布置于試驗段前200 cm、后300 cm處。防撞裝置選用內河通航橋梁防護中最常見的圓艏與尖艏2種形式。為比較2種防撞裝置的水力特性以及對船舶航行的影響，模型選擇尺寸接近的2種形式(圖3)。試驗水槽為矩形恒定流水槽，長31.0 m、寬2.0 m、高0.9 m，水槽底部為緩坡，比降為1%，試驗水槽及試驗段布置見圖4。本試驗采用HD-4B型非恒定流旋槳流速儀測量流速。流速儀布置在試驗段上游，每間隔30 cm布置1臺，對各區(qū)域初始水流進行測定。

圖3 防撞裝置模型及尺寸(單位：mm)

圖4 試驗水槽及試驗段布置(單位：m)

1.4 數據處理

試驗開始前，對模型船舶首尾作反光片示蹤處理，實物見圖5。試驗中，通過頂置高清攝像機對全試驗段船舶航行狀態(tài)進行攝錄，運用背景差分法讀取攝錄的視頻像素點，從而得到各時段船舶航行的軌跡坐標，最后連點成線形成各工況下的船舶航跡線，試驗結果采用10組數據的均值。坐標系以圖片左上角為原點，水平向右為x軸正方向，豎直向下為y軸正方向，以照片像素點為刻度單元，背景差分法讀取船舶坐標點的原理如圖6所示。

圖5 試驗船舶模型

圖6 背景差分法

2 試驗結果分析

試驗結果見圖7。其中，坐標原點O為試驗段起始位置，橫坐標x表示試驗段0～500 cm距離，上游200 cm處放置橋墩，縱坐標表示各條航線。

圖7 裸墩、圓艏、尖艏船舶航跡線

2.1 橋墩設防方式對船舶航行的影響

圖8是橋墩交角為0°、船墩間距1W時3種防撞裝置的艏向角變化歷程。從圖8可以看出，橋墩布設防撞裝置對船舶航行軌跡的影響與未布設防撞裝置裸墩時(簡稱裸墩)有顯著的差異。在裸墩時，船舶艏向角變化最大不超過1°；布設防撞裝置后，艏向角最大值超過3°，接近橋墩設防前的3倍。

圖8 設防前后船舶艏向角變化歷程

對比分析2種布設防撞裝置時的船舶艏向角，發(fā)現2種防撞裝置對于船舶艏向角的影響相差不大，最大值在2.8°～3.0°之間，航行過程中船舶航跡線及艏向角的變化規(guī)律始終保持一致，無法準確地比較出哪一種形式的防撞裝置對于航行船舶的影響最大。

為進一步探究何種形式的防撞裝置對于船舶航行的影響最大，對設防前后的船舶漂角進行分析，如圖9所示。由圖9可以看出，3種情況下的漂角變化規(guī)律基本保持一致，船舶在接近橋墩時(橋墩位于試驗段前200 cm處)，漂角開始向負值變化，最終在橋墩附近達到最大值，設防與未設防的最大值分別為-1.5°和-3.0°，兩者基本呈2倍關系。隨后船舶漂角開始向正值變化，最終在400 cm處恢復平衡，這是因為船舶是由馬達牽引的。尖艏型防撞裝置在500 cm處才恢復到0°附近，可以認為尖艏型防撞裝置對于船舶通航的影響比圓艏型防撞裝置大。

圖9 設防前后船舶漂角變化

結合以上分析及數值模擬可知，橋墩布設防撞裝置后墩周的流場形態(tài)會產生變化。圖10為橋墩設防與裸墩時墩周流場的數值模擬(橫向流速)。裸墩時產生的橫向流速最大為0.70 m/s，而布設2種防撞裝置時產生的橫向流速最大處分別可達1.86 m/s及1.75 m/s，這些橫流推動駛過橋墩的船舶發(fā)生偏轉。經研究，當船舶駛過橋墩時船首會受到遠離橋墩的力的作用而被推離橋墩，而防撞裝置的加入增大了這一作用。由圖10可知，以3W處為界限，裸墩時3W處橫流速度僅為0.17 m/s，而布設圓艏型及尖艏型防撞裝置時分別為0.47 m/s和0.43 m/s，前后兩者呈2.5倍關系。產生差異的原因在于防撞裝置擴大了橋墩的幾何尺度，使得迎水面壅水效應更加顯著。同時，側向及下游水位降低，出現明顯的水位落差，改變了橋墩附近的水流流動模式；橋墩中部位置的流速加快，呈現更大范圍的紊流，導致船舶橫漂，船舶的艏向角及漂角增大；橋墩后部的水流相較于布設防撞裝置前水流結構的變化更加劇烈，渦流形態(tài)更加復雜。所以，布設防撞裝置會擴大橋墩周圍的橫流區(qū)，增加影響船舶航行安全的風險；對比流速等值線圖區(qū)域面積可發(fā)現尖艏型裝置產生的紊流區(qū)大于圓艏型防撞裝置，綜合物理模型試驗的結果可以理解為尖艏型裝置對于船舶運動形態(tài)的影響大于圓艏型裝置。

圖10 不同防撞裝置下流速等值線

2.2 橋墩與水流交角對船舶航行的影響

分析橋墩與水流交角對船舶航行的影響，前文已得出布設尖艏型防撞裝置對船舶航行的影響最大，故以橋墩設防尖艏型防撞裝置為例進行墩-水交角不同時船舶漂角、艏向角的分析。圖11為橋墩不同斜交角對船舶艏向角的影響歷程，圖12為漂角影響歷程圖。可以看出，斜交角越大，船舶的艏向角越大，其中斜交角在0°～10°變化時，船舶艏向角變化較為顯著。當斜交角從10°向30°變化時，變化相對較小。不同斜交角下，各工況的圖像走勢相同，變化規(guī)律一致，漂角隨斜交角的增大略有變化。將表2中的紊流寬度數據制成圖13，根據圖像的斜率可以分析出墩-水交角在0°～10°之間時紊流寬度變化較為激烈，這是由于交角的變化擴大了阻水面積，導致紊流寬度激增，與艏向角變化保持一致；當交角大于10°時，紊流寬度的變化率下降。綜合艏向角規(guī)律分析可知，在交角為10°以內時對于船舶航行的影響較大，交角大于10°時對于航行的影響不大。

圖11 斜交角對船舶艏向角

圖12 斜交角對船舶漂角的影響

圖13 斜交角-紊流寬度變化關系

2.3 船墩間距對于船舶航行的影響

研究每一個工況下的5條航跡線，發(fā)現船墩間距由1W向5W變化時，航跡線變化幅度逐漸減小，這一規(guī)律可解讀為船舶航線越靠近橋墩，航跡線變化幅度越大；反之，航線離橋墩越遠，航行船舶受到的影響越小，航跡線越平穩(wěn)。經比較發(fā)現，當船墩間距超過3W時，航跡線趨于水平，船墩間距為4W及5W時船舶偏轉角度趨于0°，航跡線呈水平線形變化。以橋墩與水流夾角為30°(最不利工況)時為例，分別對設防前后的船舶航跡線變化較明顯的1W～3W的船舶艏向角歷程變化進行分析比較，如圖14所示。

圖14 橋墩設防前后船舶艏向角變化歷程

由圖14可以看出，船模出發(fā)時未出現艏向角，當航行到橋墩附近時開始偏轉，隨后由于馬達的牽引，船舶慢慢回正，在船舶駛過橋墩的過程中共經歷3個階段，分別為靠近橋墩、經過橋墩及駛離橋墩，設防與不設防時船舶艏向角的變化分別出現在對應的階段，變化規(guī)律基本相同。比較艏向角的大小可知，橋墩設防后艏向角峰值增大3倍，設防后對通航的影響較大。第一階段為船舶向橋墩靠近(坐標軸100～180 cm處)，過程中由于船速大于水流速度而不斷地擠壓水流，將水流推向墩周的同時，反作用力將船舶向外推，這時出現了第1次較為明顯的偏轉。從圖14可知，無論是否布設防撞裝置，船舶的偏轉角都在0.8°附近，進一步說明防撞裝置的加入并沒有增加橋墩前部的紊流寬度；第2階段為船舶經過橋墩，此時船舶位于紊流區(qū)(180～220 cm處)，船舶受到橫流的影響再度被推向遠墩側，受馬達牽引船舶回正；第3階段為駛離橋墩(220～300 cm處)，在經歷上一階段船舶回正的同時，船首到達墩尾，根據數值模擬及耿艷芬的研究，墩后存在負壓渦流區(qū)域，這將導致船舶出現掃尾的現象。當船墩間距增大時，布設防撞裝置前后的偏轉規(guī)律不變，且偏轉角度在船墩間距為3W時基本保持一致，說明無論是否設置這2種防撞裝置，船舶在經過橋墩時間距保持在3W以上時受到橫流的影響均較小。

3 結論

1)橋墩設防前后，船舶的航行軌跡線在船墩間距1W～3W之間所受影響較為顯著，對船墩間距4W～5W的航行軌跡影響不明顯，可將其規(guī)律概括為船舶離橋墩越遠，船舶航行軌跡變化幅度越小，航行越平穩(wěn)；船舶越靠近橋墩，船舶的航行軌跡線變化幅度越大，航行受到的影響也越大。

2)橋墩設防后與設防前相比較，布設防撞裝置對船舶航行軌跡線的影響較大。對比尖艏型與圓艏型防撞裝置對船舶航行軌跡線的影響，發(fā)現兩者對航行軌跡線的影響相差不大；對比艏向角漂角及軌跡線切線角度，發(fā)現尖艏型防撞裝置相對于圓艏型對船舶航行軌跡線的影響更大。

3)橋墩設防前后，當船墩間距一定時，船舶航行受斜交角的影響：斜交角越大，對船舶航行的影響越大，其中0°～10°變化較為明顯。