歐禮堅(jiān)+李德玉+徐海汐

摘 要：內(nèi)河旅游觀光船通常主尺度較小、重心較高、受風(fēng)面積較大、穩(wěn)性?xún)?chǔ)備少、加之乘客數(shù)量多，如果發(fā)生船舶與橋梁相撞，容易產(chǎn)生翻船事故，釀成重大災(zāi)難性事件。為了提高船舶航行的安全性，降低船舶與橋梁碰撞發(fā)生災(zāi)難性事故的概率，在船舶設(shè)計(jì)階段主尺度確定中引入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)論證方法是十分必要的。本文基于AASHTO模型，推導(dǎo)出定航線船舶營(yíng)運(yùn)期間碰撞橋梁的概率計(jì)算模型和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，并應(yīng)用于清遠(yuǎn)北江客船船型的主尺度論證。

關(guān)鍵詞： AASHTO模型；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；船舶主尺度

中圖分類(lèi)號(hào)： U661.313 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Generally， river passenger ship has relatively small size， high center of gravity and large wind area， thus their stability margin is low. Meanwhile， the ships are often overloaded and easily overturn if they collide with a bridge. In order to increase the ships navigation safety and decrease the probability that disastrous accidents happen when the ships hit the bridge， its necessary to apply the risk assessment and demonstration method during the design of the ships principal dimensions. Based on model AASHTO， this paper deduces the probability calculation model and disaster risk assessment method of the ships hitting bridges during fixed-course vessels operation period and applies it to the demonstration of principal dimensions of the Qingyuan North River passenger ship.

Key words： Model AASHTO；Risk assessment；Ship principal dimensions

1 前言

2015年6月1日，“東方之星”號(hào)旅游觀光船在長(zhǎng)江大馬洲水道因突發(fā)罕見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流天氣翻沉，造成442人死亡的特大災(zāi)難性事件。2016年6月4日，四川廣元白龍湖景區(qū)“雙龍?zhí)枴甭糜斡^光船因突遇強(qiáng)烈陣風(fēng)翻沉，造成15人遇難的重大災(zāi)難性事件。內(nèi)河旅游觀光船主尺度較小、重心較高、受風(fēng)面積較大、穩(wěn)性?xún)?chǔ)備少，容易發(fā)生翻沉事故。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的需要，內(nèi)河航道橋梁的數(shù)量越來(lái)越多。橋梁作為跨越航道的建筑物，對(duì)船舶航行安全影響較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1960 年至 2013 年，我國(guó)平均每年發(fā)生 8 起重大船撞橋事故[1]。其中 2005 ～2009 年發(fā)生 102 起船撞橋事故[2]。

墨菲法則認(rèn)為：風(fēng)險(xiǎn)是系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、關(guān)聯(lián)性和不確定性所決定的，不管常規(guī)的技術(shù)安全措施多么有效，該發(fā)生的事故依然會(huì)發(fā)生。人們?cè)陲L(fēng)險(xiǎn)面前也并不是無(wú)能為力、無(wú)所作為的，在科學(xué)的分析和評(píng)估基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)，可在風(fēng)險(xiǎn)和收益中取得最佳平衡[3]。隨著船舶大型化發(fā)展和通航密度不斷增大，船撞橋事故導(dǎo)致人員傷亡和環(huán)境災(zāi)難性破壞的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高。在船舶初步設(shè)計(jì)階段，采用基于船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法確定船舶主尺度，可將船撞橋風(fēng)險(xiǎn)水平和等級(jí)控制在可接受的范圍內(nèi)。

2 基于AASHTO模型船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的基本理論

2.1 船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的概率模型

AASHTO[4]船撞橋概率模型可操作性較強(qiáng)，被廣泛采用。AASHTO 模型采用基于碰撞概率分析方法，假設(shè)船舶在行駛時(shí)有預(yù)定航路，航路與橋梁之間有足夠的安全距離。船舶在航行過(guò)程中，由于某些原因進(jìn)入到可能與橋梁產(chǎn)生碰撞的區(qū)域，若此時(shí)船舶失去了控制，將導(dǎo)致船撞橋事故發(fā)生。AASHTO 模型船撞橋概率包括船舶進(jìn)入可能產(chǎn)生碰撞的航路區(qū)域的概率和船舶失去控制的概率。

船舶進(jìn)入可能碰撞航路區(qū)域的概率稱(chēng)為幾何概率pG，船舶失去控制的概率稱(chēng)為偏航概率pA，則船撞橋概率p為：

偏航概率pA代表船舶由于人、機(jī)、環(huán)境因素等導(dǎo)致船舶偏離正常航路的統(tǒng)計(jì)概率。AASHTO模型采用正態(tài)分布來(lái)模擬靠近橋墩的偏航船舶的航路，見(jiàn)圖1。假定正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差σ為船舶總長(zhǎng)，圖1中陰影面積即為幾何概率 pG。

2.2 單航次船舶撞橋概率

船舶從A港航行到B港共通過(guò)n座橋，船舶與每座橋的橋墩碰撞概率分別為。船舶與第i座橋的橋墩不碰撞的概率為：

2.3 定航線船舶撞橋概率

船舶從A港航行到B港共需通過(guò)n座橋，船舶在一年內(nèi)共從A港和B港之間航行x航次，共營(yíng)運(yùn)y年，其船撞橋的概率P。因?yàn)槊看魏叫卸际仟?dú)立的，每航次從A港到B港中通過(guò)n座橋也是獨(dú)立的，所以問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為求船舶通過(guò)1橋xy次，i橋xy次，n橋xy次碰撞橋墩的概率。

因此，定航線船舶y年?duì)I運(yùn)期內(nèi)與橋發(fā)生碰撞的概率P為：

2.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)決策方法

船撞橋的風(fēng)險(xiǎn)R是船撞橋的概率p及其造成的損失c的某種函數(shù)形式，其表達(dá)式如下：

基本流程包括風(fēng)險(xiǎn)定義、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。根據(jù)事故的后果將風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度分成若干等級(jí)，并考慮各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來(lái)，定出風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則。

首先，根據(jù)事故的后果將風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度分成四個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1；其次，劃分各種災(zāi)害發(fā)生的概率水平，見(jiàn)表2；第三，將各種災(zāi)害下的事故后果和災(zāi)害發(fā)生的概率水平結(jié)合起來(lái)決定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，見(jiàn)表3；最后，確定風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則，見(jiàn)表4。

3 基于AASHTO模型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的船舶主尺度論證的應(yīng)用

3.1 客船主尺度論證背景及橋梁參數(shù)

清遠(yuǎn)北江觀光休閑游線路為從市區(qū)到飛來(lái)峽沿岸水上觀光旅游航線，屬于廣東省重點(diǎn)監(jiān)管水域，航線大約25 km，單航次航行時(shí)間大約2.5小時(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年北江旅游觀光的游客量達(dá)250萬(wàn)人次，有約200艘旅游船在景區(qū)營(yíng)運(yùn)。根據(jù)清遠(yuǎn)市發(fā)展規(guī)劃，預(yù)測(cè)到2020年清遠(yuǎn)北江旅游觀光游客為350萬(wàn)人次，2030年達(dá)到650萬(wàn)人次。

為了滿(mǎn)足旅游市場(chǎng)的發(fā)展需求，必須開(kāi)發(fā)新船型。清遠(yuǎn)北江旅游項(xiàng)目從市區(qū)到飛來(lái)峽沿岸水上觀光旅游航線，船舶航行需通過(guò)6座橋梁，橋梁的主要通航參數(shù)見(jiàn)表5。因?yàn)榭痛l(fā)生碰撞橋墩事故可能導(dǎo)致大量乘客傷亡，事故風(fēng)險(xiǎn)后果屬于災(zāi)難性的，所以在船型主尺度的論證中進(jìn)行了船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

3.2 船撞橋造成船舶傾覆風(fēng)險(xiǎn)分析

橋墩承臺(tái)與船舶發(fā)生碰撞時(shí)，船舶承受的撞擊力可按下式計(jì)算[6]：

3.3 客船碰撞橋墩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及決策

采用AASHTO模型對(duì)船型1-10進(jìn)行概率計(jì)算和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，旅游船每年約營(yíng)運(yùn)180天，每天通常航行2個(gè)航次，航速為20 km/h；普通船舶單航次偏航概率約為0.6×10-4。船型1-10在漂角β為0、1°和2°下碰撞橋墩的概率水平、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)決策準(zhǔn)則如表6。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，船型1-4的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為中風(fēng)險(xiǎn)，屬于可接受船型，要重點(diǎn)安全檢查和管理。從客船碰撞橋梁可接受災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)看，建議選取編號(hào)1-4船型作為清遠(yuǎn)北江旅游船主力發(fā)展船型。

4 結(jié)論

跨越航道的橋梁對(duì)船舶航行安全的影響較大，為了控制船撞橋事故的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)水平，采用基于AASHTO模型的船撞橋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法是可行的，在船舶初步設(shè)計(jì)階段，可采用這種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，給出決策意見(jiàn)和建議。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)際船橋相撞及其防護(hù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[2] 譚志榮. 長(zhǎng)江干線船撞橋事件機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法集成研究[D]：[博士學(xué)位論文].武漢理工大學(xué)， 2011.

[3] 張圣坤 白勇 唐文勇. 船舶與海洋工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[M].：國(guó)防工業(yè)出版

[4] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. American Association of State Highway and Transportation Officials， Washington D. C.， 2010.

[5] 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范（TB10002.1 2005），中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].2005.

[6] 廣東省清遠(yuǎn)市人民政府辦公室.清遠(yuǎn)市水上交通突發(fā)事件應(yīng)急反應(yīng)預(yù)案，2010.6.

[7] 歐禮堅(jiān). 北江四橋通航安全影響論證報(bào)告.華南理工大學(xué)船舶與海洋工程研究所. 2014.10.