桥梁通航净空尺度动态监测预报系统研究

余平  杜永春  庄怀博

 安徽省港航建设投资集团有限公司 安徽合肥 230001

摘要：以芜申运河安徽段航道上桥梁通航净空尺度为研究对象，通过对桥梁通航净空进行监测，分析收集的通航信息数据，数据中心对数据分析处理后通过信息平台及时向过桥船员发布，以便船员根据实际通航信息决定行动计划，最大限度地避免船舶撞击桥梁事件的发生，保护生命财产安全。

关键词：桥梁通航；净空尺度；动态监测；预报

1引言

桥梁通航净空尺度包括净高和净宽。桥梁的通过能力与桥梁通航净空尺度密切相关。因高度不足发生卡船、因宽度不足（偏离航道）发生船撞击桥墩的事故在世界各国时有发生。船撞桥国际数据库记录的1960年至1993年间以及中国撞船事故数据库SCB统计1959年以来多起船撞桥事故，造成了严重的人员伤亡和财产损失。运河航道上也发生过船撞桥事件。2017年，芜申运河安徽省段临江桥近期就发生过船舶轻微擦撞上部结构的事例，所幸没有造成损失。

芜申运河传说是“大禹导中江”时开凿，以连通长江与太湖；唐朝开始通航。老航道因水位变化大、深浅不一、碍航桥梁多的原因，航道等级只有6-7级，个别地段是等外级，只能通航60t-100t的船舶，实际上是通而不畅。20世纪50年代靠长江入江口航道，两岸民房与河岸连成一片，船只堵塞航道。20世纪80年代航道有了很大改变，但依然无法满足经济发展对水运的需求。本世纪初每年经南京运往上海的货船达2万艘，比从芜申运河运输要绕行170多公里，增加上亿元的成本。为减轻长江航道运输压力，节约社会成本，2006年8月启动芜申运河安徽段限制性Ⅲ级航道建设，并对沿线大部分碍航桥梁进行拆除重建。等级提高后的航道西起安徽省芜湖市青弋江入长江口处，沿青弋江、水阳江于省界丹农砖瓦厂进入江苏省高淳县境内，过杨家湾船闸和固城湖，再经溧阳、宜兴两市，在大浦口入太湖，穿太湖经太浦口沿太浦河在吴江市尖田村进入上海市，全长约296公里，其中安徽段全长40.84公里。

为保证桥梁通航安全，建设、运营、海事等相关部门在桥梁上及其附近设置防撞设施及助航标志，较好地起到了预防事故的作用。但由于桥梁建设标准不统一以及大雾、超载、船舶尺寸改变、违章航行、夜航等客观原因的存在，目前的被动式防护需要变成船舶驾驶员主动避让，才能更大程度上避免船撞桥事故的发生。实时监测桥梁净空尺度，在桥梁及其附近建设信息化平台，提前准确告知船舶驾驶员相关信息，就成了当前研究的热点。

 本文以芜申运河安徽段为依托，通过分析船撞桥事故类型，找出船撞桥事故主要原因；调查芜申运河桥梁现状，找出最具设置实时监测要求的桥梁，针对船撞桥主要原因设计主要监测数据。把实时监测数据发布到信息平台，保障桥梁和船舶安全，提升服务能力。主要研究内容为通航净空尺度实时监测与实时监测信息的预报。

2 调查研究

2.1芜申运河上桥梁现状和航道等级情况

从表1可看出，芜申运安徽段航道上存在市政桥梁、公路桥梁、铁路桥梁；临江桥、芜马高速公路桥、芜宣高速公路桥不符合限制性Ⅲ级航道标准。由于桥梁建设与航道规划建设不同步，造成桥梁建设标准与后来航道等级不匹配，一条航道上存在不同时期建设的不同净空尺度标准的桥梁。新旧桥“高低杠”的现象无疑会增加船撞桥的风险。

 2.2调查运输船舶

芜申运河航道采用限制性Ⅲ级航道标准，规划船型为1顶2×1000t船队、1000t货船。船型具体数据见表2。 由于航道等级的提高，航行条件较原来有较大改善；江海直达轮进入内河；大宗货物运输对公路的破坏造成社会成本增加、环保理念已深入人心等等原因，客观上造成运输船舶大型化趋势。受船闸宽度的影响，船舶大型化的先期趋势是加大吃水深度和船长，这对通航净空尺度都提出了新的考验。                   

表1 芜申运河上桥梁现状和航道等级情况

表2  船型

通过对芜申运河安徽段运输船舶的调查得知，运输船舶组成比较复杂，既有比规划船型大的船舶，也有比规划船型小的船舶，而且水泥船、钢结构船都有。粗略统计单艘船运量及其构成比例如下：每年7月份前后，水位较高时通行船舶最大吨位达2800吨，其船舶尺寸也大于规划船型尺寸，特别是吃水深度达到2.5m～3.0m，数量约占5%左右；900吨～1300吨是常见船舶，船舶尺寸与规划船型尺寸相当，数量约占50%；其它比规划船舶小的船舶，数量约占45%。

船舶大型化才是影响桥梁通过能力的关键。如果大型船舶驾驶员对桥梁通航净高、净宽信息不能及时撑握，就不能根据自己船舶的实际尺寸及时做出决策，会给内河航运安全带来不利的影响。

3.3 事故原因分析

据中国撞船事故数据库SCB统计，1959年以来，我国长江、黑龙江、珠江三大水系干线上发生的有记录事故213起。按撞桥部位分析，撞桥墩的148起，占69.15%；撞桥墩防撞设施的20起，占9.4%；撞桥梁上部结构的12起，占5.6%。从非桥梁方面原因统计分析，人员操作失误占74%，恶劣自然环境占21%，机械故障占5%。能见度越低，事故发生概率越大；夜间航行事故率是白天的4.5-12倍；船下行发生事故的概率是上行的2.6倍。

船撞桥事故归根结底是桥梁净空尺度不够造成的。对于一跨过河、水中没有墩柱的桥梁，是没有因净宽原因发生船撞桥事故的，同样对于足够高的桥梁也不会发生桥卡船现场。桥梁建设对通航的影响主要有：一、桥梁净高不足，可能发生桥卡船期事故；二、桥墩多，桥梁净宽不足，可能发生船期撞桥墩；三、主通航孔不全在航道深槽，或者主通航孔下河床不平产生碍航水流；四、水流流向与桥梁轴线的法线方向夹角大，行船不稳。

由于桥梁净空尺度不能无限加大的客观事实，就需要对通航行为进行管理和引导。

2.4 现有桥梁防撞措施分析

为保证桥梁通航安全，在桥梁附近设置了不少助航标志。比如在桥梁上下游设置桥梁净高标志，在通航孔设置了水位尺，在桥墩做了防撞浮箱、防撞护舷、防撞墩设计，在桥梁上设置禁、通航标志等，较好地起到了预防事故的作用。但这些助航标志大多是静态标志，属于被动防护类型。由于大雾、超载、船舶尺寸改变、违章航行、夜航等客观原因的存在，被动式防护在船舶驾驶员获取通航信息的途径往往不太顺畅，给通航安全带来不利影响。“互联网+”和航道信息化的发展，使得船舶驾驶员主动避让成为可能。

2.5解决途径

桥梁建设完成后，一定时间段内梁底高程、桥墩之间间距不会改变，要尽量减少船撞桥事故的发生，就必须从管理上着手。静态的信息需要驾驶员去读取、分析、判断、做出决策，这就存在驾驶员是否及时读取相关信息、能否及时判断信息对航行的影响、采取措施的反映时间够不够等诸多问题。通过对桥梁通航净空信息的实时监测，主动预报相关信息，及时告知航道状况，从管理手段上可以实现变被动防护为主动避让的改变，会最大限度地减少船撞桥发生的机会。

3 桥梁通航净空尺度实时监测及预报系统应用研究

3.1桥梁通航净空尺度实时监测

3.1.1净高

桥梁通航净空高度是指在满足通航要求时，桥孔范围内所规定的从设计通航水位算起的最小净空要求，即代表船型的船舶或船队安全通过桥孔的最小高度。根据《内河通航标准》规定，净高起算面为设计最高通航水位。通航净空高度数值为代表船型空载水线以上至最高固定点高度与富裕高度之和。

根据多年观测，芜申运河河槽走向及河床高程变化较小，基本处冲淤平衡状态，水流造床作用微弱，所以实际河床高程可以认为是不变的。当净高大于桥梁最低点至河床顶面距离与设计船舶吃水深度之差时，则有可能搁浅。所以得出：

Hm<Hz-Hs......①桥卡船报警

Hm>Hz-Hc......②搁浅报警

图1 桥梁通航净空示意图

Bm1----单向通航孔的通航净宽（m）；Hm----桥梁通航净高（m）；H----航道水深（m）

ΔH----富余高度（m）：一般取1m；b----上底宽（m）；a----斜边水平距离（m）

h----侧高（m）；DHNWL----设计最高通航水位（m）；DLNWL----设计最低通航水位（m）

Hz-Hc≧Hm≧Hz-Hs......③正常航行

Hm-----实测桥梁底至水面距离(m)；Hz-----桥梁底至设计河床距离(m)；Hs----最高通航水位至设计河床距离(m)；Hc----最小通航水深(m)，3.2m

以芜申运河安徽段临江桥为例，梁底最低高程15.21m，查航道设计图河床设计高程为-1.7m（实际河床高程比设计高程低，计算搁浅时按实际河床高程控制既使通过桥梁也通不过其它按设计底高程控制的航道地段），因此Hz=15.21-(-1.7)=16.91m；设计最高水位9.60m。

Hm<16.91-9.6-1.7=5.61(m)----①桥卡船报警；

Hm>15.21-(-1.7)-3.2=13.71(m)-----②搁浅报警；

5.61≦Hm≦13.71----③不报警，船舶正常通行。

相对于其它桥梁，输入桥梁实际数据即可。本研究只针对设计船型进行分析，对于影响桥梁通过能力的大型船舶，可根据其目的地和航行段航道情况专门设计报警限值，供区域性航行指导。

3.1.2净宽

净空宽度是指设计最低通航水位时，通航孔间两桥墩内缘最小直线距离。船舶过桥所需通航宽度与船队宽、船队长、漂角、桥与航道夹角、紊流宽度等有关。芜申运河安徽段通航孔是单孔单向通航，根据《内河通航标准》，当桥梁轴线的法线方向与水流方向夹角小于5°时，通航净宽可以按下列公式计算：

Bm1<B_F+ΔBm+Pd......④报警 ，其中 B_F=Bs+Lsinβ.........⑤

式中：Bm1----单孔单向通航净宽（m）；B_F----船舶或船队航迹带宽度（m）；ΔBm----船舶或船队与两侧桥墩间的富裕宽度（m）,Ⅰ～Ⅴ级航道取0.6倍航迹宽度；Pd----下行船舶或船队的偏航距（m）,可按表2取值；Bs----船舶或船队宽度（m）；----船舶或船队长度（m）； Β-----船舶或船队的航行漂角（°），Ⅰ～Ⅴ级航道取6°。        

表3  Ⅲ级航道各级横向流速下船舶下行偏航距(m)

所以公式④代入数据后变为：Bm1=10.8+160×sin6°+0.6×（10.8+160×sin6°）+10=10.8+160×0.104+0.6×(10.8+160×0.104)+10=53.904m。

即实测通航孔两桥墩内缘间距离B<53.904m通航宽度时报警。如果桥梁轴线的法线方向与水流方向夹角θ>5°时，则B值要进行修正。假设墩柱正截面宽度为B1，墩柱轴线方向长B2，则B=[B-(B2×tgθ+B1)]×cosθ......⑥。

3.2信息采集、传输与发布

3.2.1数据采集

以净高为例。水位测量仪器从水位感应的种类上分类有浮子式、压差式、超声波式、电容式、电极感应式、磁致伸缩式、图像视觉式、雷达等检测方式等。从表4各种仪器对比分析中可知，雷达水位计抗干扰能力强，不受温度、风、蒸汽等影响，安装、使用、维护方便。该水位传感器具有技术成熟、性能稳定、精度高等鲜明的优点，适合对测量精度要求较高的场合测量水位使用。雷达无机械磨损，所以寿命长也更容易维护。根据芜申运河通航环境，选用雷达水位测量系统。

表4 水位测量方案对比

项目	压力式	浮子式	超声波式	雷达式
最小分辨率	1mm	1mm-10mm	10mm-50mm	1.5mm
满量程精度	大于0.25%	大于0.3%	大于0.25%	大于0.25%
零点稳定性	易漂移	易漂移	不易漂移	不易漂移
机械磨损与故障	无	有	无	无
水比重影响	有	有	无	无
是否与水体接触	接触	接触	非接触	非接触
辅助建筑物	需静水压强	防浪桶	水面上有支架	水面上有支架
维护周期	1年	1年	2年以上或免维护	备案信息 举报中心 举报中心 行业协会 网络110 互联网协会 举报热线 首都协会 本站持《出版物经营许可证》 仅从事《道路交通管理》杂志的网上订阅工作,非任何杂志官网,并不涉及杂志社的出版等事务,特此声明！ 工信部备案：湘ICP备2025122662号-1，营业执照统一社会信用代码：91430721MAEHMRR7OE， 出版物经营许可证号：新安新出发证字第2025002号 特别声明:本站资料均源于网上的共享期刊资源，请特别注意，勿做其他非法用途。 如有侵犯您的版权或其他有损您利益的行为，请联系指出，期刊咨询服务平台会立即进行改正或删除相关内容! 扫码添加微信咨询 QQ客服：1663286777 电话：137-1883-9017 收到信息将及时回复