顺直航道矩形桥墩防撞领域确定方法及桥墩防撞装置与流程

本发明涉及水利工程防护物领域，尤其涉及顺直航道矩形桥墩防撞领域确定方法及桥墩防撞装置。

背景技术：

桥梁极大改善了我国的运输条件，是我国交通网络的重要构成部分。改革开放以来，我国跨海和跨江桥梁越来越多。据相关资料统计，我国主要的三大内陆航运水系，即长江水系、珠江水系和京杭运河水系，现有的各种桥梁近300余座。桥梁建设能有效促进经济的发展，但是桥梁建设必须充分考虑桥区的通航水环境，合理布置好桥区航道和浮标，以有效控制船舶的安全通航并避免撞桥事故的发生，否则桥梁会成为制约安全通航的“瓶颈”。如黄石长江大桥，由于选址在水运繁忙而河道弯曲的水域，不良的水流条件及浮标设置不够科学，加上驾引人员应变能力较差造成碰撞事故频发。仅在1993年4月16日至9月16日的147天中，就发生撞桥事故16起，沉船9艘，直接经济损失数百万元。据长江海事局统计，截止到2003年8月，长江干线大桥共发生船桥相撞事故120多起。2007年6月15日，广东九江大桥被船撞塌，造成严重人员伤亡，直接经济损失达亿元。浙江沿海举世瞩目的舟山跨海大桥，分别于2008年3月27日和2009年11月16日发生船舶撞桥事故，造成人员失踪、船舶下沉损失和桥墩损坏。以上交通事故的发生，虽然在很大程度上与驾引人员疏忽有关，但也与桥区浮标布置不够科学有一定的关联度。桥墩防撞领域是桥区航道和浮标布置的重要依据，桥区的浮标和航道应该布置在桥墩防撞领域之外。因此有必要确定桥墩防撞领域的范围。

中国专利公告号cn206157666u，授权公告日2017年05月10日，本实用新型属于桥梁的防撞工程技术领域，提出一种桥墩的防撞装置，提出的一种桥墩的防撞装置具有设置在桥墩外围的防撞内环；防撞内环(3)为由多块刚性中空箱体组合而成的环状；在防撞内环(3)与桥墩(1)之间填充有多个缓冲器(2)；防撞内环(3)的外侧设置有防撞外环；防撞外环(5)为由多块刚性中空箱体组合而成的梭形结构；防撞外环(5)梭形结构的两端具有多个用以放置非线性钢丝绳缓冲吸能器(6)的空腔；防撞外环(5)的外壁面上设置有滚筒支座环(8)，滚筒支座环(8)至少为上下设置的两层，并在上下相邻两层滚筒支座环(8)之间设置钢胶复合滚筒(9)。本实用新型对保障船舶通行安全和保证桥梁运营安全方面具有重要的意义。但是，上述桥墩防护装置设有复杂的桥墩外围结构，容易增加墩吸流，增加桥墩周围水流结构的复杂性，特别是在桥墩间距较小时，反而会增加船桥相撞的可能性，因此需要设计一种更加安全的桥墩防撞装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：1、确定桥墩防撞领域的范围；2、设计一种更加安全的桥墩防撞装置。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：一种顺直航道矩形桥墩防撞领域确定方法，适用于矩形桥墩，设定d为桥墩防撞领域范围，也即是“墩吸流”消失点距离桥墩表面的最大距离，影响d的因素是桥墩特征宽度b及航道轴线的流速u，其中，桥墩特征宽度为桥墩宽度在垂直于水流主流向的最大宽度，其特征在于，确定d的方法为：首先建立d的计算模型，然后对上述计算模型进行数值模拟，最后运用所求数据拟合出d随着桥墩特征宽度b及航道轴线的流速u的变化曲线并得出d的经验表达式。

作为优选，所述计算模型采用的rngk-ε模型，所述模型的控制方程组包括：

(1)质量守恒方程(连续方程)：i＝1,2

(2)动量守恒方程：i＝1,2

(3)k-方程：i＝1,2

(4)ε-方程：i＝1,2

以上方程组中相关参数的含义为：xi(＝x,y)代表轴向和径向方向的坐标；ui(＝ux,uy)代表轴向和径向方向的水流流速；ρ表示水流的密度；p表示压强；ν表示水流的动力黏度；νt表示涡黏度，νt＝cμ(k²/ε)，k表示紊动能，ε表示紊动能耗散率，cμ＝0.085，其他参数的取值如下：η＝sk/ε，c1＝1.42，ηo＝4.377，λ＝0.012，c2＝1.68，αk＝αε＝1.39，

其中，边界条件按照以下方法处理：

(1)入流边界条件有入流平均流速、湍流动能分布、湍流动能耗散率分布。它们的数学表达式分别为：uin＝u；k＝0.0144u²；ε＝k^1.5/(0.25b)，其中：u为航道入口流速，b为航道宽度；

(2)出流边界处理方法如下：假定出流充分发展；

(3)壁面边界处理方法为：边界层流中采用无滑移假定，也即是，壁面边界的速度与边界节点速度分量都相等。

作为优选，通过权利要求2中的模型求得若干组关于防撞领域范围d与桥墩特征宽度b和航道轴线的流速u之间关系的数据，通过所得点坐标拟合出d的曲线，从而获得顺直航道矩形桥墩防撞领域d的经验表达式。

作为优选，一种桥墩防撞装置，使用权利要求3中得出的顺直航道矩形桥墩防撞领域d的经验表达式，包括水流传感器、若干个压力传感器、若干个移动浮标、处理器模块、压力式喷水装置和浮标固定盘，所述处理器模块用于通过经验表达式计算防撞领域d的大小、处理信号以及控制压力式喷水装置和浮标固定盘；所述水流传感器固定在桥墩上，与处理器模块连接，用于测量水流的速度大小和方向，其数据被用于d的经验表达式；所述压力传感器固定在移动浮标内部，均与处理器模块连接，用于判定船只是否进入顺直航道矩形桥墩防撞领域d的内部；所述浮标固定盘水平固定在桥墩下的水底，包括盘体和若干个滑动装置，所述滑动装置在盘体上水平移动并与处理器模块连接；所述移动浮标通过锚链锚碇于浮标固定盘的滑动装置上，并通过滑动装置的滑动来改变距离桥墩的距离；所述压力式喷水装置固定在桥墩的水面下方，包括压力腔和喷水口，与处理器模块连接，所述喷水口为转动式喷水口，喷水口可以绕桥墩转动，所述压力腔的开闭和喷水口的转动方向受处理器模块控制，用于向进入防撞领域d内部的船只底部喷射水柱。

作为优选，所述滑动装置为导轨式滑轮装置，包括固定在圆盘上的若干条呈以桥墩中心为圆心的辐射状导轨和若干个滑动电机，滑动电机在导轨内移动，从而带动移动浮标靠近和远离桥墩。

作为优选，所述桥墩防撞装置通过以下步骤进行防撞：

s1：处理器模块通过水流传感器获取水流速度的大小和方向，从而计算出桥墩特征宽度b和航道轴线的流速u，并通过d的经验表达式计算出防撞领域d的大小；

s2：通过滑动装置将移动浮标移动到防撞领域d的边缘处；

s3：当接连多个防撞浮标的压力传感器依次产生压力信号时，判定为船只进入防撞领域d内部并记录产生信号的第一个压力传感器的位置，处理器判定船只进入防撞领域d；

s4：处理器模块开启压力式喷水装置，将喷水口移动到第一个压力传感器的方向，然后打开压力腔向进入防撞领域d内部的船只底部喷射水柱，进而减少墩吸流的大小，迫使船只远离桥墩。

本发明的实质性效果是：通过建立模型、数值模拟和回归分析方法，得出矩形桥墩防撞领域d的经验表达式，并设计出一种主动式桥墩防撞装置，它安装有通过水流的变动来调节防撞领域大小的移动浮标，并且通过压力式喷水装置迫使船只远离桥墩。

附图说明

图1为根据数值计算所得结果拟合出的防撞领域d与相关因素之间的关系曲线图。

图2为斜流条件下的桥墩特征宽度示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

在通航水域建设桥梁以后，由于桥墩的存在，水流结构会发生改变，桥墩附近存在“墩吸流”和“墩推流”。“墩推流”可以推动船舶远离桥墩，对船舶运动和桥梁而言相对安全，而“墩吸流”有诱导船舶撞桥的作用，因此该流往往是船舶撞桥的重要诱因之一。因此本文将“墩吸流”距离桥墩表面的最大距离定义为桥墩的防撞领域。为了船舶和桥梁的安全，船舶不应闯入此领域范围之内。同时为了提醒船舶远离桥墩防撞领域区，桥墩附近往往也应设置有闪特定灯光的“桥浮”，以警示船舶远离该领域。相关文献已经表明，影响桥墩水流结构的重要因素是桥墩迎流面的特征宽度和附近水流的弗劳德数，而影响弯道桥区附近弗劳德数的重要因素是弯道总流速。因此，影响桥墩防撞领域的因素是桥墩特征宽度(桥墩宽度在垂直于主流向的最大宽度)b及航道轴线的流速u，即d＝f(b,u)。上式中：d为桥墩防撞领域范围，也即是“墩吸流”消失点距离桥墩表面的最大距离。b为桥墩的特征宽度，u航道轴线流速。

一种顺直航道矩形桥墩防撞领域确定方法，适用于矩形桥墩，设定d为桥墩防撞领域范围，也即是“墩吸流”消失点距离桥墩表面的最大距离，影响d的因素是桥墩特征宽度b及航道轴线的流速u，其中，桥墩特征宽度为桥墩宽度在垂直于水流主流向的最大宽度，确定d的方法为：首先建立d的计算模型，然后对上述计算模型进行数值模拟，最后运用所求数据拟合出d随着桥墩特征宽度b及航道轴线的流速u的变化曲线并得出d的经验表达式。

计算模型采用的rngk-ε模型，所述模型的控制方程组包括：

(1)质量守恒方程(连续方程)：i＝1,2

(2)动量守恒方程：i＝1,2

(3)k-方程：i＝1,2

(4)ε-方程：i＝1,2

以上方程组中相关参数的含义为：xi(＝x,y)代表轴向和径向方向的坐标；ui(＝ux,uy)代表轴向和径向方向的水流流速；ρ表示水流的密度；p表示压强；ν表示水流的动力黏度；νt表示涡黏度，νt＝cμ(k²/ε)，k表示紊动能，ε表示紊动能耗散率，cμ＝0.085，其他参数的取值如下：η＝sk/ε，c1＝1.42，ηo＝4.377，λ＝0.012，c2＝1.68，αk＝αε＝1.39，

其中，边界条件按照以下方法处理：

(1)入流边界条件有入流平均流速、湍流动能分布、湍流动能耗散率分布。它们的数学表达式分别为：uin＝u；k＝0.0144u²；ε＝k^1.5/(0.25b)，其中：u为航道入口流速，b为航道宽度；

(2)出流边界处理方法如下：假定出流充分发展；

(3)壁面边界处理方法为：边界层流中采用无滑移假定，也即是，壁面边界的速度与边界节点速度分量都相等。

通过上述模型求得若干组关于防撞领域范围d与桥墩特征宽度b和航道轴线的流速u之间关系的数据，通过所得点坐标拟合出d的曲线，从而获得顺直航道矩形桥墩防撞领域d的经验表达式。

上述模型的数值计算的结果如下表：

根据上表的数据，绘制出曲线图见图1。由图1可以看出，顺直航道矩形桥墩防撞领域d与桥墩的特征宽度b成线性关系，且特征宽度b越大，则矩形桥墩防撞领域d越大。这主要是因为，桥墩迎流面的特征宽度b越大，水流在桥墩附近的绕流范围也越大，从而导致桥墩在航道方向上的“墩吸流”范围也越大。图1还表明，顺直航道矩形桥墩防撞领域d与航道总流速u大致成幂指数关系，且总流速u越大，则矩形桥墩防撞领域d也越大。这主要是因为总流速u越大，水流在桥墩附近的绕流范围也增大，从而增大了“墩吸流”范围。拟合图1中的曲线，可得到如下顺直航道矩形桥墩防撞领域d的经验表达式：d＝(0.56b+0.26)u^0.35。上式的试用范围为：桥墩的特征宽度b在0.5-4.5m范围内，桥墩附近的流速在1m/s-6m/s之内，这是一个量纲不和谐的经验公式，但对实际工程有指导价值。

当矩形桥墩与航道入口流速u之间存在一定的夹角β(如图2所示)，则斜流条件下的矩形桥墩特征宽度b'可以表达为：b′＝lsinβ+bcosβ。上式中：l为桥墩长度，b为桥墩宽度，β为航道总流向与桥墩之间的夹角。由公式(6)可知，斜流条件下的矩形桥墩的防撞领域为：d＝[0.56(lsinβ+bcosβ)+0.26]u^0.35。

一种桥墩防撞装置包括水流传感器、若干个压力传感器、若干个移动浮标、处理器模块、压力式喷水装置和浮标固定盘，处理器模块用于通过经验表达式计算防撞领域d的大小、处理信号以及控制压力式喷水装置和浮标固定盘；水流传感器固定在桥墩上，与处理器模块连接，用于测量水流的速度大小和方向，其数据被用于d的经验表达式；压力传感器固定在移动浮标内部，均与处理器模块连接，用于判定船只是否进入顺直航道矩形桥墩防撞领域d的内部；浮标固定盘水平固定在桥墩下的水底，包括盘体和若干个滑动装置，滑动装置在盘体上水平移动并与处理器模块连接；移动浮标通过锚链锚碇于浮标固定盘的滑动装置上，并通过滑动装置的滑动来改变距离桥墩的距离；压力式喷水装置固定在桥墩的水面下方，包括压力腔和喷水口，与处理器模块连接，喷水口为转动式喷水口，喷水口可以绕桥墩转动，压力腔的开闭和喷水口的转动方向受处理器模块控制，用于向进入防撞领域d内部的船只底部喷射水柱。压力式喷水装置还可以由安全气囊和压力式喷气装置进行替换，不过实施效果不如压力式喷水装置好。此外，压力传感器还可以由其他传感器进行替换，如加速度传感器等，但是加速度传感器作为判断船只进入防撞领域d的参数依据时，在桥墩附近水流突然变换时，容易做出误判，实施效果不如压力传感器好。

滑动装置为导轨式滑轮装置，包括固定在圆盘上的若干条呈以桥墩中心为圆心的辐射状导轨和若干个滑动电机，滑动电机在导轨内移动，从而带动移动浮标靠近和远离桥墩。

桥墩防撞装置通过以下步骤进行防撞：

s1：处理器模块通过水流传感器获取水流速度的大小和方向，从而计算出桥墩特征宽度b和航道轴线的流速u，并通过d的经验表达式计算出防撞领域d的大小；

s2：通过滑动装置将移动浮标移动到防撞领域d的边缘处；

s3：当接连多个防撞浮标的压力传感器依次产生压力信号时，判定为船只进入防撞领域d内部并记录产生信号的第一个压力传感器的位置，处理器判定船只进入防撞领域d；

s4：处理器模块开启压力式喷水装置，将喷水口移动到第一个压力传感器的方向，然后打开压力腔向进入防撞领域d内部的船只底部喷射水柱，进而减少墩吸流的大小，迫使船只远离桥墩。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。