大型人工復(fù)式航道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

孟照意，季則舟

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

0 引言

建于淺水水域的綜合性港口都有人工開(kāi)挖的長(zhǎng)航道，航道通過(guò)能力往往是制約港口發(fā)展的瓶頸，而小型船舶過(guò)多并占用深水航道資源是影響航道通過(guò)能力的重要原因。復(fù)式航道是指同一航道斷面有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同通航水深的航道，主要用于解決單向航道或雙向航道通過(guò)能力不足的問(wèn)題，通過(guò)大小船舶分流實(shí)現(xiàn)航道通過(guò)能力和交通效率的提升，其優(yōu)勢(shì)在于充分發(fā)揮大船航道的能力，可顯著減低工程投資。

由于復(fù)式航道涉及交通組織、交通規(guī)則、交通安全等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。天津港復(fù)式航道是我國(guó)第一條人工復(fù)式航道，于2014年01月投產(chǎn)，至今航道運(yùn)行平穩(wěn)[1-2]。2018年航道通過(guò)船舶26 314艘次（不含非生產(chǎn)船舶），港口吞吐量完成5.1億t。本文以天津港復(fù)式航道為例闡述人工復(fù)式航道適用條件、斷面設(shè)計(jì)及交通組織模式，為類(lèi)似港口航道建設(shè)提供借鑒。

1 問(wèn)題的提出

天津港是我國(guó)坐落于淤泥質(zhì)海岸最大的人工港，人工開(kāi)挖主航道長(zhǎng)約45 km。作為我國(guó)北方大型綜合性港口，天津港港口貨物吞吐量和進(jìn)出港船舶數(shù)量逐年增長(zhǎng)，2007年完成貨物吞吐量30 946萬(wàn)t，船舶到港達(dá)28 071艘次，船舶進(jìn)港密度80.2艘次/d。船舶數(shù)量的快速增加給航道通航帶來(lái)很大壓力，進(jìn)而制約了港口吞吐量的增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，到港船舶中萬(wàn)噸級(jí)及以下船舶占比約70%左右，而10萬(wàn)噸級(jí)以上船舶占比僅2.19%。萬(wàn)噸級(jí)及以下小型船舶居多，占用深水航道航行，使深水航道資源不能有效利用，且小船航速低，大幅降低了航道整體的通過(guò)能力；同時(shí)口門(mén)內(nèi)航道水域受船流交叉等因素影響，制約了航道通過(guò)效率。根據(jù)天津港發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)[3]，天津港航道將不能滿足港區(qū)船舶通航需求。受口門(mén)內(nèi)水域條件限制，新建航道困難且投資巨大，為解決上述問(wèn)題，提出復(fù)式航道方案，使大、小型船舶分開(kāi)航行，優(yōu)化船舶組織，提高航道能力。

2 復(fù)式航道斷面設(shè)計(jì)

復(fù)式航道首先應(yīng)滿足各類(lèi)船舶安全通航的需求，然后根據(jù)大小型船舶的分布特征確定大船航道和小船航道的規(guī)模。

我國(guó)水運(yùn)行業(yè)規(guī)范中列出了復(fù)式航道3種斷面形式[3]。根據(jù)大船、小船通道位置、數(shù)量不同，復(fù)式航道可有多種斷面形式。根據(jù)天津港總體布局、水域現(xiàn)狀及船舶通航組織需要，天津港人工復(fù)式航道小船航道位于大船航道兩側(cè)，既能夠滿足不斷增長(zhǎng)的船舶通航需求，也能很好地適應(yīng)天津港水域和方便船舶航行組織。具體為中間布置大船雙向航道，兩側(cè)分別布置1條進(jìn)、出港小船航道[4-5]。

以天津港為例，進(jìn)出港區(qū)的最大船舶為30萬(wàn)噸級(jí)油船和散貨船。因此確定天津港復(fù)式航道大船航道的規(guī)模應(yīng)至少滿足30萬(wàn)噸級(jí)油船和散貨船通航；實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，25萬(wàn)噸級(jí)船舶與10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船雙向航行需求很高，因此大船航道還應(yīng)滿足上述兩船型雙向通航；同時(shí)，進(jìn)出天津港的船舶約70%為萬(wàn)噸級(jí)以下小船，見(jiàn)表1。因此，確定小船航道為2條萬(wàn)噸級(jí)單向航道。

表1 萬(wàn)噸級(jí)及以下船舶占總進(jìn)出港船舶數(shù)量比例Table 1 The proportion of ships of 10 000 tons and below in the total number of ships entering and leaving the port

由于萬(wàn)噸級(jí)船舶數(shù)量多，通航密度大，通航水位取平均低潮位1.34 m，設(shè)計(jì)底高程-9.0 m；30萬(wàn)噸級(jí)航道通航水位取歷時(shí)6 h的潮位2.26 m，設(shè)計(jì)底高程-22.0 m。計(jì)算得萬(wàn)噸級(jí)單向航道通航寬度100 m，30萬(wàn)噸級(jí)航道（滿足25萬(wàn)噸級(jí)船舶和10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船雙向通航）通航寬度420 m。復(fù)式航道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)段斷面為：中間為30萬(wàn)噸級(jí)大船航道，通航寬度420 m。大船、小船航道間為80 m寬分隔帶，分隔帶內(nèi)布置助航浮標(biāo)。外側(cè)為2條100 m寬小船航道，航路總寬780 m。

天津港復(fù)式航道斷面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 天津港復(fù)式航道斷面示意圖Fig.1 The cross-section diagram of compound channel for Tianjin Port

3 分隔形式

常用的分隔方式有分隔線和分隔帶等形式。分隔線可以充分利用通航水域資源，分隔帶可以使不同交通流之間保持足夠的安全距離。

國(guó)際海事組織在船舶定線制的一般規(guī)定中要求，規(guī)劃設(shè)計(jì)分道通航制時(shí)，若有充分余地，最好應(yīng)選用分隔帶而避免使用分隔線[6]。參照分道通航制的要求，為了保障船舶通航安全，復(fù)式航道中大、小船航道之間設(shè)置一定寬度的分隔帶是必要的。

根據(jù)布設(shè)浮標(biāo)位置水深估算，浮標(biāo)的回轉(zhuǎn)半徑約為35 m。為保證視覺(jué)效果，航標(biāo)應(yīng)設(shè)置于分隔帶中線位置。因此，為了保障浮標(biāo)不與船舶發(fā)生碰撞，并考慮一定安全系數(shù)，分隔帶的寬度確定為80 m。

4 助航浮標(biāo)設(shè)置

海上復(fù)式航道浮標(biāo)設(shè)置在我國(guó)尚無(wú)先例。在河口區(qū)域，常見(jiàn)大船航道與小船航道在同一水域，一般大船航道的助航浮標(biāo)按規(guī)范設(shè)置，而小船航道可采用自定義浮標(biāo)[3]或不設(shè)浮標(biāo)[7-8]。

天津港復(fù)式航道水域相對(duì)狹小，航道外側(cè)為防波堤及淺灘，因此，大小船航道均需航標(biāo)標(biāo)識(shí)。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，考慮航海者航行習(xí)慣[8]，船員觀察浮標(biāo)的視覺(jué)一致性、連續(xù)性，航標(biāo)燈質(zhì)易于區(qū)分等要求，復(fù)式航道采用大船航道設(shè)航道左、右側(cè)標(biāo)，小船航道的北側(cè)設(shè)南方位標(biāo)，小船航道南側(cè)設(shè)北方位標(biāo)的配布方案。復(fù)式航道航標(biāo)布設(shè)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 復(fù)式航道航標(biāo)布設(shè)示意圖Fig.2 Layout schematic of navigation facilities for compound channel

5 交通組織模式

復(fù)式航道船舶交通量大，交通狀況復(fù)雜，需要合理的交通組織來(lái)保障通航安全。結(jié)合天津港主航道的具體情況，將建立船舶航行的優(yōu)先級(jí)別、交通流空間分隔或分配、船舶動(dòng)態(tài)報(bào)告、控制航速等形式結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建符合復(fù)式航道通航要求的交通組織模式。

根據(jù)進(jìn)出港船舶數(shù)量不同，復(fù)式航道在不同情況下會(huì)出現(xiàn)不同交通流，分別對(duì)其進(jìn)行交通組織分析。

5.1 單向交通流

單向交通流構(gòu)成模式包含兩種形式：?jiǎn)芜M(jìn)或單出。該組織模式適用于超大型船舶或特定類(lèi)型的船舶進(jìn)出港，基于通航安全要求，需實(shí)施單向通航。

1）“單進(jìn)”交通流模式如圖3所示，其組織步驟包括清空“出港”交通流、“單進(jìn)”。相鄰船舶之間的安全距離最小為6倍船長(zhǎng)。若前一艘船舶進(jìn)港必須掉頭靠泊且占用主航道，則當(dāng)其完成掉頭作業(yè)后，后一艘船舶才可進(jìn)入6倍船長(zhǎng)的安全距離并前行。通航船舶駛經(jīng)其他泊位的水域后，該泊位以外的航道可恢復(fù)正常通航；該船舶駛抵其泊位后，整個(gè)主航道可恢復(fù)正常通航。

圖3 天津港航道“單進(jìn)”交通流模式Fig.3 The"single entry"traffic flow mode of Tianjin Port channel

2）“單出”交通組織與“單進(jìn)”模式相同，方向相反。兩股出港交通流在北航道和主航道交匯處（9垣000）交匯，通過(guò)設(shè)置報(bào)告線控制交通流。

主航道6垣000處設(shè)“報(bào)告線0”，北航道7垣125處設(shè)“報(bào)告線1”。按照相鄰船舶之間的安全距離6倍船長(zhǎng)，平均船長(zhǎng)200 m，航速8 kn計(jì)，兩報(bào)告線的安全時(shí)間間隔最小為5 min。若報(bào)告時(shí)間間隔小于5 min，則VTS中心指示后報(bào)告的船舶減速，直至滿足要求。

5.2 雙向交通流

“雙進(jìn)雙出”交通模式如圖4所示。此模式下，主航道9+000和16+000兩個(gè)區(qū)域的交通組織是關(guān)鍵點(diǎn)。

圖4 天津港“雙進(jìn)雙出”交通流模式示意圖Fig.4 The"Double entry and double exit"traffic flow mode of Tianjin Port channel

1）防波堤口門(mén)處（16+000）由于寬度受到限制，應(yīng)避免四船同時(shí)進(jìn)出。通過(guò)設(shè)置報(bào)告線來(lái)控制交通流。主航道12垣000處設(shè)出港船舶“報(bào)告線2”，20垣800處設(shè)進(jìn)港船舶“報(bào)告線3”。按照相鄰船舶之間的安全距離6倍船長(zhǎng)，平均船長(zhǎng)200 m，航速12 kn計(jì)，兩報(bào)告線的安全時(shí)間間隔最小為3 min。若報(bào)告時(shí)間間隔小于3 min，則VTS中心指示后報(bào)告的船舶減速，直至滿足要求。

2）主航道9+000附近，北航道與主航道船流交匯區(qū)交通組織復(fù)雜。主航道9垣000以西出港船舶流與北港池出口的船舶流存在交匯，該交通流組織同“單出”模式。

駛往西部港池的進(jìn)港船舶流與北港池出口的船舶流存在交匯，可通過(guò)報(bào)告線保證通航安全。進(jìn)港船舶在“報(bào)告線2”處報(bào)告，北航道出港船舶在“報(bào)告線1”處報(bào)告。兩報(bào)告線的安全時(shí)間間隔最小為5 min。

?？勘备鄢卮坝纱蟠降肋M(jìn)入北港池時(shí)，與小船航道進(jìn)港船舶形成會(huì)遇局面。兩股交通流的船舶經(jīng)過(guò)“報(bào)告線2”同時(shí)報(bào)告，報(bào)告的時(shí)間間隔若小于5 min，后報(bào)告的船舶需減速讓行。

由于自防波堤口門(mén)至報(bào)告線0和報(bào)告線1之間水域是船舶頻繁交匯的重點(diǎn)區(qū)域，將此區(qū)域設(shè)置為警戒區(qū)，提醒過(guò)往船舶注意。

6 復(fù)式航道通航規(guī)則

基于上述交通流組織分析，再結(jié)合航道通過(guò)能力計(jì)算[8-10]，初步提出了天津港復(fù)式航道的航行規(guī)則[11]。

1）“小型船舶”使用主航道兩側(cè)的“小船航道”航行。進(jìn)港“小型船舶”使用北側(cè)小船航道，出港“小型船舶”使用南側(cè)小船航道，“小船航道”實(shí)行單向通航；其他船舶使用主航道航行；VTS中心可根據(jù)航道當(dāng)時(shí)的通航狀態(tài)，適當(dāng)調(diào)整“小型船舶”所使用的航道；“小船航道”因條件受限無(wú)法使用時(shí)，“小型船舶”使用主航道進(jìn)出港。

2）船舶進(jìn)出復(fù)式航道水域應(yīng)在下列情況下向VTS中心報(bào)告船名、位置、動(dòng)態(tài)及VTS中心需要了解的其他情況：“小型船舶”進(jìn)港駛?cè)氡眰?cè)小船航道前；北港池船舶，出港通過(guò)北報(bào)告線時(shí)；東突堤以西港區(qū)船舶，出港通過(guò)西報(bào)告線前。

3）船舶在航道航行時(shí)應(yīng)遵守下列避讓規(guī)則：南、北側(cè)小船航道航行船舶，應(yīng)避免與主航道航行船舶長(zhǎng)時(shí)間并排行駛；船舶應(yīng)盡量保持在規(guī)定的航道內(nèi)航行，需要變換航道時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，保持正規(guī)瞭望，主動(dòng)避讓在航道內(nèi)直行的船舶；“小船航道”內(nèi)實(shí)行單向通航，未經(jīng)允許禁止船舶在“小船航道”內(nèi)追越或者掉頭；使用主航道進(jìn)出港的船舶，未經(jīng)允許不得穿越“小船航道”。

4）進(jìn)港靠泊北航道碼頭的船舶，過(guò)39號(hào)燈?。ê降览锍?3+910）后，盡早擇機(jī)進(jìn)入主航道北側(cè)水域，通過(guò)該水域駛?cè)氡备鄢?；進(jìn)港靠泊東突堤以西港區(qū)的“小型船舶”，過(guò)39號(hào)燈浮后，盡早擇機(jī)駛?cè)胫骱降篮叫?；“小型船舶”，出港駛過(guò)46號(hào)燈?。辖?5號(hào)碼頭東側(cè)）后應(yīng)盡快駛離主航道，進(jìn)入主航道南側(cè)水域行駛。

5）進(jìn)入復(fù)式航道“警戒區(qū)”的通航船舶，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎駕駛，與周?chē)凹癡TS之間保持通信暢通，按照規(guī)則要求進(jìn)行航行、等待、變換或者穿越航道。

7 結(jié)語(yǔ)

本文以天津港為例，闡述了復(fù)式航道斷面設(shè)計(jì)和交通組織模式，主要結(jié)論如下：

1）復(fù)式航道在大型港口中首次應(yīng)用，為提升港口人工長(zhǎng)航道的通過(guò)能力問(wèn)題提供了經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

2）給出了復(fù)式航道斷面設(shè)計(jì)方法，包括：大小船航道分隔形式、復(fù)式航道規(guī)模及尺度的確定方法。

3）針對(duì)復(fù)式航道進(jìn)出港交通流以及不同港區(qū)船舶交通流在主航道交叉的復(fù)雜狀況，提出了交通流組織模式及通航標(biāo)準(zhǔn)，可為類(lèi)似航道交通組織提供參考。