關(guān)于防止船舶碰撞海上構(gòu)建筑物的攔截帶研究與應(yīng)用

曹鉅旋 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處

1.海上攔截帶的意義和要求

近年廣東區(qū)域船碰橋事故多發(fā)。2007年6月15日5時(shí)，裝載河砂的“南桂機(jī)035”輪偏離通航航道，碰撞九江大橋非通航孔橋墩，致使橋梁面連段垮塌200米，造成橋面正常行駛的車輛墜江致使8人溺水死亡。船舶碰撞給橋梁更是造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，全封閉待修時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2年，社會(huì)負(fù)面影響巨大。

2017年1月8日19時(shí)，砂石船“惠豐年298”輪碰撞中山市洪奇瀝大橋，造成橋梁墩柱整體斷裂，同時(shí)橋面下沉80cm；4月1日9時(shí)55分，蕪湖籍散貨船“新晨光20”輪由佛山開(kāi)往海南，在彎道處由一級(jí)航道誤入等級(jí)差異更大的四級(jí)航道，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)通航凈空限制橋梁，未采取有效措施，“新晨光20”輪頂部更是與蓮溪大橋橋跨中梁底部發(fā)生撞擊，下部11號(hào)墩輕微傾斜，被撞梁體端偏移約1.6米，墩頂橋面板損壞，墩頂發(fā)現(xiàn)環(huán)向裂縫。

圖1 北斗大橋被船碰撞

2021年7月13日，內(nèi)河集裝箱船“新谷333”在航經(jīng)番禺沙灣水道觸碰北斗大橋橋墩，造成北斗大橋一側(cè)一橋墩受損，被撞橋墩已經(jīng)完全歪斜，橋墩表面開(kāi)裂，地上散落大量水泥塊。“新谷333”船體只輕微受損，未造成人員傷亡和水域污染，但造成橋梁封閉檢修，損失情況尚未完全統(tǒng)計(jì)。

圖2 浮動(dòng)攔截索結(jié)構(gòu)

圖3 攔截帶浮球

圖4 攔阻架圖像

珠江三角洲也是水網(wǎng)密集地區(qū)，河道交錯(cuò)縱橫，不同等級(jí)的航道橋跨相互連通，極容易發(fā)生船碰橋事故，往往不在通航密集水域的低等級(jí)航道上，隨著航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，通航環(huán)境復(fù)雜，船舶交通流增多，船碰橋事故更是多發(fā)。同時(shí)，受自然條件和船舶構(gòu)造影響，橋梁水域通航安全明顯受汛期水位大幅上升、水流湍急，大霧天氣等情況發(fā)生，大大增加了船碰橋的風(fēng)險(xiǎn)。

2021年2月24日，交通運(yùn)輸部召開(kāi)船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動(dòng)視頻調(diào)度會(huì)。會(huì)議強(qiáng)調(diào)，要以習(xí)近平總書(shū)記有關(guān)安全生產(chǎn)的重要論述精神為指引，深入貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，落實(shí)國(guó)務(wù)院安委會(huì)《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》的任務(wù)要求，加快推進(jìn)船舶碰撞橋梁安全專項(xiàng)治理工作，盡力防范化解碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)，堅(jiān)決遏制重特大事故發(fā)生，加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)。

為此，海事主管部門和航海保障部門在持續(xù)推動(dòng)橋梁?jiǎn)挝粐?yán)格配置橋梁助航標(biāo)志和碰撞預(yù)警標(biāo)志的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推動(dòng)橋梁業(yè)主單位借鑒多種預(yù)警的成功經(jīng)驗(yàn)，推薦在橋梁或區(qū)域上安裝配置限制船舶高度的激光探測(cè)儀、多動(dòng)態(tài)LED顯示屏、聲與光多方式報(bào)警器等預(yù)警設(shè)備，以及橋梁非通航孔限制高度欄、電子導(dǎo)向欄等防撞裝置。

海上風(fēng)電作為綠色能源新興產(chǎn)業(yè)，建設(shè)進(jìn)入熱潮。連片的風(fēng)機(jī)改變了原海上船舶航行習(xí)慣航路，如標(biāo)識(shí)不清楚，則容易造成船舶主觀或客觀誤認(rèn)沖入風(fēng)電場(chǎng)撞擊風(fēng)機(jī)的事故發(fā)生。因此，海上風(fēng)電場(chǎng)的安全防護(hù)就是海事監(jiān)管部門和業(yè)主必須研究的課題。如推廣一些具體措施;作為風(fēng)電場(chǎng)安全水域，距風(fēng)電場(chǎng)外圍風(fēng)機(jī)500、100、50米等不同距離范圍，設(shè)置多重電子圍欄提示，除公務(wù)船、風(fēng)電場(chǎng)工作船、及個(gè)別小型作業(yè)補(bǔ)給船外，其他外部船舶禁止進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)劃定的安全區(qū)，業(yè)主對(duì)風(fēng)電場(chǎng)單個(gè)風(fēng)機(jī)，或整個(gè)連片風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置多冗余的警示標(biāo)志（如特種反光漆標(biāo)志牌、安裝信號(hào)燈、實(shí)體AIS、安裝船舶能識(shí)別的雷達(dá)應(yīng)答器等），以達(dá)到白天和夜晚均能對(duì)附近作業(yè)或行駛的船舶起到提醒作用。

2.攔截系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成初探

如前所述，在海上構(gòu)建筑物上設(shè)置助航標(biāo)志或電子圍欄等警示，只是起到報(bào)警或預(yù)警作用，即使安裝防撞墩、限高欄等，也會(huì)對(duì)橋梁等構(gòu)建物或船舶造成損毀性破壞。本文要闡述的是既可對(duì)來(lái)往船舶起警示作用又可對(duì)失控船舶起到攔截或?qū)蜃饔玫暮Ｉ蠑r截系統(tǒng)。

圖5 氣囊式浮動(dòng)攔截帶

2.1 浮動(dòng)結(jié)構(gòu)組成分析

海上攔截系統(tǒng)是一套海上物理保護(hù)產(chǎn)品，主要用于水面隔離、警戒、警示、防沖撞等使用。浮動(dòng)系統(tǒng)主要產(chǎn)品分為浮球、攔阻架和氣囊等結(jié)構(gòu)形式，采用水面漂浮和水中系固連接而成，通過(guò)岸端和海上浮筒、錨鏈、錨碇固定，安裝便捷，安全可靠。

2.1.1 浮球式

浮球采用 EVA 材料制作，根據(jù)形狀、大小等分為不同規(guī)格，以圓柱體形為主，有帶刺、不帶刺等區(qū)別，防護(hù)等級(jí)較高，使用范圍廣泛，12 級(jí)臺(tái)風(fēng)下可生存，極端海況有自我保護(hù)能力，防臺(tái)不用撤回與布放，設(shè)計(jì)壽命15 年以上。

2.1.2 攔阻架式

攔阻架采用復(fù)合材料制作，通過(guò)水下浮體漂浮水面，主要用于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地區(qū)，12級(jí)臺(tái)風(fēng)下可生存，極端海況有自我保護(hù)措施，防臺(tái)時(shí)不用撤回與布放，設(shè)計(jì)壽命15年以上。

2.1.3 氣囊式

氣囊采用橡膠等材料制作，有直徑1.8M、2.2M兩種規(guī)格，長(zhǎng)度10-25米均可，使用使命大于6年，工期短，造價(jià)相對(duì)較低，適用于臺(tái)風(fēng)較弱、較少海域。

2.2 系碇結(jié)構(gòu)組成分析

長(zhǎng)期以來(lái)，采取將浮標(biāo)通過(guò)錨鏈和卸扣系掛在一個(gè)有若干重量（一般以噸來(lái)計(jì)量）的水泥塊，該水泥塊靠自重沉在海床上，重量因具體投放水域的水流和風(fēng)浪情況而定，根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)（僅以經(jīng)驗(yàn)來(lái)衡量），錨鏈的長(zhǎng)度一般情況以水深的3倍配置，富余的錨鏈長(zhǎng)度一方面是利用自身在隨漲落的潮汐波浪而伸縮調(diào)節(jié)，另一方面，增加錨鏈在海底耙附力（此錨鏈長(zhǎng)度數(shù)值有待商榷：這種是以船下錨在海底為經(jīng)驗(yàn)借鑒的，只以經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)判，船舶拋錨時(shí)要放3～4節(jié)、甚至更長(zhǎng)的錨鏈，主要是利用長(zhǎng)錨鏈自重水平鋪展在海底，獲得是水平的作用于錨的拉力，并且無(wú)需更多考慮船舶自身或鄰近船舶位置和多大的回旋半徑。而海上攔截系統(tǒng)受布放水域的限制，更要考慮浮標(biāo)位置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，不能簡(jiǎn)單按船錨的作用方式實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的位置固定）。

為縮短浮標(biāo)相對(duì)錨塊投放位置的漂移距離，錨鏈長(zhǎng)度應(yīng)為L(zhǎng)=√2H為宜，即1.414倍水深（此為平均大潮高潮面水深），大大減少浮標(biāo)漂移半徑。

圖6 浮標(biāo)系碇水中狀態(tài)示意圖

圖7 鋼制錨塊在海床狀態(tài)示意

圖8 錨塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析示意圖

圖9 航道側(cè)布放攔截帶

錨塊采用內(nèi)斗角長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)。由于浮標(biāo)在波浪中圓周運(yùn)動(dòng)而通過(guò)錨鏈傳遞到錨塊的作用力是脈沖的，錨塊凹形底部瞬間吸蝕高含水量泥沙這一非牛頓流體，外作用力越大，抵抗力越大，因此錨塊的底部吸力（其實(shí)是大氣壓和水壓共同作用的壓應(yīng)力）抵抗了浮標(biāo)帶來(lái)的上拔力；錨塊上部也是內(nèi)嵌凹形，對(duì)錨塊上部的水體要瞬間排開(kāi)，也受到水體的強(qiáng)大阻力，單是浮標(biāo)在風(fēng)浪流的作用力傳導(dǎo)到錨塊上不足以使錨塊離開(kāi)海床。

內(nèi)斗角長(zhǎng)方體側(cè)邊四周具有切面的凹槽會(huì)逐漸下沉到泥沙中，底面的泥沙會(huì)逐漸將鋼板壓在海底；同時(shí)，因?yàn)樗闹芏际乔忻姘疾郏魏纬婢c海床形成斜面和反斜面，淤泥會(huì)在錨塊前進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向中不斷并迅速堆積，高含水的泥砂本身也是非牛頓力流體，同樣產(chǎn)生非牛頓力抵抗，形成與浮標(biāo)水平拉力相抗衡的阻力，可以抗衡浮標(biāo)在水面受風(fēng)浪作用時(shí)的水平力。內(nèi)斗角長(zhǎng)方體逐漸半埋于海底淤泥，實(shí)現(xiàn)錨塊與泥沙結(jié)為一體，“植根”于海底，從而起到穩(wěn)固錨定浮標(biāo)，增大穩(wěn)固浮標(biāo)作用，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)受外力作用不至于漂移的目的。

這樣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)船舶緩慢吊起錨鏈，淤泥的非牛頓液體作用消失，使錨塊底部?jī)A側(cè)，水可進(jìn)入錨塊底部，恢復(fù)錨塊的自浮力和自重，可輕易地在錨鏈垂直時(shí)將錨塊起吊,并不影響其回收。錨塊主要是通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)與淤泥結(jié)合共同發(fā)揮抵御外力作用，而不是依賴錨塊重量，從而大大減輕了錨塊重量，便于施工作業(yè)，使用鋼板制作是考慮其有足夠的強(qiáng)度和便于制作。

3.海上攔截系統(tǒng)的布放形式

3.1 橋區(qū)的布放

橋區(qū)攔截系統(tǒng)主要是針對(duì)船舶能順利安全通過(guò)通航孔而設(shè)置，同時(shí)可起到保護(hù)橋墩的作用，因此攔截浮動(dòng)帶應(yīng)以順航道方向喇叭形設(shè)置。如需加強(qiáng)保護(hù)非通航孔的橋墩，則喇叭口外圍亦應(yīng)布設(shè)，防止船舶誤入非通航孔。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)等海上構(gòu)建筑物的布放

因風(fēng)電場(chǎng)是防護(hù)外部船舶誤進(jìn)入其安全區(qū)，故在外部船舶習(xí)慣航路上均應(yīng)設(shè)立攔截系統(tǒng)，把船舶擋在風(fēng)電場(chǎng)安全區(qū)外圍，可以設(shè)立多道攔截索；同時(shí)給進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的工作船舶、公務(wù)艦艇留有出入口門。考慮到攔截系統(tǒng)布放和回收的作業(yè)難度，不應(yīng)設(shè)置太長(zhǎng)的連續(xù)浮動(dòng)帶，可間隔投放，如設(shè)置多道攔截索，則內(nèi)外攔截帶錯(cuò)位設(shè)置，保證攔截封閉有效。