大型人工復式航道設計關鍵技術

孟照意，季則舟

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

0 引言

建于淺水水域的綜合性港口都有人工開挖的長航道，航道通過能力往往是制約港口發展的瓶頸，而小型船舶過多并占用深水航道資源是影響航道通過能力的重要原因。復式航道是指同一航道斷面有兩個或兩個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能力不足的問題，通過大小船舶分流實現航道通過能力和交通效率的提升，其優勢在于充分發揮大船航道的能力，可顯著減低工程投資。

由于復式航道涉及交通組織、交通規則、交通安全等問題，國內外尚無先例。天津港復式航道是我國第一條人工復式航道，于2014年01月投產，至今航道運行平穩[1-2]。2018年航道通過船舶26 314艘次（不含非生產船舶），港口吞吐量完成5.1億t。本文以天津港復式航道為例闡述人工復式航道適用條件、斷面設計及交通組織模式，為類似港口航道建設提供借鑒。

1 問題的提出

天津港是我國坐落于淤泥質海岸最大的人工港，人工開挖主航道長約45 km。作為我國北方大型綜合性港口，天津港港口貨物吞吐量和進出港船舶數量逐年增長，2007年完成貨物吞吐量30 946萬t，船舶到港達28 071艘次，船舶進港密度80.2艘次/d。船舶數量的快速增加給航道通航帶來很大壓力，進而制約了港口吞吐量的增加。經統計分析，到港船舶中萬噸級及以下船舶占比約70%左右，而10萬噸級以上船舶占比僅2.19%。萬噸級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能力；同時口門內航道水域受船流交叉等因素影響，制約了航道通過效率。根據天津港發展趨勢預測[3]，天津港航道將不能滿足港區船舶通航需求。受口門內水域條件限制，新建航道困難且投資巨大，為解決上述問題，提出復式航道方案，使大、小型船舶分開航行，優化船舶組織，提高航道能力。

2 復式航道斷面設計

復式航道首先應滿足各類船舶安全通航的需求，然后根據大小型船舶的分布特征確定大船航道和小船航道的規模。

我國水運行業規范中列出了復式航道3種斷面形式[3]。根據大船、小船通道位置、數量不同，復式航道可有多種斷面形式。根據天津港總體布局、水域現狀及船舶通航組織需要，天津港人工復式航道小船航道位于大船航道兩側，既能夠滿足不斷增長的船舶通航需求，也能很好地適應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，兩側分別布置1條進、出港小船航道[4-5]。

以天津港為例，進出港區的最大船舶為30萬噸級油船和散貨船。因此確定天津港復式航道大船航道的規模應至少滿足30萬噸級油船和散貨船通航；實際運營中，25萬噸級船舶與10萬噸級集裝箱船雙向航行需求很高，因此大船航道還應滿足上述兩船型雙向通航；同時，進出天津港的船舶約70%為萬噸級以下小船，見表1。因此，確定小船航道為2條萬噸級單向航道。

表1 萬噸級及以下船舶占總進出港船舶數量比例Table 1 The proportion of ships of 10 000 tons and below in the total number of ships entering and leaving the port

由于萬噸級船舶數量多，通航密度大，通航水位取平均低潮位1.34 m，設計底高程-9.0 m；30萬噸級航道通航水位取歷時6 h的潮位2.26 m，設計底高程-22.0 m。計算得萬噸級單向航道通航寬度100 m，30萬噸級航道（滿足25萬噸級船舶和10萬噸級集裝箱船雙向通航）通航寬度420 m。復式航道設計標準段斷面為：中間為30萬噸級大船航道，通航寬度420 m。大船、小船航道間為80 m寬分隔帶，分隔帶內布置助航浮標。外側為2條100 m寬小船航道，航路總寬780 m。

天津港復式航道斷面示意圖見圖1。

圖1 天津港復式航道斷面示意圖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。

國際海事組織在船舶定線制的一般規定中要求，規劃設計分道通航制時，若有充分余地，最好應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，復式航道中大、小船航道之間設置一定寬度的分隔帶是必要的。

根據布設浮標位置水深估算，浮標的回轉半徑約為35 m。為保證視覺效果，航標應設置于分隔帶中線位置。因此，為了保障浮標不與船舶發生碰撞，并考慮一定安全系數，分隔帶的寬度確定為80 m。

4 助航浮標設置

海上復式航道浮標設置在我國尚無先例。在河口區域，常見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按規范設置，而小船航道可采用自定義浮標[3]或不設浮標[7-8]。

天津港復式航道水域相對狹小，航道外側為防波堤及淺灘，因此，大小船航道均需航標標識。根據規范規定，考慮航海者航行習慣[8]，船員觀察浮標的視覺一致性、連續性，航標燈質易于區分等要求，復式航道采用大船航道設航道左、右側標，小船航道的北側設南方位標，小船航道南側設北方位標的配布方案。復式航道航標布設示意圖見圖2。

圖2 復式航道航標布設示意圖Fig.2 Layout schematic of navigation facilities for compound channel

5 交通組織模式

復式航道船舶交通量大，交通狀況復雜，需要合理的交通組織來保障通航安全。結合天津港主航道的具體情況，將建立船舶航行的優先級別、交通流空間分隔或分配、船舶動態報告、控制航速等形式結合起來，構建符合復式航道通航要求的交通組織模式。

根據進出港船舶數量不同，復式航道在不同情況下會出現不同交通流，分別對其進行交通組織分析。

5.1 單向交通流

單向交通流構成模式包含兩種形式：單進或單出。該組織模式適用于超大型船舶或特定類型的船舶進出港，基于通航安全要求，需實施單向通航。

1）“單進”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”。相鄰船舶之間的安全距離最小為6倍船長。若前一艘船舶進港必須掉頭靠泊且占用主航道，則當其完成掉頭作業后，后一艘船舶才可進入6倍船長的安全距離并前行。通航船舶駛經其他泊位的水域后，該泊位以外的航道可恢復正常通航；該船舶駛抵其泊位后，整個主航道可恢復正常通航。

圖3 天津港航道“單進”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”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，通過設置報告線控制交通流。

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

5.2 雙向交通流

“雙進雙出”交通模式如圖4所示。此模式下，主航道9+000和16+000兩個區域的交通組織是關鍵點。

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

1）防波堤口門處（16+000）由于寬度受到限制，應避免四船同時進出。通過設置報告線來控制交通流。主航道12垣000處設出港船舶“報告線2”，20垣800處設進港船舶“報告線3”。按照相鄰船舶之間的安全距離6倍船長，平均船長200 m，航速12 kn計，兩報告線的安全時間間隔最小為3 min。若報告時間間隔小于3 min，則VTS中心指示后報告的船舶減速，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交通組織復雜。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。

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

停靠北港池船舶由大船航道進入北港池時，與小船航道進港船舶形成會遇局面。兩股交通流的船舶經過“報告線2”同時報告，報告的時間間隔若小于5 min，后報告的船舶需減速讓行。

由于自防波堤口門至報告線0和報告線1之間水域是船舶頻繁交匯的重點區域，將此區域設置為警戒區，提醒過往船舶注意。

6 復式航道通航規則

基于上述交通流組織分析，再結合航道通過能力計算[8-10]，初步提出了天津港復式航道的航行規則[11]。

1）“小型船舶”使用主航道兩側的“小船航道”航行。進港“小型船舶”使用北側小船航道，出港“小型船舶”使用南側小船航道，“小船航道”實行單向通航；其他船舶使用主航道航行；VTS中心可根據航道當時的通航狀態，適當調整“小型船舶”所使用的航道；“小船航道”因條件受限無法使用時，“小型船舶”使用主航道進出港。

2）船舶進出復式航道水域應在下列情況下向VTS中心報告船名、位置、動態及VTS中心需要了解的其他情況：“小型船舶”進港駛入北側小船航道前；北港池船舶，出港通過北報告線時；東突堤以西港區船舶，出港通過西報告線前。

3）船舶在航道航行時應遵守下列避讓規則：南、北側小船航道航行船舶，應避免與主航道航行船舶長時間并排行駛；船舶應盡量保持在規定的航道內航行，需要變換航道時應謹慎，保持正規瞭望，主動避讓在航道內直行的船舶；“小船航道”內實行單向通航，未經允許禁止船舶在“小船航道”內追越或者掉頭；使用主航道進出港的船舶，未經允許不得穿越“小船航道”。

4）進港靠泊北航道碼頭的船舶，過39號燈浮（航道里程13+910）后，盡早擇機進入主航道北側水域，通過該水域駛入北港池；進港靠泊東突堤以西港區的“小型船舶”，過39號燈浮后，盡早擇機駛入主航道航行；“小型船舶”，出港駛過46號燈浮（南疆15號碼頭東側）后應盡快駛離主航道，進入主航道南側水域行駛。

5）進入復式航道“警戒區”的通航船舶，應當謹慎駕駛，與周圍船舶及VTS之間保持通信暢通，按照規則要求進行航行、等待、變換或者穿越航道。

7 結語

本文以天津港為例，闡述了復式航道斷面設計和交通組織模式，主要結論如下：

1）復式航道在大型港口中首次應用，為提升港口人工長航道的通過能力問題提供了經濟可行的解決方案。

2）給出了復式航道斷面設計方法，包括：大小船航道分隔形式、復式航道規模及尺度的確定方法。

3）針對復式航道進出港交通流以及不同港區船舶交通流在主航道交叉的復雜狀況，提出了交通流組織模式及通航標準，可為類似航道交通組織提供參考。