大型人工复式航道设计关键技术

孟照意，季则舟

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

0 引言

建于浅水水域的综合性港口都有人工开挖的长航道，航道通过能力往往是制约港口发展的瓶颈，而小型船舶过多并占用深水航道资源是影响航道通过能力的重要原因。复式航道是指同一航道断面有两个或两个以上不同通航水深的航道，主要用于解决单向航道或双向航道通过能力不足的问题，通过大小船舶分流实现航道通过能力和交通效率的提升，其优势在于充分发挥大船航道的能力，可显著减低工程投资。

由于复式航道涉及交通组织、交通规则、交通安全等问题，国内外尚无先例。天津港复式航道是我国第一条人工复式航道，于2014年01月投产，至今航道运行平稳[1-2]。2018年航道通过船舶26 314艘次（不含非生产船舶），港口吞吐量完成5.1亿t。本文以天津港复式航道为例阐述人工复式航道适用条件、断面设计及交通组织模式，为类似港口航道建设提供借鉴。

1 问题的提出

天津港是我国坐落于淤泥质海岸最大的人工港，人工开挖主航道长约45 km。作为我国北方大型综合性港口，天津港港口货物吞吐量和进出港船舶数量逐年增长，2007年完成货物吞吐量30 946万t，船舶到港达28 071艘次，船舶进港密度80.2艘次/d。船舶数量的快速增加给航道通航带来很大压力，进而制约了港口吞吐量的增加。经统计分析，到港船舶中万吨级及以下船舶占比约70%左右，而10万吨级以上船舶占比仅2.19%。万吨级及以下小型船舶居多，占用深水航道航行，使深水航道资源不能有效利用，且小船航速低，大幅降低了航道整体的通过能力；同时口门内航道水域受船流交叉等因素影响，制约了航道通过效率。根据天津港发展趋势预测[3]，天津港航道将不能满足港区船舶通航需求。受口门内水域条件限制，新建航道困难且投资巨大，为解决上述问题，提出复式航道方案，使大、小型船舶分开航行，优化船舶组织，提高航道能力。

2 复式航道断面设计

复式航道首先应满足各类船舶安全通航的需求，然后根据大小型船舶的分布特征确定大船航道和小船航道的规模。

我国水运行业规范中列出了复式航道3种断面形式[3]。根据大船、小船通道位置、数量不同，复式航道可有多种断面形式。根据天津港总体布局、水域现状及船舶通航组织需要，天津港人工复式航道小船航道位于大船航道两侧，既能够满足不断增长的船舶通航需求，也能很好地适应天津港水域和方便船舶航行组织。具体为中间布置大船双向航道，两侧分别布置1条进、出港小船航道[4-5]。

以天津港为例，进出港区的最大船舶为30万吨级油船和散货船。因此确定天津港复式航道大船航道的规模应至少满足30万吨级油船和散货船通航；实际运营中，25万吨级船舶与10万吨级集装箱船双向航行需求很高，因此大船航道还应满足上述两船型双向通航；同时，进出天津港的船舶约70%为万吨级以下小船，见表1。因此，确定小船航道为2条万吨级单向航道。

表1 万吨级及以下船舶占总进出港船舶数量比例Table 1 The proportion of ships of 10 000 tons and below in the total number of ships entering and leaving the port

由于万吨级船舶数量多，通航密度大，通航水位取平均低潮位1.34 m，设计底高程-9.0 m；30万吨级航道通航水位取历时6 h的潮位2.26 m，设计底高程-22.0 m。计算得万吨级单向航道通航宽度100 m，30万吨级航道（满足25万吨级船舶和10万吨级集装箱船双向通航）通航宽度420 m。复式航道设计标准段断面为：中间为30万吨级大船航道，通航宽度420 m。大船、小船航道间为80 m宽分隔带，分隔带内布置助航浮标。外侧为2条100 m宽小船航道，航路总宽780 m。

天津港复式航道断面示意图见图1。

图1 天津港复式航道断面示意图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线和分隔带等形式。分隔线可以充分利用通航水域资源，分隔带可以使不同交通流之间保持足够的安全距离。

国际海事组织在船舶定线制的一般规定中要求，规划设计分道通航制时，若有充分余地，最好应选用分隔带而避免使用分隔线[6]。参照分道通航制的要求，为了保障船舶通航安全，复式航道中大、小船航道之间设置一定宽度的分隔带是必要的。

根据布设浮标位置水深估算，浮标的回转半径约为35 m。为保证视觉效果，航标应设置于分隔带中线位置。因此，为了保障浮标不与船舶发生碰撞，并考虑一定安全系数，分隔带的宽度确定为80 m。

4 助航浮标设置

海上复式航道浮标设置在我国尚无先例。在河口区域，常见大船航道与小船航道在同一水域，一般大船航道的助航浮标按规范设置，而小船航道可采用自定义浮标[3]或不设浮标[7-8]。

天津港复式航道水域相对狭小，航道外侧为防波堤及浅滩，因此，大小船航道均需航标标识。根据规范规定，考虑航海者航行习惯[8]，船员观察浮标的视觉一致性、连续性，航标灯质易于区分等要求，复式航道采用大船航道设航道左、右侧标，小船航道的北侧设南方位标，小船航道南侧设北方位标的配布方案。复式航道航标布设示意图见图2。

图2 复式航道航标布设示意图Fig.2 Layout schematic of navigation facilities for compound channel

5 交通组织模式

复式航道船舶交通量大，交通状况复杂，需要合理的交通组织来保障通航安全。结合天津港主航道的具体情况，将建立船舶航行的优先级别、交通流空间分隔或分配、船舶动态报告、控制航速等形式结合起来，构建符合复式航道通航要求的交通组织模式。

根据进出港船舶数量不同，复式航道在不同情况下会出现不同交通流，分别对其进行交通组织分析。

5.1 单向交通流

单向交通流构成模式包含两种形式：单进或单出。该组织模式适用于超大型船舶或特定类型的船舶进出港，基于通航安全要求，需实施单向通航。

1）“单进”交通流模式如图3所示，其组织步骤包括清空“出港”交通流、“单进”。相邻船舶之间的安全距离最小为6倍船长。若前一艘船舶进港必须掉头靠泊且占用主航道，则当其完成掉头作业后，后一艘船舶才可进入6倍船长的安全距离并前行。通航船舶驶经其他泊位的水域后，该泊位以外的航道可恢复正常通航；该船舶驶抵其泊位后，整个主航道可恢复正常通航。

图3 天津港航道“单进”交通流模式Fig.3 The"single entry"traffic flow mode of Tianjin Port channel

2）“单出”交通组织与“单进”模式相同，方向相反。两股出港交通流在北航道和主航道交汇处（9垣000）交汇，通过设置报告线控制交通流。

主航道6垣000处设“报告线0”，北航道7垣125处设“报告线1”。按照相邻船舶之间的安全距离6倍船长，平均船长200 m，航速8 kn计，两报告线的安全时间间隔最小为5 min。若报告时间间隔小于5 min，则VTS中心指示后报告的船舶减速，直至满足要求。

5.2 双向交通流

“双进双出”交通模式如图4所示。此模式下，主航道9+000和16+000两个区域的交通组织是关键点。

图4 天津港“双进双出”交通流模式示意图Fig.4 The"Double entry and double exit"traffic flow mode of Tianjin Port channel

1）防波堤口门处（16+000）由于宽度受到限制，应避免四船同时进出。通过设置报告线来控制交通流。主航道12垣000处设出港船舶“报告线2”，20垣800处设进港船舶“报告线3”。按照相邻船舶之间的安全距离6倍船长，平均船长200 m，航速12 kn计，两报告线的安全时间间隔最小为3 min。若报告时间间隔小于3 min，则VTS中心指示后报告的船舶减速，直至满足要求。

2）主航道9+000附近，北航道与主航道船流交汇区交通组织复杂。主航道9垣000以西出港船舶流与北港池出口的船舶流存在交汇，该交通流组织同“单出”模式。

驶往西部港池的进港船舶流与北港池出口的船舶流存在交汇，可通过报告线保证通航安全。进港船舶在“报告线2”处报告，北航道出港船舶在“报告线1”处报告。两报告线的安全时间间隔最小为5 min。

停靠北港池船舶由大船航道进入北港池时，与小船航道进港船舶形成会遇局面。两股交通流的船舶经过“报告线2”同时报告，报告的时间间隔若小于5 min，后报告的船舶需减速让行。

由于自防波堤口门至报告线0和报告线1之间水域是船舶频繁交汇的重点区域，将此区域设置为警戒区，提醒过往船舶注意。

6 复式航道通航规则

基于上述交通流组织分析，再结合航道通过能力计算[8-10]，初步提出了天津港复式航道的航行规则[11]。

1）“小型船舶”使用主航道两侧的“小船航道”航行。进港“小型船舶”使用北侧小船航道，出港“小型船舶”使用南侧小船航道，“小船航道”实行单向通航；其他船舶使用主航道航行；VTS中心可根据航道当时的通航状态，适当调整“小型船舶”所使用的航道；“小船航道”因条件受限无法使用时，“小型船舶”使用主航道进出港。

2）船舶进出复式航道水域应在下列情况下向VTS中心报告船名、位置、动态及VTS中心需要了解的其他情况：“小型船舶”进港驶入北侧小船航道前；北港池船舶，出港通过北报告线时；东突堤以西港区船舶，出港通过西报告线前。

3）船舶在航道航行时应遵守下列避让规则：南、北侧小船航道航行船舶，应避免与主航道航行船舶长时间并排行驶；船舶应尽量保持在规定的航道内航行，需要变换航道时应谨慎，保持正规瞭望，主动避让在航道内直行的船舶；“小船航道”内实行单向通航，未经允许禁止船舶在“小船航道”内追越或者掉头；使用主航道进出港的船舶，未经允许不得穿越“小船航道”。

4）进港靠泊北航道码头的船舶，过39号灯浮（航道里程13+910）后，尽早择机进入主航道北侧水域，通过该水域驶入北港池；进港靠泊东突堤以西港区的“小型船舶”，过39号灯浮后，尽早择机驶入主航道航行；“小型船舶”，出港驶过46号灯浮（南疆15号码头东侧）后应尽快驶离主航道，进入主航道南侧水域行驶。

5）进入复式航道“警戒区”的通航船舶，应当谨慎驾驶，与周围船舶及VTS之间保持通信畅通，按照规则要求进行航行、等待、变换或者穿越航道。

7 结语

本文以天津港为例，阐述了复式航道断面设计和交通组织模式，主要结论如下：

1）复式航道在大型港口中首次应用，为提升港口人工长航道的通过能力问题提供了经济可行的解决方案。

2）给出了复式航道断面设计方法，包括：大小船航道分隔形式、复式航道规模及尺度的确定方法。

3）针对复式航道进出港交通流以及不同港区船舶交通流在主航道交叉的复杂状况，提出了交通流组织模式及通航标准，可为类似航道交通组织提供参考。