黃茅海跨海通道航道布置優化方案研究

黃昌均 珠海港引航站

黃茅海跨海通道項目資金投入量很大，建設時間很長，施工水域的通航環境相對復雜，承擔的交通量大。在建設期間和建成后，將改變項目所在水域通航環境和該水域的船舶航行習慣，船舶交通流的密度增加，水上交通安全事故發生的幾率和風險也將增大，同時也會加大海事部門的監管難度。若發生船橋碰撞事故，對橋梁自身以及水域的通航安全影響重大，其直接和間接損失均不可估量。本文通過分析不同水文條件、不同船型通過黃茅海跨海通道東航道時的船舶軌跡和航跡帶寬度，校對擬建大橋的設計尺度能否滿足設計船型的通航，論證擬建大橋的通航尺度可行性和符合性。

1.黃茅海跨海通道東航道通航現狀

擬建黃茅海通道項目起點在珠海側與鶴港高速順接后，經過規劃濕地公園南側，在崖門水道水域先后跨越崖門出海航道、東航道、西航道，至臺山赤溪鎮，經豬乸潭水庫北側，以隧道穿越山嶺，終點與西部沿海高速相交，對接新臺高速，路線全長29.93km。黃茅海跨海通道主橋珠海側起點位于三一重工碼頭北側約2km處，經緯度約為22°01′35″N、113°07′52″E，基本呈東西走向通過黃茅海，西側在黃茅島北側約700m登陸，經緯度約為22°00′10″N、113°02′15″E。擬建黃茅海大橋橋梁沿線各設置高欄港大橋、黃茅海大橋，橋梁全長13.81km，橋梁平面布置如圖1所示。

圖1 擬建大橋整體平面布置及通航孔布置圖

黃茅海大橋位于中部水域，同時跨越黃茅海崖門出海航道中部的東航道、西航道。其中東航道通航孔跨徑720m，航道軸線與橋梁軸線法線方向夾角約17.4°，通航孔通航凈寬547m，通航凈空為56m。西航道通航孔跨徑720m，航道軸線與橋梁軸線法線方向夾角約18°，通航孔通航凈寬263m，通航凈空為40m。

2.橋區船舶雙向通航模擬工況

2.1 試驗代表船型

根據《廣東省交通運輸廳關于粵港澳大灣區跨江跨海通道項目前期工作推進會會議紀要》（[2018]94號）：崖門出海航道東東航道按照5萬噸級規劃、東航道按照3萬噸級規劃，西航道按照3千噸級進行規劃。因此，本次船舶操縱的模擬試驗選定241米的集裝箱船、185米的油船、192米的雜貨船三種船型（均為3萬噸級）作為代表，船型的主要參數如表1所示。

表1 仿真模擬試驗船型

2.2 試驗條件

2.2.1 水文

黃茅海跨海通道跨越崖門出海東航道處，橋梁的法線方向與航道軸線方向的夾角為17.4°。根據水文觀測資料，崖門出海東航道附近枯季落急時的流速為1.24m/s，流向為144°，水流方向與航線的夾角約為15.4°；漲急時流速為0.79m/s，流向為328°，水流方向與航線的夾角約為11.4°。

2.2.2 氣象

黃茅海跨海通道地區地處亞熱帶季風氣候區，季風特征明顯，冬季吹偏北風，夏季吹偏南風。由于受季風和地形的影響，本區風速和風向的季節變化比較明顯，秋季多NE風，夏季多SW風，均是正橫風向，是對航行最不利條件風向。因此，結合現場自然條件，模擬氣象條件設置風向45°和225°，風力7級；降雨不大于中雨；霧天水平能見度不小于2km。

2.2.3 試驗方案

模擬試驗包括漲、落潮最大流速的上下行對駛航行。模擬試驗的過程由經驗豐富的高級引航員對上面幾種船型的船舶進行操縱。針對不同的風況、流速條件，進行不同工況的模擬試驗。試驗工況見各個模擬試驗的軌跡圖（圖2）。每次試驗所用時間與實船操縱的相關情況基本一致。每次試驗都對船舶位置、航行速度、電羅經航向、主機的工況、操舵的角度、風流壓角等運動參數以及風流的數據進行記錄，獲得相關船舶的眾多航行數據，再對試驗結果進行專業分析，以評估船舶通航是否安全。

圖2 模擬試驗船舶航跡帶圖

3.橋區船舶雙向通航模擬試驗數據分析

基于當地實際觀測的船舶速度，雜貨船、油船模擬試驗過橋船速9～10節，集裝箱船模擬試驗采用過橋的船速為12～13節，模擬實驗的航跡帶和過彎交會的態勢分別如圖2與圖3所示。

圖3 模擬試驗船舶過彎交會態勢圖

黃茅海跨海通道跨越崖門出海航道、東航道與西航道橋梁的通航凈空寬度可依據《海輪航道通航標準》（JTS180-3-2018）中的相關規范計算確定，計算結果如表2所示。

表2 橋區通航模擬試驗所需雙向航道通航寬度

圖5 航道優化方案二示意圖

航道中軸線與橋梁中軸線的法線夾角約 17.4°，橋梁上游的航道是彎曲航道，轉向角度達34°，模擬試驗結果表明，東航道橋梁段的走向、航道布置不利于船舶的安全航行，船舶在彎曲段的航跡帶寬度明顯大于直航道段，彎曲段的航跡帶寬度為84m～108m，轉向角度大，航道切割加寬有限，對轉向時機掌握要求高，風力達7級時為保持航向的壓舵角大、用于轉向的富裕舵力不足，導致轉向操作本身困難，彎曲段與橋梁的距離較近，過彎后航向穩定需要1～2倍船長，下行船過橋航行的直航道段距離不足，橋梁附近的航道及上游彎曲的航段船舶會遇比較困難，同時，西航道、東航道在彎曲段交匯，增加了彎曲段會船的風險。因此，現有橋梁走向與航道走向交角大，過橋存在視覺判斷偏差，不利于船位判斷；下行船舶過彎過程中不斷改變航向，穩定航向后即進入過橋梁下的水域，對船位、航向、航向穩定時機的操作要求高；東航道、西航道在彎曲段交匯，交通流形式復雜，交通組織困難。

船舶過橋航跡帶寬度大小與過橋航速直接相關，船舶在大橋橋區水域內，應該采取足以保證自身的安全與不危及它船及水上其它設施的航速行駛。模擬試驗表明，建議下行船舶最高航速不超過14節，上行船舶最低航速應不少于6節。為有利于船舶在橋區操作，船舶進入橋區水域前應該適當提早慢車，當進入橋區水域后可適當加車，增大舵效，提高駕駛員對船舶的控制力，以縮短通過時間，有效減少船舶橫漂，確保船舶的安全通航。

大橋施工期和營運期應根據水域特點合理規劃和優化上下行船舶航路，并根據不同水位期對航路進行及時調整。由于大橋橋區水域流速較大，不同水位期流速也有不同，大橋的上游航道彎曲，建議在大橋上、下游各3000m水域內為橋區水域，上游2000m、下游1500m水域內設置統一警戒區，制定相關的防碰及防擱淺預案。

船舶經過橋區水域，當班駕駛員和舵工應適當加強瞭望，船長應在駕駛臺親自指揮，充分考慮水流、天氣、導航標志以及過往的船舶等情況，遵守橋區船舶安全航行規章，提前做好準備工作；遇到雨、霧天氣，能見度低、視線不清時，不應冒著風險過橋；若橋區水域的導航標志出現偏差導致船舶無法安全過橋，應主動與航道、海事相關部門聯系，當情況搞清楚后或經過糾正后方可過橋；船舶操縱設備或動力設備出現異常時，不應進行過橋操作。船舶在雙向通航橋區航道及其通航孔內航行，應當盡量靠近其右舷航道側行駛，并與航道邊界保持適當距離。

4.航道布置優化方案及試驗結果

為解決現有橋梁走向與航道走向交角大，導致過橋存在視覺判斷偏差，進而影響船位判斷的問題，本文提出了兩種優化方案，并從經濟性和適應性的角度綜合進行了比選。

4.1 優化方案一

采取“截彎取直”方法（如圖4），加寬彎曲航段，大幅度提高交匯水域范圍，有效改善東航道上、下行船舶的避讓操作，適當提前了下行船舶過彎操作的時機，使過橋直航距離加大；上行船舶通過橋梁后即可向右轉向直航，靠近航道右邊緣上行時可與下行船舶保持足夠安全距離，避免干擾轉向過程中的下行船舶。

圖4 航道優化方案一示意圖

4.2 優化方案二

在優化方案一的基礎上，優化航道布置W——X段，依據目前海圖水深，W——X段航道的東側水深略大于西側，在現有90m航道通航寬度條件下東擴至310m航道通航寬度，W——X段航道軸線東移，同時改變西航道的軸線東移，增加西航道邊界與西側橋墩之間的距離。

4.3 優化方案比選

基于航道疏浚量考慮，盡量保持原有航道的軸線位置，優化方案一的經濟性好，軸線不變，推薦采用優化方案一。在擬建項目最新實測地圖的基礎上，對項目水域進行數據錄取、坐標轉換、數據轉換、數據輸入等流程，建立了相應電子海圖，如圖6所示。

圖6 工程水域附近航道優化方案電子海圖

4.4 基于優化方案的試驗結果

由多位駕駛經驗豐富的船長和引航員操縱代表船型的數字船模，在優化航道中航行，試驗工況仍然采用之前所設置的工況條件，雜貨船、油船模擬試驗過橋船速9～10節，集裝箱船模擬試驗過橋船速12～13節，船舶的軌跡如圖7所示。

圖7 基于優化方案的模擬試驗船舶航跡帶圖

根據優化后方案模擬試驗結果，從通航環境和通航安全的角度出發，黃茅海跨海通道項目建設方案基本可行，跨海通道設置了三個通航孔，分別用于不同噸級船舶通航，東、西航道交匯處航道彎曲，東航道優化航道設計方案后，加寬彎曲航段，大幅度提高交匯水域范圍，有效改善東航道上、下行船舶的避讓操作，適當提前了下行船舶過彎操作的時機，使過橋直航距離加大；上行船舶通過橋梁后即可向右轉向直航，靠近航道右邊緣上行時可與下行船舶保持足夠安全距離，避免干擾轉向過程中的下行船舶。

5.結論

（1）基于船舶操縱模擬器的方法對黃茅海跨海通道東航道進行了仿真試驗，通過構建模擬仿真的環境，在預設各種風壓、流壓的條件下進行船舶在橋區航行的模擬，獲取充足的船舶模擬試驗數據，并在此基礎上分析、評價了擬建項目的設計通航尺度符合性，橋區通航安全性和可行性，同時，提出了船舶通過橋區的相關操縱要點和必要注意事項。

（2）針對現有橋梁走向與航道走向交角大，導致過橋存在視覺判斷偏差，進而影響船位判斷的問題，提出了航道布置的優化方案，并在優化方案的基礎上進行了二次試驗，試驗結果表明在加寬彎曲航段，大幅度提高交匯水域范圍后，可以有效改善東航道上、下行船舶的避讓操作，增大安全距離。