關于防止船舶碰撞海上構建筑物的攔截帶研究與應用

曹鉅旋 交通運輸部南海航海保障中心廣州航標處

1.海上攔截帶的意義和要求

近年廣東區域船碰橋事故多發。2007年6月15日5時，裝載河砂的“南桂機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重的經濟損失，全封閉待修時間長達2年，社會負面影響巨大。

2017年1月8日19時，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，同時橋面下沉80cm；4月1日9時55分，蕪湖籍散貨船“新晨光20”輪由佛山開往海南，在彎道處由一級航道誤入等級差異更大的四級航道，未及時發現通航凈空限制橋梁，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生撞擊，下部11號墩輕微傾斜，被撞梁體端偏移約1.6米，墩頂橋面板損壞，墩頂發現環向裂縫。

圖1 北斗大橋被船碰撞

2021年7月13日，內河集裝箱船“新谷333”在航經番禺沙灣水道觸碰北斗大橋橋墩，造成北斗大橋一側一橋墩受損，被撞橋墩已經完全歪斜，橋墩表面開裂，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計。

圖2 浮動攔截索結構

圖3 攔截帶浮球

圖4 攔阻架圖像

珠江三角洲也是水網密集地區，河道交錯縱橫，不同等級的航道橋跨相互連通，極容易發生船碰橋事故，往往不在通航密集水域的低等級航道上，隨著航運經濟發達，通航環境復雜，船舶交通流增多，船碰橋事故更是多發。同時，受自然條件和船舶構造影響，橋梁水域通航安全明顯受汛期水位大幅上升、水流湍急，大霧天氣等情況發生，大大增加了船碰橋的風險。

2021年2月24日，交通運輸部召開船舶碰撞橋梁隱患治理三年行動視頻調度會。會議強調，要以習近平總書記有關安全生產的重要論述精神為指引，深入貫徹落實黨中央、國務院決策部署，落實國務院安委會《全國安全生產專項整治三年行動計劃》的任務要求，加快推進船舶碰撞橋梁安全專項治理工作，盡力防范化解碰撞安全風險，堅決遏制重特大事故發生，加快建設交通強國。

為此，海事主管部門和航海保障部門在持續推動橋梁單位嚴格配置橋梁助航標志和碰撞預警標志的基礎上，進一步推動橋梁業主單位借鑒多種預警的成功經驗，推薦在橋梁或區域上安裝配置限制船舶高度的激光探測儀、多動態LED顯示屏、聲與光多方式報警器等預警設備，以及橋梁非通航孔限制高度欄、電子導向欄等防撞裝置。

海上風電作為綠色能源新興產業，建設進入熱潮。連片的風機改變了原海上船舶航行習慣航路，如標識不清楚，則容易造成船舶主觀或客觀誤認沖入風電場撞擊風機的事故發生。因此，海上風電場的安全防護就是海事監管部門和業主必須研究的課題。如推廣一些具體措施;作為風電場安全水域，距風電場外圍風機500、100、50米等不同距離范圍，設置多重電子圍欄提示，除公務船、風電場工作船、及個別小型作業補給船外，其他外部船舶禁止進入風電場劃定的安全區，業主對風電場單個風機，或整個連片風電場設置多冗余的警示標志（如特種反光漆標志牌、安裝信號燈、實體AIS、安裝船舶能識別的雷達應答器等），以達到白天和夜晚均能對附近作業或行駛的船舶起到提醒作用。

2.攔截系統結構組成初探

如前所述，在海上構建筑物上設置助航標志或電子圍欄等警示，只是起到報警或預警作用，即使安裝防撞墩、限高欄等，也會對橋梁等構建物或船舶造成損毀性破壞。本文要闡述的是既可對來往船舶起警示作用又可對失控船舶起到攔截或導向作用的海上攔截系統。

圖5 氣囊式浮動攔截帶

2.1 浮動結構組成分析

海上攔截系統是一套海上物理保護產品，主要用于水面隔離、警戒、警示、防沖撞等使用。浮動系統主要產品分為浮球、攔阻架和氣囊等結構形式，采用水面漂浮和水中系固連接而成，通過岸端和海上浮筒、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，根據形狀、大小等分為不同規格，以圓柱體形為主，有帶刺、不帶刺等區別，防護等級較高，使用范圍廣泛，12 級臺風下可生存，極端海況有自我保護能力，防臺不用撤回與布放，設計壽命15 年以上。

2.1.2 攔阻架式

攔阻架采用復合材料制作，通過水下浮體漂浮水面，主要用于強臺風地區，12級臺風下可生存，極端海況有自我保護措施，防臺時不用撤回與布放，設計壽命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兩種規格，長度10-25米均可，使用使命大于6年，工期短，造價相對較低，適用于臺風較弱、較少海域。

2.2 系碇結構組成分析

長期以來，采取將浮標通過錨鏈和卸扣系掛在一個有若干重量（一般以噸來計量）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浪情況而定，根據過往經驗（僅以經驗來衡量），錨鏈的長度一般情況以水深的3倍配置，富余的錨鏈長度一方面是利用自身在隨漲落的潮汐波浪而伸縮調節，另一方面，增加錨鏈在海底耙附力（此錨鏈長度數值有待商榷：這種是以船下錨在海底為經驗借鑒的，只以經驗來評判，船舶拋錨時要放3～4節、甚至更長的錨鏈，主要是利用長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。而海上攔截系統受布放水域的限制，更要考慮浮標位置的準確性和穩定性，不能簡單按船錨的作用方式實現浮標的位置固定）。

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

圖6 浮標系碇水中狀態示意圖

圖7 鋼制錨塊在海床狀態示意

圖8 錨塊運動狀態分析示意圖

圖9 航道側布放攔截帶

錨塊采用內斗角長方體設計。由于浮標在波浪中圓周運動而通過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（其實是大氣壓和水壓共同作用的壓應力）抵抗了浮標帶來的上拔力；錨塊上部也是內嵌凹形，對錨塊上部的水體要瞬間排開，也受到水體的強大阻力，單是浮標在風浪流的作用力傳導到錨塊上不足以使錨塊離開海床。

內斗角長方體側邊四周具有切面的凹槽會逐漸下沉到泥沙中，底面的泥沙會逐漸將鋼板壓在海底；同時，因為四周都是切面凹槽，任何朝面均與海床形成斜面和反斜面，淤泥會在錨塊前進運動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，同樣產生非牛頓力抵抗，形成與浮標水平拉力相抗衡的阻力，可以抗衡浮標在水面受風浪作用時的水平力。內斗角長方體逐漸半埋于海底淤泥，實現錨塊與泥沙結為一體，“植根”于海底，從而起到穩固錨定浮標，增大穩固浮標作用，實現浮標受外力作用不至于漂移的目的。

這樣的結構，當船舶緩慢吊起錨鏈，淤泥的非牛頓液體作用消失，使錨塊底部傾側，水可進入錨塊底部，恢復錨塊的自浮力和自重，可輕易地在錨鏈垂直時將錨塊起吊,并不影響其回收。錨塊主要是通過特殊結構與淤泥結合共同發揮抵御外力作用，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，使用鋼板制作是考慮其有足夠的強度和便于制作。

3.海上攔截系統的布放形式

3.1 橋區的布放

橋區攔截系統主要是針對船舶能順利安全通過通航孔而設置，同時可起到保護橋墩的作用，因此攔截浮動帶應以順航道方向喇叭形設置。如需加強保護非通航孔的橋墩，則喇叭口外圍亦應布設，防止船舶誤入非通航孔。

3.2 風電場等海上構建筑物的布放

因風電場是防護外部船舶誤進入其安全區，故在外部船舶習慣航路上均應設立攔截系統，把船舶擋在風電場安全區外圍，可以設立多道攔截索；同時給進入風電場區的工作船舶、公務艦艇留有出入口門。考慮到攔截系統布放和回收的作業難度，不應設置太長的連續浮動帶，可間隔投放，如設置多道攔截索，則內外攔截帶錯位設置，保證攔截封閉有效。