黄茅海跨海通道航道布置优化方案研究

黄昌均 珠海港引航站

黄茅海跨海通道项目资金投入量很大，建设时间很长，施工水域的通航环境相对复杂，承担的交通量大。在建设期间和建成后，将改变项目所在水域通航环境和该水域的船舶航行习惯，船舶交通流的密度增加，水上交通安全事故发生的几率和风险也将增大，同时也会加大海事部门的监管难度。若发生船桥碰撞事故，对桥梁自身以及水域的通航安全影响重大，其直接和间接损失均不可估量。本文通过分析不同水文条件、不同船型通过黄茅海跨海通道东航道时的船舶轨迹和航迹带宽度，校对拟建大桥的设计尺度能否满足设计船型的通航，论证拟建大桥的通航尺度可行性和符合性。

1.黄茅海跨海通道东航道通航现状

拟建黄茅海通道项目起点在珠海侧与鹤港高速顺接后，经过规划湿地公园南侧，在崖门水道水域先后跨越崖门出海航道、东航道、西航道，至台山赤溪镇，经猪乸潭水库北侧，以隧道穿越山岭，终点与西部沿海高速相交，对接新台高速，路线全长29.93km。黄茅海跨海通道主桥珠海侧起点位于三一重工码头北侧约2km处，经纬度约为22°01′35″N、113°07′52″E，基本呈东西走向通过黄茅海，西侧在黄茅岛北侧约700m登陆，经纬度约为22°00′10″N、113°02′15″E。拟建黄茅海大桥桥梁沿线各设置高栏港大桥、黄茅海大桥，桥梁全长13.81km，桥梁平面布置如图1所示。

图1 拟建大桥整体平面布置及通航孔布置图

黄茅海大桥位于中部水域，同时跨越黄茅海崖门出海航道中部的东航道、西航道。其中东航道通航孔跨径720m，航道轴线与桥梁轴线法线方向夹角约17.4°，通航孔通航净宽547m，通航净空为56m。西航道通航孔跨径720m，航道轴线与桥梁轴线法线方向夹角约18°，通航孔通航净宽263m，通航净空为40m。

2.桥区船舶双向通航模拟工况

2.1 试验代表船型

根据《广东省交通运输厅关于粤港澳大湾区跨江跨海通道项目前期工作推进会会议纪要》（[2018]94号）：崖门出海航道东东航道按照5万吨级规划、东航道按照3万吨级规划，西航道按照3千吨级进行规划。因此，本次船舶操纵的模拟试验选定241米的集装箱船、185米的油船、192米的杂货船三种船型（均为3万吨级）作为代表，船型的主要参数如表1所示。

表1 仿真模拟试验船型

2.2 试验条件

2.2.1 水文

黄茅海跨海通道跨越崖门出海东航道处，桥梁的法线方向与航道轴线方向的夹角为17.4°。根据水文观测资料，崖门出海东航道附近枯季落急时的流速为1.24m/s，流向为144°，水流方向与航线的夹角约为15.4°；涨急时流速为0.79m/s，流向为328°，水流方向与航线的夹角约为11.4°。

2.2.2 气象

黄茅海跨海通道地区地处亚热带季风气候区，季风特征明显，冬季吹偏北风，夏季吹偏南风。由于受季风和地形的影响，本区风速和风向的季节变化比较明显，秋季多NE风，夏季多SW风，均是正横风向，是对航行最不利条件风向。因此，结合现场自然条件，模拟气象条件设置风向45°和225°，风力7级；降雨不大于中雨；雾天水平能见度不小于2km。

2.2.3 试验方案

模拟试验包括涨、落潮最大流速的上下行对驶航行。模拟试验的过程由经验丰富的高级引航员对上面几种船型的船舶进行操纵。针对不同的风况、流速条件，进行不同工况的模拟试验。试验工况见各个模拟试验的轨迹图（图2）。每次试验所用时间与实船操纵的相关情况基本一致。每次试验都对船舶位置、航行速度、电罗经航向、主机的工况、操舵的角度、风流压角等运动参数以及风流的数据进行记录，获得相关船舶的众多航行数据，再对试验结果进行专业分析，以评估船舶通航是否安全。

图2 模拟试验船舶航迹带图

3.桥区船舶双向通航模拟试验数据分析

基于当地实际观测的船舶速度，杂货船、油船模拟试验过桥船速9～10节，集装箱船模拟试验采用过桥的船速为12～13节，模拟实验的航迹带和过弯交会的态势分别如图2与图3所示。

图3 模拟试验船舶过弯交会态势图

黄茅海跨海通道跨越崖门出海航道、东航道与西航道桥梁的通航净空宽度可依据《海轮航道通航标准》（JTS180-3-2018）中的相关规范计算确定，计算结果如表2所示。

表2 桥区通航模拟试验所需双向航道通航宽度

图5 航道优化方案二示意图

航道中轴线与桥梁中轴线的法线夹角约 17.4°，桥梁上游的航道是弯曲航道，转向角度达34°，模拟试验结果表明，东航道桥梁段的走向、航道布置不利于船舶的安全航行，船舶在弯曲段的航迹带宽度明显大于直航道段，弯曲段的航迹带宽度为84m～108m，转向角度大，航道切割加宽有限，对转向时机掌握要求高，风力达7级时为保持航向的压舵角大、用于转向的富裕舵力不足，导致转向操作本身困难，弯曲段与桥梁的距离较近，过弯后航向稳定需要1～2倍船长，下行船过桥航行的直航道段距离不足，桥梁附近的航道及上游弯曲的航段船舶会遇比较困难，同时，西航道、东航道在弯曲段交汇，增加了弯曲段会船的风险。因此，现有桥梁走向与航道走向交角大，过桥存在视觉判断偏差，不利于船位判断；下行船舶过弯过程中不断改变航向，稳定航向后即进入过桥梁下的水域，对船位、航向、航向稳定时机的操作要求高；东航道、西航道在弯曲段交汇，交通流形式复杂，交通组织困难。

船舶过桥航迹带宽度大小与过桥航速直接相关，船舶在大桥桥区水域内，应该采取足以保证自身的安全与不危及它船及水上其它设施的航速行驶。模拟试验表明，建议下行船舶最高航速不超过14节，上行船舶最低航速应不少于6节。为有利于船舶在桥区操作，船舶进入桥区水域前应该适当提早慢车，当进入桥区水域后可适当加车，增大舵效，提高驾驶员对船舶的控制力，以缩短通过时间，有效减少船舶横漂，确保船舶的安全通航。

大桥施工期和营运期应根据水域特点合理规划和优化上下行船舶航路，并根据不同水位期对航路进行及时调整。由于大桥桥区水域流速较大，不同水位期流速也有不同，大桥的上游航道弯曲，建议在大桥上、下游各3000m水域内为桥区水域，上游2000m、下游1500m水域内设置统一警戒区，制定相关的防碰及防搁浅预案。

船舶经过桥区水域，当班驾驶员和舵工应适当加强瞭望，船长应在驾驶台亲自指挥，充分考虑水流、天气、导航标志以及过往的船舶等情况，遵守桥区船舶安全航行规章，提前做好准备工作；遇到雨、雾天气，能见度低、视线不清时，不应冒着风险过桥；若桥区水域的导航标志出现偏差导致船舶无法安全过桥，应主动与航道、海事相关部门联系，当情况搞清楚后或经过纠正后方可过桥；船舶操纵设备或动力设备出现异常时，不应进行过桥操作。船舶在双向通航桥区航道及其通航孔内航行，应当尽量靠近其右舷航道侧行驶，并与航道边界保持适当距离。

4.航道布置优化方案及试验结果

为解决现有桥梁走向与航道走向交角大，导致过桥存在视觉判断偏差，进而影响船位判断的问题，本文提出了两种优化方案，并从经济性和适应性的角度综合进行了比选。

4.1 优化方案一

采取“截弯取直”方法（如图4），加宽弯曲航段，大幅度提高交汇水域范围，有效改善东航道上、下行船舶的避让操作，适当提前了下行船舶过弯操作的时机，使过桥直航距离加大；上行船舶通过桥梁后即可向右转向直航，靠近航道右边缘上行时可与下行船舶保持足够安全距离，避免干扰转向过程中的下行船舶。

图4 航道优化方案一示意图

4.2 优化方案二

在优化方案一的基础上，优化航道布置W——X段，依据目前海图水深，W——X段航道的东侧水深略大于西侧，在现有90m航道通航宽度条件下东扩至310m航道通航宽度，W——X段航道轴线东移，同时改变西航道的轴线东移，增加西航道边界与西侧桥墩之间的距离。

4.3 优化方案比选

基于航道疏浚量考虑，尽量保持原有航道的轴线位置，优化方案一的经济性好，轴线不变，推荐采用优化方案一。在拟建项目最新实测地图的基础上，对项目水域进行数据录取、坐标转换、数据转换、数据输入等流程，建立了相应电子海图，如图6所示。

图6 工程水域附近航道优化方案电子海图

4.4 基于优化方案的试验结果

由多位驾驶经验丰富的船长和引航员操纵代表船型的数字船模，在优化航道中航行，试验工况仍然采用之前所设置的工况条件，杂货船、油船模拟试验过桥船速9～10节，集装箱船模拟试验过桥船速12～13节，船舶的轨迹如图7所示。

图7 基于优化方案的模拟试验船舶航迹带图

根据优化后方案模拟试验结果，从通航环境和通航安全的角度出发，黄茅海跨海通道项目建设方案基本可行，跨海通道设置了三个通航孔，分别用于不同吨级船舶通航，东、西航道交汇处航道弯曲，东航道优化航道设计方案后，加宽弯曲航段，大幅度提高交汇水域范围，有效改善东航道上、下行船舶的避让操作，适当提前了下行船舶过弯操作的时机，使过桥直航距离加大；上行船舶通过桥梁后即可向右转向直航，靠近航道右边缘上行时可与下行船舶保持足够安全距离，避免干扰转向过程中的下行船舶。

5.结论

（1）基于船舶操纵模拟器的方法对黄茅海跨海通道东航道进行了仿真试验，通过构建模拟仿真的环境，在预设各种风压、流压的条件下进行船舶在桥区航行的模拟，获取充足的船舶模拟试验数据，并在此基础上分析、评价了拟建项目的设计通航尺度符合性，桥区通航安全性和可行性，同时，提出了船舶通过桥区的相关操纵要点和必要注意事项。

（2）针对现有桥梁走向与航道走向交角大，导致过桥存在视觉判断偏差，进而影响船位判断的问题，提出了航道布置的优化方案，并在优化方案的基础上进行了二次试验，试验结果表明在加宽弯曲航段，大幅度提高交汇水域范围后，可以有效改善东航道上、下行船舶的避让操作，增大安全距离。