关于防止船舶碰撞海上构建筑物的拦截带研究与应用

曹钜旋 交通运输部南海航海保障中心广州航标处

1.海上拦截带的意义和要求

近年广东区域船碰桥事故多发。2007年6月15日5时，装载河砂的“南桂机035”轮偏离通航航道，碰撞九江大桥非通航孔桥墩，致使桥梁面连段垮塌200米，造成桥面正常行驶的车辆坠江致使8人溺水死亡。船舶碰撞给桥梁更是造成严重的经济损失，全封闭待修时间长达2年，社会负面影响巨大。

2017年1月8日19时，砂石船“惠丰年298”轮碰撞中山市洪奇沥大桥，造成桥梁墩柱整体断裂，同时桥面下沉80cm；4月1日9时55分，芜湖籍散货船“新晨光20”轮由佛山开往海南，在弯道处由一级航道误入等级差异更大的四级航道，未及时发现通航净空限制桥梁，未采取有效措施，“新晨光20”轮顶部更是与莲溪大桥桥跨中梁底部发生撞击，下部11号墩轻微倾斜，被撞梁体端偏移约1.6米，墩顶桥面板损坏，墩顶发现环向裂缝。

图1 北斗大桥被船碰撞

2021年7月13日，内河集装箱船“新谷333”在航经番禺沙湾水道触碰北斗大桥桥墩，造成北斗大桥一侧一桥墩受损，被撞桥墩已经完全歪斜，桥墩表面开裂，地上散落大量水泥块。“新谷333”船体只轻微受损，未造成人员伤亡和水域污染，但造成桥梁封闭检修，损失情况尚未完全统计。

图2 浮动拦截索结构

图3 拦截带浮球

图4 拦阻架图像

珠江三角洲也是水网密集地区，河道交错纵横，不同等级的航道桥跨相互连通，极容易发生船碰桥事故，往往不在通航密集水域的低等级航道上，随着航运经济发达，通航环境复杂，船舶交通流增多，船碰桥事故更是多发。同时，受自然条件和船舶构造影响，桥梁水域通航安全明显受汛期水位大幅上升、水流湍急，大雾天气等情况发生，大大增加了船碰桥的风险。

2021年2月24日，交通运输部召开船舶碰撞桥梁隐患治理三年行动视频调度会。会议强调，要以习近平总书记有关安全生产的重要论述精神为指引，深入贯彻落实党中央、国务院决策部署，落实国务院安委会《全国安全生产专项整治三年行动计划》的任务要求，加快推进船舶碰撞桥梁安全专项治理工作，尽力防范化解碰撞安全风险，坚决遏制重特大事故发生，加快建设交通强国。

为此，海事主管部门和航海保障部门在持续推动桥梁单位严格配置桥梁助航标志和碰撞预警标志的基础上，进一步推动桥梁业主单位借鉴多种预警的成功经验，推荐在桥梁或区域上安装配置限制船舶高度的激光探测仪、多动态LED显示屏、声与光多方式报警器等预警设备，以及桥梁非通航孔限制高度栏、电子导向栏等防撞装置。

海上风电作为绿色能源新兴产业，建设进入热潮。连片的风机改变了原海上船舶航行习惯航路，如标识不清楚，则容易造成船舶主观或客观误认冲入风电场撞击风机的事故发生。因此，海上风电场的安全防护就是海事监管部门和业主必须研究的课题。如推广一些具体措施;作为风电场安全水域，距风电场外围风机500、100、50米等不同距离范围，设置多重电子围栏提示，除公务船、风电场工作船、及个别小型作业补给船外，其他外部船舶禁止进入风电场划定的安全区，业主对风电场单个风机，或整个连片风电场设置多冗余的警示标志（如特种反光漆标志牌、安装信号灯、实体AIS、安装船舶能识别的雷达应答器等），以达到白天和夜晚均能对附近作业或行驶的船舶起到提醒作用。

2.拦截系统结构组成初探

如前所述，在海上构建筑物上设置助航标志或电子围栏等警示，只是起到报警或预警作用，即使安装防撞墩、限高栏等，也会对桥梁等构建物或船舶造成损毁性破坏。本文要阐述的是既可对来往船舶起警示作用又可对失控船舶起到拦截或导向作用的海上拦截系统。

图5 气囊式浮动拦截带

2.1 浮动结构组成分析

海上拦截系统是一套海上物理保护产品，主要用于水面隔离、警戒、警示、防冲撞等使用。浮动系统主要产品分为浮球、拦阻架和气囊等结构形式，采用水面漂浮和水中系固连接而成，通过岸端和海上浮筒、锚链、锚碇固定，安装便捷，安全可靠。

2.1.1 浮球式

浮球采用 EVA 材料制作，根据形状、大小等分为不同规格，以圆柱体形为主，有带刺、不带刺等区别，防护等级较高，使用范围广泛，12 级台风下可生存，极端海况有自我保护能力，防台不用撤回与布放，设计寿命15 年以上。

2.1.2 拦阻架式

拦阻架采用复合材料制作，通过水下浮体漂浮水面，主要用于强台风地区，12级台风下可生存，极端海况有自我保护措施，防台时不用撤回与布放，设计寿命15年以上。

2.1.3 气囊式

气囊采用橡胶等材料制作，有直径1.8M、2.2M两种规格，长度10-25米均可，使用使命大于6年，工期短，造价相对较低，适用于台风较弱、较少海域。

2.2 系碇结构组成分析

长期以来，采取将浮标通过锚链和卸扣系挂在一个有若干重量（一般以吨来计量）的水泥块，该水泥块靠自重沉在海床上，重量因具体投放水域的水流和风浪情况而定，根据过往经验（仅以经验来衡量），锚链的长度一般情况以水深的3倍配置，富余的锚链长度一方面是利用自身在随涨落的潮汐波浪而伸缩调节，另一方面，增加锚链在海底耙附力（此锚链长度数值有待商榷：这种是以船下锚在海底为经验借鉴的，只以经验来评判，船舶抛锚时要放3～4节、甚至更长的锚链，主要是利用长锚链自重水平铺展在海底，获得是水平的作用于锚的拉力，并且无需更多考虑船舶自身或邻近船舶位置和多大的回旋半径。而海上拦截系统受布放水域的限制，更要考虑浮标位置的准确性和稳定性，不能简单按船锚的作用方式实现浮标的位置固定）。

为缩短浮标相对锚块投放位置的漂移距离，锚链长度应为L=√2H为宜，即1.414倍水深（此为平均大潮高潮面水深），大大减少浮标漂移半径。

图6 浮标系碇水中状态示意图

图7 钢制锚块在海床状态示意

图8 锚块运动状态分析示意图

图9 航道侧布放拦截带

锚块采用内斗角长方体设计。由于浮标在波浪中圆周运动而通过锚链传递到锚块的作用力是脉冲的，锚块凹形底部瞬间吸蚀高含水量泥沙这一非牛顿流体，外作用力越大，抵抗力越大，因此锚块的底部吸力（其实是大气压和水压共同作用的压应力）抵抗了浮标带来的上拔力；锚块上部也是内嵌凹形，对锚块上部的水体要瞬间排开，也受到水体的强大阻力，单是浮标在风浪流的作用力传导到锚块上不足以使锚块离开海床。

内斗角长方体侧边四周具有切面的凹槽会逐渐下沉到泥沙中，底面的泥沙会逐渐将钢板压在海底；同时，因为四周都是切面凹槽，任何朝面均与海床形成斜面和反斜面，淤泥会在锚块前进运动方向中不断并迅速堆积，高含水的泥砂本身也是非牛顿力流体，同样产生非牛顿力抵抗，形成与浮标水平拉力相抗衡的阻力，可以抗衡浮标在水面受风浪作用时的水平力。内斗角长方体逐渐半埋于海底淤泥，实现锚块与泥沙结为一体，“植根”于海底，从而起到稳固锚定浮标，增大稳固浮标作用，实现浮标受外力作用不至于漂移的目的。

这样的结构，当船舶缓慢吊起锚链，淤泥的非牛顿液体作用消失，使锚块底部倾侧，水可进入锚块底部，恢复锚块的自浮力和自重，可轻易地在锚链垂直时将锚块起吊,并不影响其回收。锚块主要是通过特殊结构与淤泥结合共同发挥抵御外力作用，而不是依赖锚块重量，从而大大减轻了锚块重量，便于施工作业，使用钢板制作是考虑其有足够的强度和便于制作。

3.海上拦截系统的布放形式

3.1 桥区的布放

桥区拦截系统主要是针对船舶能顺利安全通过通航孔而设置，同时可起到保护桥墩的作用，因此拦截浮动带应以顺航道方向喇叭形设置。如需加强保护非通航孔的桥墩，则喇叭口外围亦应布设，防止船舶误入非通航孔。

3.2 风电场等海上构建筑物的布放

因风电场是防护外部船舶误进入其安全区，故在外部船舶习惯航路上均应设立拦截系统，把船舶挡在风电场安全区外围，可以设立多道拦截索；同时给进入风电场区的工作船舶、公务舰艇留有出入口门。考虑到拦截系统布放和回收的作业难度，不应设置太长的连续浮动带，可间隔投放，如设置多道拦截索，则内外拦截带错位设置，保证拦截封闭有效。