杨宪章1,刘　毅2,李文玉1

(11天津港湾工程研究所,天津　300222;21天津市海岸带工程有限公司,天津　300384)

摘　要:通过波流联合作用下开敞式深水码头系泊试验研究成果的分析,阐述了流对系泊船舶的作用性质,波流联合作用下系泊船舶动态特征,缆绳选择及系缆方式,并对试验方法的选取提出了建议。

关键词:开敞式码头;系泊船舶;波流联合作用;缆绳;试验方法

中图分类号:TU675192　　　文献标识码:A　　　文章编号:100323688(2006)0120008204

M oor i ng of Sh ips under Jo i n t Action of W aves and Curren ts

YAN G X ian2zhang1,L I U Y i2,L IW en2yu1

(11T ianjin Po rt Engineering Institute,T ianjin　300222,Ch ina;

21T ianjin Coastal Zone Company,T ianjin　300384,Ch ina)

Abstract:Based on the analysis of the results of moo ring tests of sh i p s moo red to an open type jetty under the j o int acti on of w aves and currents,the paper expounds on the characteristics of currents acting upon moo red sh i p s, dynam ic behavi o r of moo red sh i p s under the j o int acti on of w aves and currents,and selecti on of moo ring cables and pattern of moo ring.T he paper also offers the recomm endati ons fo r selecti on of testing m ethods.

Key words:open type jetty;moo red sh i p;j o int acti on of w ave and current;moo ring cable;testing m ethod

1　引言

开敞式码头一是没有防波堤掩护,码头泊位处波浪较

大;二是一般地处水深流急海域,水流对系泊船舶的作用已

不容忽视。为此,评价码头泊稳标准不能仅凭波浪而定,必

须考虑水流对系泊船舶动态特征的影响。本文以上海宝钢

马迹山30万吨级矿石码头系泊试验为例,结合其它几个工

程波流联合作用下的系泊船舶试验研究成果,阐述波流联

合作用下的系泊船舶的动态特征,并对试验方法的选择提

出几点建议。

2　相对流向对系泊船舶流力的影响

所谓相对流向即水流流向与码头轴线间的夹角。相对

流向不仅决定船舶所受流力的大小,而且决定了流力作用

方向和流压中心的位置。相对流向越大,其流压越大,流压

角也越大。流压中心越靠近船舯位置,即,相对流向越大,

对系泊船舶越不利。日本《港口建筑物设计标准》和《港口

工程荷载规范》均给出了来自船侧方向的水流阻力公式:

R=1

2

ΘCV2B′

式中:R为水流阻力;Θ为海水密度;C为水流压力系数,是与相对流向角有关的流压系数;B′为吃水线下船侧面积。

收稿日期:2005209228

作者简介:杨宪章(1943-),男,教授级高工,港工专业。　　日本辶十丰次、森信笃、山内保文根据大型船实验,对不同h(水深) d(吃水)给出了水流压力系数C与相对流向Η间的关系图表。从图中可以看出,当系泊船舶受横向流作用(Η=90°),h d=111,115,710时,其流压力系数C分别为416、213、0195;而当相对流向为5°时,相应h d的流压力系数C却仅为013,0115和0106,也就是说,相对流向Η= 90°和Η=5°时,其流压系数C相差15倍以上,可见相对流向对流力影响之巨大。这也是《海港总平面设计规范》中规定“开敞式码头的轴线方向宜与风、浪、流的主导方向一致”的原因所在。

3　离岸流和向岸流

由于水深和造价,并从尽量少改变流场、减少淤积考虑,开敞式码头一般设计成透空结构。其码头轴线应和潮流流向基本一致,其夹角应尽量小一些。

潮流为往复流,如果涨潮流是向岸流,流力将系泊船舶压向码头;相应落潮流即为离岸流,流力将系泊船舶推离码头,此时在波流联合作用下船舶系缆处于最不利状态。

4　波流联合作用下系泊船舶的动态特性

以上海宝钢马迹山30万吨级矿石码头系泊试验为例,阐述波流联合作用下的船舶动态特性。

411　自然条件

30万吨级开敞式矿石码头所在的马迹山港位于嵊泗县

2006年2月　　第1期　总第141期　　　　　　　　　　

中国港湾建设

Ch i n a Harbour Eng i n eer i n g

　　　　　　　　Feb1,2006　

To tal141,N o11马迹山岛外侧,港址岸线蜿蜒,岸坡陡峭,礁石、礁盘众多,地形地貌复杂。港址水深条件很好,30万吨级矿石码头处距岸线200多m,水深即达-20～-30m(见图1)。

原设计涨潮流与码头轴线夹角13°,为艏向来流,属离岸流,流速为2124m s。落潮流与码头轴线夹角也是13°,为艉向来流,属向岸流,流速为1178m s。为改善船舶系泊条件,在码头东侧岸边拟建一道约160m长的导流堤。建堤后,涨潮流与码头轴线夹角减小为7°,流速为2130m s;落潮流与码头轴线夹角2°,流速为1178m s。

试验波浪:顺浪H4%波高为115m,210m,横浪H

4%

图1　宝钢马迹山矿石码头一期25万t、二期30万t总平面布置图

为112m,118m;周期为6s,8s和10s。

412　码头、系缆及护舷

码头为打入桩梁板结构。沿码头每隔24m布设一组

(一鼓一板)SU C2500H鼓型橡胶护舷。原设计系泊缆绳采

用 32mm钢丝缆,其破断力为740kN,系缆方式采用5、

4、2、2、4、5布法,即艏、艉缆各5根,艏、艉横缆各4

根,艏、艉倒缆各2根。艏缆设计每个系船柱系带2～3根

缆绳,因系船柱布置过于紧凑,涉及缆绳传感器的装配问

题,将5根缆绳合为一组,其它各缆均按设计布设。其中艏

横、艉横各4根缆绳,每个系船柱系带2根,这样则形成两

组艏横缆,两组艉横缆。横缆从艏至艉命名为艏横 、艏横

和艉横 、艉横 。详见图2

。

图2　30万吨级矿石船原设计系缆布置图

413　原设计系缆的系泊试验

30万吨级矿石码头建在一期25万吨级矿石码头东侧

延长线上,其自然条件基本相同。一期25万吨级矿石码头

投产后,频频出现船舶断缆现象,影响了码头作业,造成一

定的经济损失。为查找断缆原因,30万吨级矿石船原设计

系缆采取基本同一期25万吨级矿石船一样的缆绳和系缆

方式。

试验表明,30万t系泊船舶,在设计低水位-1178m,

满载,相对流向13°(艉向来流,向岸流),流速1178m s,

横浪H4%=112m,周期T=6s的不规则波,波流联合作用

下,艏横缆 最大缆力已达1100kN,该缆已处于破断临界

状态。当波高增大到H4%=118m时,艏横缆 最大缆力达

1615kN,远超过缆绳的破断力,艏横缆 断缆。

在设计高水位+2120m,半载,相对流向13°(艏向来

流,离岸流),流速2124m s,横浪H4%=112m,周期T

=6s的不规则波,波流联合作用下,艏横缆 的最大缆力

达1246kN,艉横缆 的最大缆力为1073kN,均接近缆绳

的破断力。当波高增大到H4%=118m时,横缆 和艉横缆

的最大缆力分别达1681kN和1714kN,超过了缆绳的

破断力,该两组缆将发生断缆。

・

9

・

2006年第1期　　　　　　　　　　　杨宪章,等:波流联合作用下的船舶系泊　　　　　　　　　　　　　　　　　

在设计高水位,1 3载(压载),与半载相同条件的波流联合作用下,随船舶运动量的增大,在H 4%

=112m 时,艉

横缆 最大缆力达16kN ;H

4%

=118m 时,更高达2500

kN ,艉横缆 将发生断缆。

试验很好地验证了一期25万吨级矿石码头系泊时的断缆情况,宝钢专家和码头操作人员一致认为试验结果符合现场情况,证明本次试验流的模拟基本上是正确的。

为进一步验证流对系泊船舶的影响,特意进行了不加流,单纯波浪作用的试验。试验结果与波流联合作用的试验结果相比,船舶运动、撞击力和缆力视流为向岸流、离岸流的不同,无流和波流联合作用呈现不同的变化规律,因篇幅有限,这里不再赘述。但有一点变化是显而易见的:即无流,单纯波浪作用时,系泊缆绳不再断缆。这就进一步说明了流对系泊船舶的影响及试验中正确模拟流的重要性。

414　缆绳及系缆方式改变后的系泊试验

通过原设计缆绳及系缆方式的系泊试验,并通过现已投产的一期25万吨级矿石码头系泊断缆情况的分析,认为原设计所采用的钢丝缆弹性变形较小, 32mm 的钢丝缆

其破断力也仅为740kN ,且总的系缆根数偏少,对此提出了改缆建议。经业主及设计单位研究,对缆绳及系缆方式进行了修改调整:①将艏、艉缆及艏、艉横缆均改为周径30

c m (12英寸)的尼龙缆(破断力为1500kN ),艏、艉倒缆

由 32mm 的钢丝缆改为 36mm 的钢丝缆(破断力为

850kN );②系缆方式由“5、4、2、2、4、5”变为“6、4、2、2、4、6”,且艉缆6根按3根长3根短布置,带缆点向

内错一个系船柱,目的是适当减小缆长,增大对船舶的约束力(见图3)。改尼龙缆的目的是增大缆绳的弹性变形,加大承受力;艏、艉倒缆用 36mm 的钢丝缆是为了约束因流而造成过大的船舶纵移;增加缆绳根数,减短艉缆是为了船舶过大的运动,增加缆绳总体承受力。

业主及设计单位根据试验情况,为减小流力,拟在码头东侧建一道长160m 的导流堤,以改变流向,减小流与码头轴线夹角。经流场试验,建导流堤后,涨潮流与码头轴线夹角由原设计13°减小为7°,落潮流与码头轴线夹角由原设计

13°减小为2°。

为对改缆后的系泊状态做全面的评价,

对无导流堤即

图3　30万吨级矿石船改缆后系缆布置图

原设计流向及建导流堤后流向均进行了试验验证。试验表明,改缆后的系泊船舶无论在设计流向还是建导流堤后流向的波流联合作用下,不论满载、半载、压载,当H

4%

≤210

m ,T <10s 时系泊缆绳均不断缆。

试验结果经业主、码头操作人员、设计单位及专家组审查,认为缆绳和系缆方式合理,与一期已投入运营的25万吨级码头系泊情况相比照,认为试验结果是正确的,符合现场实际情况。

415　波浪周期对系泊船舶动态特征的影响

大量的试验研究及工程实践表明,系泊船舶对波浪周期的响应很敏感,随着波浪周期的增大,船舶运动及缆力、撞击力迅速增加,这也是《规范》对不同吨级系泊船舶的码头作业规定允许平均周期的原因所在。而当波浪周期增大至船舶自摇周期附近时,则会引起船舶谐振,导致很大的横摇。

宝钢马迹山港所在海域常有涌浪发生,甚至会出现长周期涌浪。为保证系泊船舶及码头安全,确定船舶逃跑条件,进行了不同周期波浪与水流联合作用下的系泊试验,试验结果见表1。

表1试验结果表明,相同工况下,随波浪周期增长,船

舶运动急剧增大,相应缆力也快速增加。尤其是长周期涌浪出现时,尽管斜向浪作用,且H

4%

波高仅0188m ,当波浪

周期T =15s 时,船舶最大横移达2114m ,纵移1132m ,回转1149°,艏、艉横缆将发生断缆。船舶撞击力也很大。为保证系泊及码头安全,当海域出现波浪周期超过10s 的波浪,尤其出现长周期涌浪时,船舶应驶离码头。

5　结论与建议

(1)波、流联合作用下系泊船舶的运动及缆力是一个十

分复杂的问题,在水深流急的海域建设开敞式码头,在综合考虑波浪、水流和风的情况下,尽可能做到码头轴线顺流布置,使相对流向角最小。

(2)码头作业对船舶运动幅度要求较宽的系泊船舶,例

如矿石船、油船等,系泊缆绳最好采用尼龙缆,因为钢丝缆弹性变形很小。大型船舶系带二三十根缆绳,在波流作用下系缆,其松紧度不可能系带均匀,较紧的缆绳势必受力很大,容易首先破断。且从操作方便考虑,钢丝缆不会太粗,而较细的钢丝缆破断力又较小,流急浪大时容易断缆。

尼龙缆弹性变形较大,系带方便,初始系缆的松紧不一可相互补偿,且可采用较粗缆绳,其破断力可远大于能采用的钢丝缆。

(3)船舶系泊中艏、艉缆绳不宜过长,否则在流急浪大

时,不能有效的约束船舶运动,且容易造成横缆或倒缆等短

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01・　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国港湾建设　　　　　　　　　　　　　　　　　2006年第1期

相对流向Η(°)713流速v (m・s-1)2132124

波浪要素波高H4% m210(横向浪)0188(45°斜向浪)周期T s61081010101510

特征值横　移纵　移升　沉横　摇纵　摇回　转艏　缆艏横缆 艏横缆 艏倒缆艉倒缆艉横缆 艉横缆 艉　缆 艉　缆 单　位

m

(°)

kN

m ax1 3m ax1 3m ax1 3m ax1 3

01170112013301221100016621141146

01110108013401250170015511320195

01190111015201370193015801730155

014001241123017121431111911144

012201180177015711030178

01180114014501310179016311491108

626536872756120195518241319

47440697961283103817181078

11993352275724515805519

1311042912345603851133784

35732468450711328451436953

3982767956551701122320851368

17515236928376248619841336

11992292208671452832570

38427566559166674432

注:30万t矿石船,半载,设计高水位+2120m。

缆断缆。若欲船舶过大的纵向运动,可通过加强倒缆解决。

(4)要特别关注长周期涌浪对系泊船舶的影响。加强波浪预报,当长周期涌浪来袭时,船舶应及时逃离码头,以免对船舶或码头造成损坏。

大型系泊船舶遭遇一般涌浪时,亦应加强码头管理,及时调整系缆,防止或减少断缆现象发生。

(5)试验方法的选择问题

波、流联合作用下系泊试验方法有几种选择。

①若具备在试验范围内全场造流的条件,采用全场造流进行试验,这无疑是最佳的试验方案。

②若开敞式码头离岸较远,且海底地形较为平坦,宜可采用局部造流的试验方法。但应特别注意造流边界对波浪的影响,以免试验结果出现重大偏差。

③若开敞式码头紧靠岸边,如宝钢马迹山矿石码头,岸线蜿蜒曲折,岸坡陡峭,礁石礁盘众多,水深流急。对于这种情况,目前国内还没有如此大的全场造流能力的水池,局部造流则很难正确模拟流向、流速。因此,最好采用计算挂重法模拟流对船舶的作用。

计算挂重法是国内外常用的试验方法,已用于许多工程试验中。工程投产后的实践表明,该方法是可行的,国内几个工程也是采用计算挂重法进行波流联合作用下的系泊试验,投产使用效果良好。而码头距岸较近,地形地貌复杂,岸坡陡峭,水深流急时,采用局部造流法模拟流对船舶的作用,已有失败的教训。

所谓计算挂重法,目前国内是根据日本《港口建筑物设计标准》及我国《港口荷载规范》给出的水流对船舶作用力的公式和图表,并参照《船舶原理》,计算出不同水位,不同流向、流速,不同装载度情况下的水流力、作用方向和作用点。试验时,根据不同工况,在该工况下船舶的流压中心按计算出的流压角用导轮挂重法施加该工况下的流力,然后造波。

本文所例上海宝钢马迹山30万吨级矿石码头系泊试验,流的模拟即采用计算挂重法。

总之,试验应根据工程自然条件和试验设备能力,选择合适的水流模拟方法。

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