無動力船舶錨泊防臺抗風(fēng)能力研究

◎ 王艷杰 交通運輸部水運科學(xué)研究院

無自航能力的駁船、打樁船、海上生活支持船和工程支持船等無動力船舶，避風(fēng)過程中一旦走錨，無法動車進行抗風(fēng)、頂浪等操作，可能隨風(fēng)漂移，從而威脅周圍船舶、人員以及周邊水域的安全，其防臺問題至關(guān)重要。

船舶的抗風(fēng)能力大小是防臺安全的決定性因素，確定其抗風(fēng)等級是防臺安全的前提條件。

1.穩(wěn)性衡準(zhǔn)與船舶抗風(fēng)能力

現(xiàn)行的船舶穩(wěn)性衡準(zhǔn)采用“確定性力學(xué)分析法”，先把船舶傾覆的物理因素簡化為數(shù)學(xué)模型，通過解析計算，對船舶穩(wěn)性作出定量評估。上述過程沒有直接反映出風(fēng)級風(fēng)速的概念，但經(jīng)過風(fēng)壓換算可以求出風(fēng)速，即抗風(fēng)能力，公式如下：

船舶抗風(fēng)等級：

船舶最大抗風(fēng)等級：

式中：V10—風(fēng)壓作用力臂10m高處的風(fēng)速；Z—受風(fēng)面積中心距水面距離，m；Lq—最小傾覆力臂，m；△—排水量，t；K—穩(wěn)性橫準(zhǔn)值；Af—受風(fēng)面積，m2。

2.基于船舶運動規(guī)律的抗風(fēng)能力計算模型

一定載重狀態(tài)下的無動力船舶，按一定錨泊方式錨泊防臺時，船體受到的力主要為風(fēng)力Fa、水動力Fw、錨鏈及錨抓力即錨泊力p。在不走錨的前提下，出一定鏈長時可抵御的船舶可受最大水平外力，稱為船舶在該條件下的臨界錨泊力。當(dāng)錨泊力達到臨界錨泊力時，船舶所承受的風(fēng)力最大。此時，船舶受力滿足如下條件：

式中：n—船舶實際錨泊狀態(tài)下產(chǎn)生的錨泊力/單錨泊產(chǎn)生的錨泊力。

單錨泊狀態(tài)下臨界錨泊力prmax（t）可以通過下式計算：

式中：λα—錨抓力系數(shù)；λc—錨鏈抓力系數(shù)；Wα—錨重，t；ωc—每米錨鏈重量，t/m；lc—出鏈長度，m；y—海底至錨鏈孔垂直距離，m。

船舶所受風(fēng)力Fa(N)可通過下式計算：

式中：ρa—空氣密度；Ca—風(fēng)動力系數(shù)；Va—相對風(fēng)速，m/s；Aa—水線以上船體正面投影面積，m2；Ba—水線以上船體側(cè)面投影面積，m2；θ—相對風(fēng)舷角。

船舶所受的水動力Fw(N)可通過下式計算：

式中：ρw—水密度；CW—水動力系數(shù)；VW—船舶與水的相對速度，m/s；L—船舶水線長，m；d—船舶吃水，m。

將式（4～6）代入式（3），單位化為統(tǒng)一，可以反推出船舶臨界狀態(tài)下所受風(fēng)力Vαmax（m/s）大小，即船舶能抵抗的最大風(fēng)力：

表1 施工船抗風(fēng)能力（基于船舶運動規(guī)律）

表2 施工船抗風(fēng)能力（基于穩(wěn)性衡準(zhǔn)）

3.計算實例

珠江口水域是我國水上運輸最為活躍的地區(qū)之一，也是受臺風(fēng)侵襲較多的地區(qū)之一。“砂樁3號”無動力施工船參與港珠澳大橋建設(shè)期間，推薦防臺水域底質(zhì)為泥沙和沙泥，防臺時拋八字錨或一點錨。根據(jù)式（7）計算其不同避風(fēng)狀態(tài)下抗風(fēng)能力大小，如表1所示。

風(fēng)壓換算后可知，八字錨避風(fēng)時，避風(fēng)狀態(tài)1和2情形下抗風(fēng)等級均為10級陣風(fēng)，避風(fēng)狀態(tài)3情形下為9級陣風(fēng)；一點錨避風(fēng)時，在3種避風(fēng)狀態(tài)下抗風(fēng)等級均為10級陣風(fēng)。

而基于穩(wěn)性衡準(zhǔn)轉(zhuǎn)換得到結(jié)果為：“砂樁3號”施工船在3種避風(fēng)狀態(tài)下抗風(fēng)等級均為10級陣風(fēng)，最大抗風(fēng)等級均為12級陣風(fēng)，如表2所示。

基于船舶運動規(guī)律得到的抗風(fēng)能力較基于穩(wěn)性衡準(zhǔn)得到的抗風(fēng)能力低，且不同的避風(fēng)狀態(tài)下抗風(fēng)能力有一定的差別，在實際運用中偏安全一些。

4.結(jié)論

本文提出的基于船舶運動規(guī)律的抗風(fēng)能力計算模型，可以實現(xiàn)對無動力船舶不同避風(fēng)狀態(tài)、不同錨泊方式下抗風(fēng)能力的估算，為駕引人員制定防臺方案提供參考。

船舶實際抗風(fēng)過程中，其外部環(huán)境及制約因素十分復(fù)雜，各個制約因素之間的關(guān)系也是非線性的，抗風(fēng)能力的量化是一個復(fù)雜問題。本文在計算模型建立過程中考慮到的因素可能與船舶實際抗風(fēng)狀態(tài)受力情況等有出入。駕引人員在實際操作過程中，可以此為參考，結(jié)合船舶相關(guān)參數(shù)、實際避風(fēng)經(jīng)驗、相關(guān)主管部門的規(guī)章制度或指示等，制定合理可行的船舶避風(fēng)方案。