海港工程設(shè)計中波浪引起不可作業(yè)時間分析方法

張　軍，王科華

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州510230）

海港工程設(shè)計中波浪引起不可作業(yè)時間分析方法

張軍，王科華

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州510230）

以喀麥隆克里比深水港項目為例，提出了結(jié)合船舶系泊試驗、實測資料及波浪傳播模型，分析波浪引起船舶裝卸不可作業(yè)時間的方法，并與國外的研究結(jié)論進行對比，一致性較好。同時指出了對于長周期波浪影響船舶裝卸作業(yè)的分析方法，以及將不可作業(yè)時間轉(zhuǎn)換為不可作業(yè)天數(shù)時的注意事項。可供相關(guān)設(shè)計參考。

不可作業(yè)時間；船舶系泊試驗；波浪數(shù)學(xué)模型；波浪物理模型；時間序列

1　概況

海港工程平面布置需要綜合考慮港口的功能、使用要求以及周邊的環(huán)境條件?？蛇M行裝卸作業(yè)的時間往往是進行港口平面布置需要考慮的關(guān)鍵因素之一，對可作業(yè)時間有影響的因素包括風(fēng)、波浪、水流、冰凌、能見度、雷暴及港口維護等。一般來說，新建港口的年可作業(yè)時間需要結(jié)合運量要求確定，對于大多數(shù)種類的碼頭，往往不低于95%，月可作業(yè)時間不低于85%[1]。

在上述諸多影響因素中，對于大多數(shù)港口而言，波浪則是影響船舶泊穩(wěn)的關(guān)鍵因素。以下結(jié)合喀麥隆克里比深水港項目提出確定波浪引起不可作業(yè)時間的一種方法。

克里比深水港位于非洲大陸西海岸幾內(nèi)亞灣內(nèi)的喀麥隆沿岸，喀麥隆周邊與尼日利亞、乍德、中非共和國、剛果、加蓬以及赤道幾內(nèi)亞接壤，工程位置及平面布置見圖1。

圖1　喀麥隆克里比深水港項目平面布置Fig.1 General layoutof K ribiDeep Sea Port in Cameroon

項目一期工程建設(shè)1個5萬噸級集裝箱泊位，1個4萬噸級多用途泊位。為給泊位提供裝卸作業(yè)所需要的掩護條件，需建設(shè)適當(dāng)長度的防波堤，另外還需建設(shè)和配備滿足工程建成初期基本營運要求的設(shè)施和設(shè)備。

工程區(qū)域?qū)儆跓釒в炅謿夂?，平均溫度?5℃，最低23.4℃，最高32.5℃。最低出現(xiàn)在10月，最高出現(xiàn)在4月。年均降雨量達2 900 mm，多年平均降雨天數(shù)為204 d，主要分布在雨季的3—10月，旱季的11—翌年2月則降雨較少。風(fēng)力一般較弱，平均風(fēng)力約2～3m/s，常風(fēng)向為西南向，頻率約85%。颮線過境時，極端風(fēng)速可達到25 m/s。工程區(qū)域為半日潮海區(qū)，平均潮差約為1.2 m，參考英版海圖1 387，克里比的特征潮位如下：

MHWS（平均大潮高潮位）：1.8 m；

MHWN（平均小潮高潮位）：1.5m；

MLWN（平均小潮低潮位）：0.5m；

MLWS（平均大潮低潮位）：0.2m。

相比幾內(nèi)亞灣的洋流，潮流動力較弱，最大流速一般不超過0.5 m/s。

根據(jù)對收集到的波浪資料進行統(tǒng)計分析，工程區(qū)波浪既包含周期較短的風(fēng)浪，也包含周期較長的涌浪，且以涌浪控制為主。

波向以S—SW為主，風(fēng)浪波高在0.5～2 m，周期在6 s以內(nèi)；涌浪來自于南大西洋，年平均波高在1.5 m左右，波周期都較長，在10～16 s，見圖2[2]。因此在港口工程設(shè)計時要充分考慮所處海域的波浪特征。

圖2　幾內(nèi)亞灣深水波高周期分布Fig.2 Hsvs Tpin deep sea area in Gulf of Guinea

2　船舶的系泊標(biāo)準(zhǔn)

船舶系泊標(biāo)準(zhǔn)主要包括：

1）滿足船舶裝卸作業(yè)的運動量標(biāo)準(zhǔn)；

2）纜繩的系纜力標(biāo)準(zhǔn)；

3）護弦變形標(biāo)準(zhǔn)。

不同的船舶在裝卸作業(yè)時，能允許的船舶位移或轉(zhuǎn)動不同?？傮w說來，集裝箱船裝卸作業(yè)時對船舶運動量的要求較高，雜貨船、散貨船要求較低。我國JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》及國際航運協(xié)會出版的《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》對船舶的運動量均有規(guī)定[3]?？溌】死锉软椖恐猩婕凹b箱碼頭，將我國規(guī)范中的要求列于表1[4]。

表1　裝卸作業(yè)允許的船舶運動量Table 1 Ship movem ent lim it during loading/unloading

為了保證安全作業(yè)，對纜繩、護弦等系纜設(shè)備的受力或變形也有相應(yīng)的要求。一般來說，對于鋼纜和尼龍纜，允許的纜力分別是最大纜力的55%和50%[5]，護弦的變形一般為最大變形的50%[6]，設(shè)計時針對不同的產(chǎn)品，需參考對應(yīng)的性能曲線或技術(shù)規(guī)格書。

3　船舶作業(yè)所允許的波浪限值

在確定船舶的系泊標(biāo)準(zhǔn)后，開展系泊試驗（Ship Mooring Study）。通過系泊試驗來確定船舶作業(yè)允許的波浪條件，同時也可以優(yōu)化系纜布置、帶纜方式和護弦的設(shè)計等。系泊試驗可以采用數(shù)學(xué)模型或物理模型的手段，國內(nèi)一般采用物模試驗較多，國外一般采用數(shù)模手段較多。

喀麥隆項目中采用系泊物理模型，以1∶75的比尺在試驗水池中同時模擬了防波堤、泊位、集裝箱船舶以及系纜設(shè)備和護弦。

試驗中同時考慮了風(fēng)和波浪的因素，水流在港內(nèi)較弱，對系泊船舶的作用也較小，故試驗中不予考慮。

根據(jù)物理模型試驗，滿足船舶作業(yè)要求的波高隨波周期的增大而減小，船舶的橫移量和系纜力隨波周期的增大而增大，最大橫搖出現(xiàn)在波周期Tp=12 s時。不同周期時，集裝箱泊位處的最大允許波高見表2[7]?？蓪⒋瞬ǜ吲c較低重現(xiàn)期的設(shè)計波高（1 a一遇或2 a一遇）相比較，可初步分析其出現(xiàn)頻率。

表2　通過船舶系泊物理模型試驗確定的集裝箱泊位前最大允許波高Tab le 2 W ave threshold Hsderived by ship m ooring study

4　泊位處波浪時間序列

通過收集外海的實測波浪資料或大范圍數(shù)模后報的外海波浪時間序列，采用波傳播數(shù)學(xué)模型或物理模型的手段，獲得港內(nèi)泊位處的波浪時間序列。

在喀麥隆項目中，設(shè)計前期收集到了Ocean Weather公司利用WANE模型后報的連續(xù)15 a深水波浪數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點水深約1 200 m，距工程位置約55 km[2]。設(shè)計期間在工程海域開展了波浪周年觀測，觀測期為2011-12—2012-12，測波站位于防波堤頭外-20m水深處[8]。

采用MIKE21-SW模型將深水波浪時間序列推導(dǎo)至-20m水深處[8]，與實測資料進行對比驗證，波浪玫瑰圖見圖3及圖4。

圖3　數(shù)模計算得到的-20m水深處波浪玫瑰圖Fig.3 Wave rose(-20m)derived by numericalmodel

圖4　波浪周年觀測得到的-20m水深處波浪玫瑰圖Fig.4 W ave rose(-20m)by observation

從波浪玫瑰圖的對比來看，模型的計算精度較好，可滿足工程需要。

從深水波浪時間序列中選擇大浪出現(xiàn)較多的一年或多年（略保守的方法），采用MIKE21-SW及MIKE21-BW模型聯(lián)合計算方式，將波浪的時間序列進一步推導(dǎo)至泊位處。MIKE21-SW用于波浪從深水到近岸的傳播，MIKE21-BW用于波浪從近岸到港內(nèi)的傳播[9]。類似的模型還可以采用SWAN，DIVINE，SWASH等?？溌№椖恐羞x取了2007年的深水?dāng)?shù)據(jù)推導(dǎo)至港內(nèi)，兩組時間序列如圖5和圖6所示。

圖5　深水波浪時間序列Fig.5 Time seriesof offshorewave

圖6　兩泊位處波浪時間序列Fig.6 Time seriesofwavesat theberths

5　波浪引起的不可作業(yè)時間

在得到泊位處的波浪時間序列后，以之前通過船舶系泊試驗確定的波浪限值為標(biāo)準(zhǔn)，分析波浪時間序列中高過此標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)頻率，得到波浪引起不可作業(yè)時間（downtime）。

喀麥隆項目中，通過此方法分析得到的波浪引起不可作業(yè)時間為6 h/a，約合0.07%，見表3。本項目中，法國ARTELIA公司采用船舶系泊數(shù)學(xué)模型與波浪數(shù)學(xué)模型手段結(jié)合的方法，分析波浪引起不可作業(yè)時間，得到的結(jié)論小于0.1%[10]，與本文的結(jié)論基本一致。波浪對船舶裝卸作業(yè)產(chǎn)生的影響很小。

表3　波浪引起的集裝箱碼頭不可作業(yè)時間Table3 W ave induced downtimeofa container berth

6　結(jié)語

本文通過喀麥隆克里比項目的實例分析，給出了一種分析波浪引起系泊船舶不可作業(yè)時間的方法，即通過船舶系泊試驗確定碼頭前允許波浪標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合碼頭前的波浪時間序列對不可作業(yè)時間進行統(tǒng)計分析。

對于周期在25 s以上的長周期波浪（long period waves，or infra-gravity waves），試驗室中由于場地限制，難以模擬如此長周期且波高在十幾cm的波浪。但現(xiàn)實中長周期波浪影響系泊船舶作業(yè)的例子并不少見，如澳大利亞的Geraldton港，阿曼的Salalah港等。長周期波浪對系泊的影響和港內(nèi)長周期波浪的分析只能依靠數(shù)模來完成。

不可作業(yè)時間與國內(nèi)常用的不可作業(yè)天數(shù)是不同的概念，不可作業(yè)時間僅是1 a內(nèi)不可作業(yè)時段的直接相加，但分析不可作業(yè)天數(shù)尚需要考慮不同貨種裝卸作業(yè)的可間斷性及不可作業(yè)時間段的連續(xù)性，故不能將不可作業(yè)時間簡單轉(zhuǎn)換為不可作業(yè)天數(shù)。

[1]CARLA THORESEN.Port designer′s handbook[M].2nd edition. London:Thomas Telford Limited,2010.

[2]DHI.Evaluation of wave conditions at deep water port of Kribi,Cameron[R].Shanghai：Danish Hydraulic Institute(China),2011.

[3]PIANC.Criteria for movements of moored ships in harbors-Apracticalguide[M].Brussels：PIANCGeneral Secretariat,1995.

[4]JTS 165—2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S].JTS 165—2013,Design codeofgeneral layout for sea port[S].

[5]OCIMF.Mooring equipment guidelines[M].3rd edition.United Kingdom：Witherby Seamanship International,2008.

[6]BS 6349-4,Code of practice for design of fendering and mooring systems[S].London：British Standards Institution,1994.

[7]CCCC-TPEI.Report on physicalmodel tests of ship mooring for phase Iproject of KribiDeep Sea Port in Cameroon[R].Tianjin: CCCCTianjin PortEngineering InstituteCo.,Ltd.,2012.

[8]TIWTE.Measured data ofwave,tide,wind statistics and analysis report[R].Tianjin：Tianjin Research Institute forWater Transport Engineering,M.O.T.,2013.

[9]DHI.Designwave study for deep water portof Kribi,Cameroon[R]. Shanghai：Danish Hydraulic Institute(China),2012.

[10]ARTELIA.Kribi portproject downtime study report[R].France：ARTELIA,2012.

Analysis on wave induced downtime in sea port design

ZHANG Jun,WANGKe-hua
（CCCC-FHDIEngineering Co.Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

Based on the KribiDeep Sea Port project,amethod of analysison wave induced downtime is proposed,combining the ship mooring study,wavemeasurement data and wave propagatingmodel.The results are compared and validated with that performed by foreign institutes.A method to analyze the influence of long period wave on the downtime is proposed and precautions in transformation from downtime to unavailable days are also pointed out.Themethod can bemade reference for similar projects.

downtime;ship mooring study;numericalwave study;physicalwave study;time series

U691.3

A

2095-7874（2016）06-0011-04

10.7640/zggw js201606003

2016-02-03

2016-04-27

張軍（1982—），男，山西晉中人，碩士，工程師，主要從事海岸工程水文泥沙研究。E-mail：zhangjun@fhdigz.com