風(fēng)浪聯(lián)合作用下電廠碼頭駁船系泊試驗(yàn)研究

耿寶磊， 李偉遷2, ，李 焱,3*，高 峰,3

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456; 2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098;3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072 )

駁船是港口作業(yè)和海洋平臺(tái)的運(yùn)輸與安裝等常用的一種工程輔助船，其型線(xiàn)規(guī)則，船體肥大，在波浪中的運(yùn)動(dòng)幅值與受力較大[1]。碼頭船舶系泊纜繩的受力是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，在強(qiáng)風(fēng)大浪的作用下，碼頭系泊船舶往往纜繩崩斷，造成嚴(yán)重的海損事故，這在國(guó)內(nèi)外屢見(jiàn)不鮮。隨著港口建設(shè)的發(fā)展，大型船舶日益增多，對(duì)系泊船舶在風(fēng)浪作用下的系纜力的確定日顯重要[2]。劉必勁等[3]通過(guò)研究系泊船舶系纜力隨波高、周期、波浪入射角度以及船舶特性等要素的變化規(guī)律，提出船舶系纜力經(jīng)驗(yàn)公式，最后通過(guò)物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，給出完整的系泊船舶系纜力經(jīng)驗(yàn)公式。王興剛等[4]通過(guò)船舶系泊物模試驗(yàn)，其中試驗(yàn)中考慮了不同潮位下吹攏風(fēng)、吹開(kāi)風(fēng)以及漲落潮流的影響，對(duì)系泊狀態(tài)下LNG船的運(yùn)動(dòng)量、系纜拉力、撞擊能量和撞擊力等進(jìn)行了分析。李焱等[5-6]以某25萬(wàn)t礦石碼頭、40萬(wàn)t大型油船為例，研究了不同水位、不同船舶載度、不同浪流夾角，單流、單浪和浪流共同作用時(shí)對(duì)船舶撞擊力和系纜力的影響并且分析了該碼頭工程護(hù)舷和纜繩的布置情況。湯本靖等[7]對(duì)風(fēng)浪聯(lián)合作用下LNG船舶系泊進(jìn)行了物模試驗(yàn)分析與對(duì)比，研究表明單純風(fēng)工況下2種方法(風(fēng)機(jī)法與掛重法)測(cè)得的系纜力有所差異，但疊加波浪荷載后這種差異變小且不同位置纜繩受力分配狀況也有所改善。

本項(xiàng)目為印度尼西亞S2P公司1×660 MW電廠配套碼頭工程，計(jì)劃建設(shè)14 000 DWT駁船泊位1座，55 000 DWT散貨泊位一座。工程位于印尼爪洼島Cilacap市東側(cè)，距離市區(qū)約10 km。工程海域直接面對(duì)印度洋，外海長(zhǎng)周期波浪特征明顯，為確保本工程建成后，船舶系泊的安全和可靠性，擬通過(guò)物理模型試驗(yàn)測(cè)定船船在風(fēng)、波浪、潮流等動(dòng)力因素不同組合工況下的船舶運(yùn)動(dòng)量、纜繩拉力、護(hù)舷承受的撞擊力，以及船舶靠泊產(chǎn)生的撞擊力和撞擊能量等，從而確定合理的船舶系纜方式，為工程設(shè)計(jì)的更加經(jīng)濟(jì)、合理提供依據(jù)。工程位置及平面布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 工程位置及平面布置示意圖Fig.1 Sketch of project location and layout

1 試驗(yàn)條件

1.1 船型尺度

本次試驗(yàn)為14 000 DWT駁船，船舶裝載狀態(tài)包括滿(mǎn)載、半載和壓載3種，不同狀態(tài)下船舶主要尺度與參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 14 000 DWT駁船主要尺度與參數(shù)Tab.1 Main dimensions and parameters of 14 000 DWT barge

1.2 風(fēng)浪及水位條件

(1)風(fēng)：主要考慮E向的最不利風(fēng)向，對(duì)應(yīng)駁船碼頭為吹開(kāi)風(fēng)，與碼頭夾角為77°，風(fēng)速取18 m/s；同時(shí)考慮SE為常風(fēng)向，其對(duì)駁船碼頭為吹開(kāi)風(fēng)，對(duì)系纜不利，故增加SE向風(fēng)(與碼頭夾角為58°)對(duì)駁船的影響試驗(yàn)，風(fēng)速取10.8 m/s。

(2)波浪：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)波浪條件與碼頭岸線(xiàn)方向，考慮角度為40°艉來(lái)浪作用，波高取0.3～0.8 m，平均周期為12 s。

(3)以工程附近Serayu河河口附近理論最低潮面為基準(zhǔn)(平均海平面(MSL)1.208 m)，本次船模試驗(yàn)選用設(shè)計(jì)高水位為+2.46 m、設(shè)計(jì)低水位+0.42 m。

1.3 系纜及護(hù)舷

纜繩采用尼龍纜，直徑Φ=60 mm，破斷力520 kN，初始力為破斷力的5%～10%，即26～52 kN，考慮到橫纜通常受力較大，故其初始力取為26 kN，其它纜繩初始力取為52 kN。護(hù)舷選用錐型SCN700兩鼓一板標(biāo)準(zhǔn)反力型，設(shè)計(jì)反力360 kN，設(shè)計(jì)吸收能量131 kJ。

1.4 系纜布置方式

兩種系纜方式均為3:3:2布置，其中系纜方式一艏、艉纜分別系在碼頭最兩端的系船柱上，艏、艉纜與碼頭前沿的夾角為30°～35°；系纜方式二艏、艉纜分別系在碼頭兩端起算第二個(gè)系纜柱上，艏、艉纜與碼頭前沿的夾角為59°～60°。兩種系纜方式見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)高水位、船舶滿(mǎn)載情況下，兩種系纜方式中的系纜角度和纜繩長(zhǎng)度比較見(jiàn)表2。

2-a 方式一2-b 方式二圖2 系纜方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of mooring mode

纜繩纜繩長(zhǎng)度/m系纜方式一系纜方式二與碼頭前沿線(xiàn)水平角/(°)系纜方式一系纜方式二艏纜23.612.33060艏橫纜4.04.09090艏艉倒纜13.813.81010艉橫纜2.82.89090艉纜16.111.03559

2 模型設(shè)計(jì)與制作

2.1 模型比尺選擇

本模型為風(fēng)、浪兩種動(dòng)力條件綜合作用下的船舶系泊物理模型，遵照試驗(yàn)規(guī)程應(yīng)采用正態(tài)整體物理模型，當(dāng)有船舶模型置于其中時(shí)，模型長(zhǎng)度比尺不應(yīng)大于80的原則。綜合試驗(yàn)?zāi)康募耙螅Y(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備，確定模型幾何比尺為1：50。

2.2 船舶模擬

船模按重力相似設(shè)計(jì)，在幾何相似中使模型船與原型船保持線(xiàn)性尺度相似；在靜力相似中，采用配重方法，在適當(dāng)位置放置適當(dāng)?shù)闹匚?，使其符合不同載重時(shí)的重量及其分布要求，并保證重心的縱向和垂向位置相似；在動(dòng)力相似中，對(duì)船模的質(zhì)量慣性矩進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其橫搖及縱搖周期符合相似條件。

2.3 纜繩模擬

纜繩模擬時(shí)，長(zhǎng)度按照自船上絞車(chē)經(jīng)帶攬孔至碼頭上帶纜鉤間的總長(zhǎng)度進(jìn)行模擬，船與岸相對(duì)位置固定后，長(zhǎng)度自動(dòng)滿(mǎn)足幾何相似。模型系纜系統(tǒng)由線(xiàn)繩和彈性鋼片復(fù)合而成，其中纜繩用杜邦Kevlar線(xiàn)制作，其本身不具備彈性，而纜繩的彈性變形則采用彈性鋼片組模擬，使其受力-變形曲線(xiàn)滿(mǎn)足相似。

由于不同系纜方式、不同載度和不同水位時(shí)的纜繩長(zhǎng)度不同，纜繩需要重新模擬和率定。此外在纜繩模擬時(shí)，將一組纜繩合并成一根進(jìn)行其受力-變形曲線(xiàn)的模擬。圖3給出了系纜方式一、船舶滿(mǎn)載、高水位時(shí)系泊纜繩的模擬結(jié)果，從中可知模擬效果較好。

圖3 14 000 DWT駁船滿(mǎn)載、高水位時(shí)系泊纜繩模擬結(jié)果(系纜方式一)Fig.3 Simulation results of mooring line at full load and high water level for 14 000 DWT barge (mooring mode 1)

2.4 護(hù)舷模擬

護(hù)舷模型主要模擬護(hù)舷的反力-變形曲線(xiàn)相似。本試驗(yàn)?zāi)M了可能與船舶碰觸的13個(gè)護(hù)舷，兩鼓一板合并模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

3 系泊安全標(biāo)準(zhǔn)

(1)運(yùn)動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)[8]于 1995 年推薦了可接受的船舶最大運(yùn)動(dòng)量值供參考，本次試驗(yàn)研究主要以PIANC(1995)年推薦允許值作為依據(jù)，即：縱移不超過(guò) 2.0 m、橫移均不超過(guò) 10 m，橫搖不超過(guò) 6.0°，縱搖與回轉(zhuǎn)均不超過(guò) 2.0°。

(2)系纜力標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)[9]相關(guān)規(guī)定，對(duì)于尼龍纜(polyamide rope)，其纜繩所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力的 45%，如超過(guò)則認(rèn)為纜繩直徑不滿(mǎn)足安全系泊要求。因此對(duì)于14 000 DWT駁船單根纜繩的最大受力應(yīng)小于Φ60 mm的尼龍纜的最小破斷力(520 kN)的45%，為234 kN，才可滿(mǎn)足系泊要求。

(3)護(hù)舷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于護(hù)舷的撞擊力和撞擊能量，當(dāng)實(shí)測(cè)撞擊力和撞擊能量超過(guò)護(hù)舷的設(shè)計(jì)撞擊力和撞擊能量時(shí)，則認(rèn)為護(hù)舷型號(hào)不滿(mǎn)足要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 系纜方式一

(1)系泊力和撞擊力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在系纜方式一中，橫纜的受力較大，尤其是艏橫纜的受力最大，艏、艉纜的受力則較小，主要原因是波浪為近乎45°的斜浪，而艏艉纜的纜繩長(zhǎng)度為艏艉橫纜長(zhǎng)度的5～8倍，與碼頭前沿線(xiàn)的夾角約30°～35°，造成艏、艉纜和艏、艉橫纜之間的受力不均勻，即艏艉纜分擔(dān)的橫纜力不充分；斜浪作用下，船頭和船尾處的幾個(gè)護(hù)舷所受撞擊力比中間的護(hù)舷受力要大。

系纜方式一單根系纜力的最大值和錐型SCN700兩鼓一板護(hù)舷所受的撞擊力及撞擊能量的最大值見(jiàn)表3，從中可知：

表3 兩種系纜方式的單根系纜力、撞擊力和撞擊能量最大值Tab.3 Single root cable force, impact force and the maximum impact energy of two mooring modes

注：波高單位為m，力的單位為kN，能量單位kJ。

(2)運(yùn)動(dòng)量。

4.2 系纜方式二

(1)系泊力和撞擊力。

由于系纜方式二的艏、艉纜的纜繩長(zhǎng)度比系纜方式一減小(約為系纜方式一的0.52～0.68倍)，與碼頭前沿線(xiàn)的夾角從30°～35°增大至59°～60°，故分擔(dān)了部分橫纜受力，使得橫纜受力有所減小，艏、艉纜和艏、艉橫纜繩受力更為均勻些。船舶3個(gè)載度中，滿(mǎn)載時(shí)纜繩的受力最大，半載次之，壓載最小，兩個(gè)水位條件下的系纜力相差不大，其中設(shè)計(jì)低水位時(shí)的最大橫纜力略大于設(shè)計(jì)高水位。

斜浪作用下，船頭和船尾處的幾個(gè)護(hù)舷所受撞擊力比中間的護(hù)舷受力要大，船舶3個(gè)載度中，滿(mǎn)載時(shí)的撞擊力和撞擊能量最大，半載次之，壓載最??；兩個(gè)水位條件下的撞擊力和撞擊能量相差不大。

系纜方式二單根系纜力的最大值和錐型SCN700兩鼓一板護(hù)舷所受的撞擊力及撞擊能量的最大值見(jiàn)表3，從中可知：

(2)運(yùn)動(dòng)量。

4.3 靠泊試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，測(cè)定了14 000 DWT駁船滿(mǎn)載、靜水條件下靠泊時(shí)對(duì)護(hù)舷的撞擊力和撞擊能量，船舶靠泊角度5°，靠泊速度為0.20 m/s。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)船舶牽引離護(hù)舷2～3 cm時(shí)，關(guān)閉牽引動(dòng)力，讓船模依慣性撞擊護(hù)舷(護(hù)舷編號(hào)從船頭～船尾為1#～13#，見(jiàn)圖5)，同步測(cè)量撞擊力和撞擊能量。

船舶以5°角靠泊時(shí)，一般船首端先靠上1#護(hù)舷，此時(shí)1#護(hù)舷所受到的撞擊力最大，撞擊能量也最大，隨著1#護(hù)舷的變形，2#護(hù)舷受到撞擊，然后整個(gè)船體靠上，但船首受1#護(hù)舷的反作用力，使得船尾處的13#護(hù)舷往往會(huì)先受力，因此，船舶靠泊時(shí)，首、尾兩端護(hù)舷的受力最大，其它護(hù)舷的受力很小。駁船靠泊撞擊力過(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖6，從靠泊過(guò)程中最大受力護(hù)舷撞擊受力的整個(gè)過(guò)程曲線(xiàn)可以看出護(hù)舷的撞擊力瞬間突變衰減。當(dāng)靠泊速度為0.20 m/s，試驗(yàn)測(cè)得護(hù)舷所受最大撞擊力為712 kN，最大撞擊能量為176 kJ。

圖5 14 000 DWT駁船靠泊試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 14 000 DWT barge berthing test photo圖6 14 000 DWT駁船靠泊撞擊力過(guò)程線(xiàn)圖Fig.6 14 000 DWT barge berthing impact force process chart

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于14 000 DWT駁船，采用Φ60 mm尼龍纜和錐型SCN700兩鼓一板護(hù)舷時(shí)：

(1)由于系纜方式二的艏、艉纜的纜繩長(zhǎng)度比系纜方式一減小(約為系纜方式一的0.52～0.68倍)，與碼頭前沿線(xiàn)的夾角從30°～35°增大至59°～60°，故分擔(dān)了部分橫纜受力，使得橫纜受力有所減小，艏、艉纜和艏、艉橫纜繩受力更為均勻些。而且采用系纜方式二后，船舶的六自由度運(yùn)動(dòng)量數(shù)值同系纜方式一的結(jié)果略有變化，但相差不大，主要原因是兩種系纜方式提供的橫向剛度變化較小，但由于改變了艏艉橫纜的長(zhǎng)度，從而使各個(gè)纜繩間的纜力更為均衡，因此系纜方式二對(duì)系泊更為有利。(2)對(duì)于系纜方式二，當(dāng)港內(nèi)波浪周期在12 s時(shí)，船舶系纜力的限制波高為H4%≤0.5 m；船舶運(yùn)動(dòng)量的限制波浪工況為H4%≤0.6 m；設(shè)計(jì)護(hù)舷要求的限制波浪工況為：H4%<0.8 m。(3)當(dāng)船舶靠泊角度5°，靠泊速度0.20 m/s，錐型SCN700兩鼓一板護(hù)舷所受最大撞擊力為712 kN，小于SCN700兩鼓一板護(hù)舷的設(shè)計(jì)反力(360×2=720 kN)，最大撞擊能量為176 kJ，小于SCN700兩鼓一板護(hù)舷的設(shè)計(jì)吸能量(131×2=262 kJ)；因此，護(hù)舷選型可滿(mǎn)足船舶以小于等于0.2 m/s靠泊速度時(shí)的靠泊要求。