波浪對某沿海碼頭作業(yè)天數(shù)影響分析研究

沈文君,許 可,陳漢寶*,陳松貴,徐亞男

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430071)

碼頭作業(yè)天數(shù)作為海港碼頭設計中的重要指標，它會影響碼頭裝卸能力的計算域分析，進而影響平面布置方案、碼頭運量的預測分析等方面。因此準確評估損失碼頭作業(yè)天數(shù)有著非常重要的意義[1-2]。

1 概述

碼頭作業(yè)天數(shù)是指在自然條件下的作業(yè)天數(shù)，它等于年日歷天數(shù)減去不利自然條件下不能作業(yè)的天數(shù)。而影響碼頭作業(yè)的不利自然條件主要有浪、風、雨、霧、冰等。實際上，考慮所有自然條件較為精確地計算損失作業(yè)天數(shù)是非常困難的，因為大風、大浪等不同要素之間可能存在同時出現(xiàn)的情況，因此一般針對工程區(qū)域環(huán)境條件特點，選取主要的影響因素進行分析?；诒竟こ虆^(qū)域水文氣象條件分析，該工程在波浪因素影響下的損失作業(yè)天數(shù)最為明顯，因此本文著重分析波浪對損失作業(yè)天數(shù)的影響。

計算損失作業(yè)天數(shù)時，目前通常的做法是基于港內(nèi)波浪資料，根據(jù)《海港總體設計規(guī)范》(JTS165-2013)[3]中給出的允許作業(yè)波高，統(tǒng)計損失概率。

谷文強等[4]通過對國內(nèi)外通用規(guī)范和標準研究，給出了各國規(guī)范中對于碼頭不可作業(yè)天數(shù)的限制要求。唐敏[5]針對鐵路輪渡系統(tǒng)作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計方法，提出了合理的鐵路輪渡系統(tǒng)作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計方法。徐元[6]采用統(tǒng)計學方法，對某一不利自然因子的出現(xiàn)日數(shù)和出現(xiàn)頻數(shù)分別進行相當于不可作業(yè)天數(shù)的分析，曹兵等[7]使用疊加法綜合分析不利作業(yè)天數(shù)，張素等[8]通過建立波浪觀測點與碼頭前沿水域的波浪關系，進而對波浪影響作業(yè)天數(shù)進行統(tǒng)計。文獻[6-8]使用的碼頭不利作業(yè)標準均是根據(jù)文獻[3]所得。

以上文獻大多是采用相關規(guī)范給出的允許作業(yè)波高進行作業(yè)天數(shù)的分析，但規(guī)范也對一些情況進行了限制，具體如下：

(1) 《海港總體設計規(guī)范》中給出不同噸位船舶對應的允許作業(yè)波高有周期的限制，若周期超出范圍，需要做專門地論證。例如船舶噸級不超過10 000 DWT時，規(guī)范給出的波浪周期不大于6 s，而波浪周期大于6 s的情況則需專門進行分析。耿寶磊等[9]通過物理模型試驗，對14 000 DWT駁船在風浪流聯(lián)合作用下的動力響應進行了研究，給出了波浪周期12 s時，駁船的限制工況條件。

(2)規(guī)定小于45°的波浪均為順浪，即小于該數(shù)值的浪向?qū)脑试S作業(yè)條件相同，但0°～45°范圍內(nèi)的不同角度入射波對船舶的作用存在較大的差異，全按一種浪向進行考慮過于簡化。如條件允許應盡量細化，得到不同浪向下船舶的允許作業(yè)波高。而同時，實際上90°的波浪為橫浪，規(guī)范規(guī)定波向大于等于45°的波浪均為橫浪，也會對某些浪向有所高估，如條件允許也應盡量細化得到不同浪向下船舶的允許作業(yè)波高。

圖1 碼頭平面布置圖Fig.1 The layout plan for wharf

綜上，本文針對具體工程，聯(lián)合波浪數(shù)學模型計算和系泊數(shù)學模型計算，得出更為具體的損失作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計方法。以期該方法可為同類項目的研究提供參考。

2 工程概況

該項目為國外某沿海電廠，包括碼頭、防波堤、護岸以及電廠取排水。碼頭采用重力式方塊結構，防波堤及護岸采用斜坡式實體堤結構。工程平面布置如圖1所示，共有兩個碼頭，分別是5 800 DWT 的煤碼頭和10 000 DWT的灰碼頭。

表1 -7 m處波浪分頻分級表Tab.1 The wave statistics data at -7 m m

3 計算方法

(1)波浪數(shù)學模型。

SWAN模型是第三代數(shù)值波浪模型，用于計算具有淺水和環(huán)境流的沿海地區(qū)的隨機短峰波。波浪數(shù)學模型的思路如下：首先基于SWAN模型建立外海波浪數(shù)學模型，根據(jù)工程實測數(shù)據(jù)(-24 m)與SWAN模擬結果進行對比驗證，在驗證后的模型基礎上，獲取港內(nèi)數(shù)學模型分析的近岸邊界條件(-7 m)；然后基于Mike21-BW模型，建立港內(nèi)波浪數(shù)學模型，模擬工程建設后的波浪場分布，得到碼頭前沿波浪條件。波浪數(shù)學模型以及-7 m處波浪提取點位置如圖2所示，SWAN計算結果與工程實測數(shù)據(jù)的對比如圖3所示。比較時間為2012年12月12日0:00～2012年12月29日23:00。其中實線代表模擬結果，散點代表測量數(shù)據(jù)。結果表明，模擬結果與實測結果吻合較好，證明SWAN模型可用于本項目的波浪分析，可保證近岸邊界條件的準確性，-7 m處波浪分頻分級特性如表1所示。

本工程選取WNW、 NW、 NNW、 N 和 NNE向作為波浪主方向。由于人工島的掩護，N和NNE方向的波浪發(fā)生概率為0，因此針對WNW、 NW和NNW 3個波浪傳播到碼頭前沿的方向通過BW模型進行了模擬分析(見圖4)，得到泊位處的波浪作用角度和比波高數(shù)值(見表2)，其中不同方向?qū)牟ɡ艘矎牟ɡ藬?shù)學模型獲得。

圖2 波浪數(shù)學模型以及-7 m處波浪提取點位置Fig.2 Wave numerical model and wave extraction point position at -7 m 圖3 模擬結果與測量數(shù)據(jù)的比較Fig.3 Comparison between simulation results and measurement data

圖4 波浪港內(nèi)分布(2 a一遇) (單位:m)Fig.4 Distribution of wave field in harbor

表2 碼頭前沿的波浪作用方向和比波高值Tab.2 The wave direction and the relative wave height in front of the wharf

(2)系泊數(shù)學模型。

根據(jù)波浪模型的結果，在系泊模型中5 800 DWT煤碼頭選取15°和30°為代表波浪方向進行模擬計算，10 000 DWT灰碼頭選取60°為代表波浪方向進行模擬計算。數(shù)學模型分為兩大部分：(1)水動力分析及模擬(Hydrostar)；(2)船舶系泊過程的分析與模擬(Ariane)。在Hydrostar模型中的輸入：船舶網(wǎng)格模型文件、重心位置、水深等，建立不同船舶的水動力模型(見圖5)，具體船舶模擬參數(shù)見表3。

5-a 5 800 DWT5-b 10 000 DWT圖5 船舶水動力模型Fig.5 Hydrodynamic model for barges

在Ariane模型中的輸入：船舶資料、水動力特性(由Hydrostar獲得)以及纜繩特性等，根據(jù)系纜布置圖(見圖6)建立整體系泊模型，計算波浪平均周期為6 s、8 s，0.5～1.2 m一系列的波高作用下的船舶運動量、纜力以及護舷撞擊力。最后基于時域計算的統(tǒng)計結果與PIANC規(guī)范[10](見表4，1995年推薦了可接受的船舶最大運動量值供參考)，最后得出不同波浪角度、不同周期作用下泊位處的允許作業(yè)波高，見表5。

由于本工程是電廠的煤碼頭，將以抓斗設備為主，因此運動量的控制采用抓斗(Cranes)裝卸方式為控制的推薦值。

6-a 5 800 DWT6-b 10 000 DWT圖6 5 800 DWT和10 000 DWT泊位系纜布置示意圖Fig.6 Mooring arrangement for 5 800 DWT and 10 000 DWT

表3 駁船模擬參數(shù)Tab.3 The simulation parameters for barges

表4 常見船舶建議最大允許運動量推薦值[9]Tab.4 The recommended maximum allowable movements for common vessels

表5 各碼頭允許作業(yè)波高(數(shù)學模型計算)Tab.5 The allowable operation wave height(obtained by numerical model) m

表6 各碼頭允許作業(yè)波高(規(guī)范)Tab.6 The allowable operation wave height(provided by standard) m

圖7 損失作業(yè)天數(shù)分析流程圖Fig.7 Flow chart for downtime analysis

從表2可知，煤碼頭三個方向的波浪作用角度均小于45°，為順浪?；掖a頭三個方向的波浪作用角度均大于45°，為橫浪。與《海港總體設計規(guī)范》對比可知，對煤碼頭而言，5 800 DWT船舶在波浪作用角度為15°和30°作用時，允許作業(yè)波高受周期的影響不太明顯，波浪周期為6 s和8 s時的結果相同，均為0.7 m，稍大于規(guī)范數(shù)值。對灰碼頭而言，10 000 DWT船舶在波浪作用角度為60°作用時，周期對允許作業(yè)波高有所影響，波浪周期為6 s時允許作業(yè)波高為0.5 m，波浪周期為8 s時允許作業(yè)波高為0.4 m，與規(guī)范相比略有降低。

4 損失作業(yè)天數(shù)分析

損失作業(yè)天數(shù)分析主要基于工程區(qū)域附近測站在2012年7月～2013年7月的實測波浪資料、波浪數(shù)學模型和船舶系泊數(shù)學模型結果。計算流程圖見圖7。

基于以上思路，將計算波高與允許作業(yè)波高進行比較，當泊位前沿的波高大于允許作業(yè)波高時，該波高對應的頻率值將計入到損失作業(yè)概率中。將三個方向?qū)慕Y果進行疊加即可得到損失作業(yè)概率和損失作業(yè)天數(shù)，見表6。作業(yè)標準根據(jù)數(shù)值計算得到的允許作業(yè)波高計算，得到的煤碼頭損失作業(yè)天數(shù)為8 d，灰碼頭的損失作業(yè)天數(shù)為34 d，見表7；作業(yè)標準根據(jù)規(guī)范計算得到的允許作業(yè)波高計算，得到的煤碼頭損失作業(yè)天數(shù)為10 d，灰碼頭的損失作業(yè)天數(shù)為26 d，見表8，原因主要是煤碼頭經(jīng)過防波堤的掩護，所受波浪的作用角度均小于45°，經(jīng)過數(shù)值計算，允許作業(yè)波高低于規(guī)范值，而煤碼頭船舶由于所受波浪方向角度較大，均大于45°，經(jīng)數(shù)值計算，允許作業(yè)波高低于規(guī)范值。

表7 各碼頭損失作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(數(shù)值計算)Tab.7 The downtime analysis for each berth(numerical calculation) d

表8 各碼頭損失作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(規(guī)范計算)Tab.8 The downtime analysis for each berth(standard calculation) d

5 結論

本文主要基于工程區(qū)域附近測站實測波浪資料、波浪數(shù)學模型和船舶系泊數(shù)學模型結果，綜合分析了碼頭在波浪影響下的損失作業(yè)天數(shù)。首先基于離岸波浪測站數(shù)據(jù)，分別基于SWAN模型和BW模型得到了港內(nèi)的波浪分布；然后基于BW模型，確定各個浪向?qū)Υa頭的作用角度，通過系泊數(shù)學模型和PIANC對運動量的規(guī)定，給出了不同波浪作用角度、不同周期對應的允許作業(yè)波高。最后根據(jù)分頻分級結果，疊加各個方向的損失概率，進而得到了作業(yè)天數(shù)。

相比傳統(tǒng)的規(guī)范計算方法，本研究在波浪資料有限的前提下，能夠較為科學地針對工程港區(qū)的波浪條件進行分析，為統(tǒng)計損失作業(yè)天數(shù)提供了可靠的依據(jù)；同時結合具體的船型，針對不同的波浪周期和波浪方向給出了泊位允許的作業(yè)波高，使結果更為合理和準確，對實際操作更具有指導意義。