相鄰泊位船舶同時(shí)在泊時(shí)船舶系泊試驗(yàn)研究

張萬威，陳國平，嚴(yán)士常*，楊 越

(1.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué))，南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3.上海灘涂海岸工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

近年來，我國的港口建設(shè)事業(yè)迎來了新的發(fā)展，需要相關(guān)技術(shù)人員用多種手段來確保港口工程的安全。船舶系泊時(shí)纜繩受力情況和船舶狀態(tài)都十分復(fù)雜，受到波浪、風(fēng)、流、船舶自身等眾多因素影響，系泊船舶運(yùn)動(dòng)幅度過大會(huì)影響泊位正常作業(yè)，纜繩受力過大會(huì)導(dǎo)致斷纜，造成嚴(yán)重?fù)p失[1]。因此我國現(xiàn)行規(guī)范指出需要通過物理模型試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬試驗(yàn)的方式來確定系泊船舶在風(fēng)、浪、流共同作用下的綜合運(yùn)動(dòng)情況[2]。眾多研究人員對船舶系泊試驗(yàn)開展了各種類型的研究并取得了眾多的成果[3-8]，但研究重點(diǎn)大多為外界環(huán)境荷載對于單艘船舶系泊的影響，國內(nèi)對于相鄰泊位系泊船舶之間影響研究較少。當(dāng)碼頭的泊位設(shè)計(jì)滿足多種噸級(jí)的船舶組合?？恳髸r(shí)，同一停泊水域的相鄰泊位之間?？康拇胺Q為相鄰泊位系泊船舶。郭科等[9]通過整體物理模型試驗(yàn)，比較了兩艘超過5萬t級(jí)貨船同時(shí)?？坎次蛔鳂I(yè)和它們單獨(dú)?？坎次粫r(shí)各自的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及系纜力大小，得出同時(shí)?？康膬纱g總體上受彼此的影響較小。

關(guān)于雙船系泊系統(tǒng)研究較多，孔友南等[10]通過Optimoor數(shù)值分析軟件，從泊位長度、纜繩數(shù)量及平面布置等角度對某浮式LNG泊位雙船系泊項(xiàng)目進(jìn)行分析，得出受風(fēng)流影響為主的泊位一般在滿載時(shí)內(nèi)檔船舶倒纜受力最大，可通過增加FSRU艏艦纜數(shù)量、適當(dāng)加大泊位長度并將艏艦纜系纜墩前移來改善倒纜受力狀態(tài)。沈嘉煒[11]通過數(shù)值模擬試驗(yàn)，以6 900 t遠(yuǎn)洋貨船和1 600 t沿海貨船作為研究對象，分別完成了波浪作用下船體固定、重力方向上船體自由垂蕩和船體進(jìn)行垂蕩-橫搖雙自由度耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬。但以上的研究均是針對雙浮體并靠且共用一個(gè)泊位的情況，與本文指出的相鄰泊位船舶同時(shí)在泊時(shí)的船舶系泊情況并不相同。

隨著港口深水化、船艦大型化，對于許多停泊水域有限的港口，船舶相鄰?fù)？康默F(xiàn)象很普遍，但船舶相鄰?fù)？繒r(shí)兩船相互影響以及對泊位的影響是個(gè)復(fù)雜的問題，對于此問題的研究很有必要。本次研究通過船舶系泊物理模型試驗(yàn)，對工程泊位的系泊船舶在船舶相互影響及風(fēng)、波浪、水流作用下，對不同水位、不同裝載狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)量以及纜繩的系纜力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，可為設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供參考。

1 物理模型

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及測量儀器

試驗(yàn)在河海大學(xué)波浪港池中進(jìn)行，港池長60 m、寬40 m、深1.2 m。港池的四周設(shè)置消浪緩坡，來消除波浪二次反射影響，港池內(nèi)配有可移動(dòng)式造波機(jī)，可產(chǎn)生試驗(yàn)所要求的兩個(gè)方向的不規(guī)則波浪。試驗(yàn)中波高采用電阻式波高儀測量，船舶運(yùn)動(dòng)量采用六自由度運(yùn)動(dòng)測量儀測量，系纜力和護(hù)舷擠靠力分別通過纜力傳感器和護(hù)舷傳感器(圖1)測量，采集頻率均為100 Hz。

圖1 護(hù)舷傳感器

1.2 模型布置及試驗(yàn)船型

試驗(yàn)遵循JTS/T231-2021《水運(yùn)工程模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》[12]采用正態(tài)模型，按重力相似設(shè)計(jì)，模型比尺為1：58，物理模型整體布置如圖2所示，本試驗(yàn)泊位為2#泊位，布置在新建防波堤內(nèi)測，與防波堤平行布置。防波堤主要由堤心石和護(hù)面塊體組成，泊位結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃進(jìn)行模擬，通過往護(hù)舷傳感器底部增加木板使得護(hù)舷的重心高程與原型相似，通過調(diào)整橡膠成分和護(hù)舷傳感器頂部重物質(zhì)量使模型護(hù)舷的力學(xué)性能曲線與原型相似，纜繩模型將相同的纜繩合并采用一根纜繩模擬，采用基本無彈性(本次試驗(yàn)測力范圍內(nèi))的鋼絲與多級(jí)彈簧鋼片的組合體模擬，通過改變彈簧鋼片的長度來模擬不同的拉力-伸長曲線，以達(dá)到拉力-伸長相似。同時(shí)，纜繩的長度、系纜位置以及系纜角度也與原型相似。船舶模型采用玻璃鋼制作，與原型保持幾何相似。對船舶的不同載重狀況分別采用鐵制砝碼壓載配重，使船舶模型滿足吃水、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩和自振周期等與原型相似。

圖2 模型布置圖

1#泊位停泊30萬t級(jí)油船，2#泊位停泊5萬t、30萬t級(jí)油船。30萬t級(jí)油船纜繩采用直徑Ф 44 mm纖維芯鋼纜,每根纜繩配11 m Φ 96 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用4:2:2:2方式，共計(jì)20根纜繩，5萬t級(jí)油船纜繩采用直徑Ф 28 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 60 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用2:2:2:2方式，共計(jì)16根纜繩。30萬t級(jí)油船單根纜繩初始拉力調(diào)整為100 kN，5萬t級(jí)油船單根纜繩初始拉力調(diào)整為60 kN。2#泊位30萬t級(jí)油船系纜布置如圖3所示。外側(cè)靠船墩橡膠護(hù)舷規(guī)格為兩鼓一板SUC2500H鼓型標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護(hù)舷，內(nèi)側(cè)靠船墩橡膠護(hù)舷規(guī)格為一鼓一板SUC2500H鼓型標(biāo)準(zhǔn)反力橡膠護(hù)舷。

圖3 2#泊位30萬t級(jí)油船系纜布置圖

1.3 試驗(yàn)組次

不規(guī)則波波譜采用JONSWAP譜，譜峰因子γ取值為3.3,水流荷載和風(fēng)荷載模擬均滿足重力相似，試驗(yàn)時(shí)采用按原型分別計(jì)算水流和風(fēng)對船舶的作用力，再將其換算成模型值，采用掛重物的方法模擬。試驗(yàn)分別測量了2#泊位的兩種船型在表1的不同組合工況下纜繩系纜力、船舶運(yùn)動(dòng)量，總計(jì)46組，特別注明1#泊位和2#泊位沒有船舶?？繒r(shí)分別在各自泊位前放置若干浪高儀來采集波高，測點(diǎn)布置圖如圖2所示。為保證試驗(yàn)的可靠性，試驗(yàn)時(shí)每種工況重復(fù)3次，取3次測量數(shù)據(jù)的平均值為最終結(jié)果。本文所呈現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均是通過試驗(yàn)測量值乘以模型比尺因子換算得到的原型值，1#泊位30萬t船舶載度為半載，試驗(yàn)俯拍圖如圖4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 2#泊位船舶?？繉?#泊位前沿波高的影響

對18組不同組合工況下1#泊位前沿波高數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將2#泊位船舶有無?？繒r(shí)的1#泊位前沿波高進(jìn)行對比，得到1#泊位前沿相對波高對比圖(圖5)。其中，2#泊位沒有船舶?？繒r(shí)1#泊位前沿有效波高為H1，有船舶?？繒r(shí)為H2，其中圖中標(biāo)注所示的船舶載度和噸級(jí)均為2#泊位前停泊的船舶，1#泊位前停泊的船舶均為半載、30萬t級(jí)油船，故在圖中不標(biāo)識(shí)。

結(jié)合圖5-a～圖5-c，在波向SSW時(shí)，在高水位時(shí)，在相同的波浪情況下，當(dāng)2#泊位前停泊5萬t或30萬t船舶時(shí)，1#泊位前沿每一排的測點(diǎn)相對波高呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，靠近口門的1～3這一排測點(diǎn)，呈現(xiàn)相對波高隨著越遠(yuǎn)離泊位先變大后減小的規(guī)律，處于泊位中間的4～6這一排測點(diǎn)，呈現(xiàn)相對波高隨著越遠(yuǎn)離泊位先變小后變大的規(guī)律，處于靠近1#泊位的7～9這一排測點(diǎn)，呈現(xiàn)相對波高越遠(yuǎn)離泊位越小的規(guī)律，并且在相同工況時(shí)，壓載時(shí)同一測點(diǎn)的相對波高基本都比滿載時(shí)要大。這是因?yàn)橥ㄟ^防波堤繞射進(jìn)入泊位的波浪與2#泊位上停泊的船舶所反射的波浪在泊位1#相互疊加，靠近2#泊位的測點(diǎn)受反射波浪影響大，靠近堤頭的測點(diǎn)受繞射波浪影響大，而船舶壓載與滿載相比，船舶在相同情況下壓載時(shí)的橫搖比滿載大，對波浪的擾動(dòng)影響更明顯導(dǎo)致反射的波浪也越大。結(jié)合圖5-a～圖5-b,在波向SSW時(shí)，在高水位和相同的波浪情況下，同一載度的不同噸級(jí)船舶的相對波高進(jìn)行比較，30萬t級(jí)船舶對1#泊位前的波浪影響要比5萬t級(jí)船舶的大，這是因?yàn)榇髧嵓?jí)的船舶尺寸更大，相當(dāng)于波浪通過船舶反射的位置更加靠近1#泊位。

5-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 5-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t

結(jié)合圖5-d～圖5-f，在波向W時(shí)，1#泊位前沿各測點(diǎn)相對波高大于1的數(shù)量要大于波向SSW，這是因?yàn)椴ㄏ騑時(shí)兩個(gè)泊位基本沒有受到防波堤的掩護(hù)從而2#泊位的船舶正面受到波浪的作用，使反射到1#泊位的波浪更大，而波向SSW時(shí)2#泊位的船舶側(cè)面受到波浪的作用，使得反射到1#泊位的波浪較少。在波向W時(shí)，在同一船型、同一工況時(shí)，船舶壓載時(shí)與滿載時(shí)的同一測點(diǎn)相對波高互有大小，在2#泊位為30萬t船時(shí)，雖然船舶壓載與滿載相比，船舶在相同情況下壓載時(shí)的橫搖比滿載大，但由于船型尺寸大帶來的波浪反射大占主導(dǎo)因素，在2#泊位為5萬t船時(shí)，在船型尺寸不大的情況下，船舶在相同情況下壓載時(shí)的橫搖比滿載的大而造成靠近2#泊位的7～9測點(diǎn)的相對波高也是壓載時(shí)的大。

為了進(jìn)一步探究2#泊位船舶停靠對1#泊位前一倍船寬前水域波高的影響，計(jì)算并匯總每種工況下1～9測點(diǎn)有效波高的平均值，記作為1#泊位平均有效波高，具體值見表2。

表2 各組工況下1#泊位平均有效波高匯總表

從表2可知，在浪向SSW時(shí)，2#泊位船舶?？繒?huì)使得1#泊位前平均有效波高略有減小，減少幅度最大可達(dá)9.9%，在同一船型、同一工況時(shí)，船舶滿載時(shí)的1#泊位平均有效波高要小于壓載時(shí)的1#泊位平均有效波高，在同一載度、同一工況時(shí)，5萬t級(jí)船舶的1#泊位平均有效波高要小于30萬t級(jí)船舶的1#泊位平均有效波高，在浪向W時(shí)，2#泊位船舶?？炕緯?huì)使得1#泊位前平均有效波高增大，增大幅度最大可達(dá)8.5%，在同一船型、同一工況時(shí)，船舶滿載時(shí)的1#泊位平均有效波高依然小于壓載時(shí)的平均有效波高?？傮w上看，波高增減幅不大，大部分波高變幅約5%，僅個(gè)別組次變幅較大。

2.2 1#泊位船舶?？繉?#泊位船舶系纜力的影響

對36組不同組合工況下2#泊位船舶系纜力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到2#泊位船舶系纜力最大值對比圖(圖6)，特別說明本文中的各組系纜力均是單根纜繩的系纜力。系纜力分布不均勻是引起船舶系泊狀態(tài)下造成纜繩斷纜的原因之一，因此需要選擇合適的系纜方式使得各纜繩拉力分布盡量均勻，定義各纜繩拉力標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值為纜繩拉力不均勻系數(shù)，計(jì)算各組工況下纜繩拉力不均勻系數(shù)、每一工況下纜繩拉力最大值及其出現(xiàn)的位置，統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總見表3、表4。

表3 浪向?yàn)镾SW時(shí)各組工況下纜繩拉力相關(guān)值匯總表

表4 浪向?yàn)閃時(shí)各組工況下纜繩拉力相關(guān)值匯總表

結(jié)合圖6-a～圖6-f可知，在同等工況下，1#泊位無船與有船靠泊時(shí)2#泊位船舶各纜繩的系纜力互有大小且相差不大。同等工況下,不同水位的纜繩系纜力分布情況相似，船舶壓載與滿載時(shí)的纜繩系纜力分布情況不同。這是因?yàn)樵撛囼?yàn)兩個(gè)水位相差不大，相同工況下模擬風(fēng)荷載所用重物質(zhì)量相同，低水位時(shí)模擬水流荷載所用的重物比高水位的稍重一些，各纜繩長度與系纜角度隨著水位不同發(fā)生的變化也帶來了系纜力的些許不同。在壓載時(shí)風(fēng)的影響程度比水流大，在滿載時(shí)水流的影響程度比風(fēng)大，在采用《系泊設(shè)備指南》計(jì)算風(fēng)荷載和水流荷載時(shí)，風(fēng)荷載主要與船舶吃水線以上的受力面積有關(guān)，而水流荷載主要與船舶吃水線以下的受力面積有關(guān)，這造成了兩者在不同載度時(shí)對于系泊系統(tǒng)的影響程度不同。

6-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 6-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t

不同波向?qū)ο道|力的影響有較大差異。由以往文獻(xiàn)得知[11]，一般情況下，相同波高、周期作用下，橫浪作用下的系纜力要比順浪和斜浪大很多。結(jié)合圖6-a～圖6-f可知，在SSW與W兩個(gè)浪向作用下，2#泊位船舶各纜繩的系纜力分布情況完全不同，SSW向主要受力由艏倒纜、艉橫纜承擔(dān)，而W向主要受力由艏橫纜、艉橫纜承擔(dān)。

由表3、表4可知，1#泊位船舶?？繉?#泊位船舶系纜力最大值出現(xiàn)的位置基本沒有影響，系纜力最大值互有大小且相差不大。當(dāng)浪向?yàn)镾SW時(shí)，同等工況下，船舶壓載時(shí)1#泊位船舶?？繒?huì)使得2#泊位船舶纜繩拉力不均勻系數(shù)增大，而船舶滿載時(shí)纜繩拉力不均勻系數(shù)減小，這是因?yàn)榇皦狠d時(shí)運(yùn)動(dòng)量比滿載時(shí)大，對外界的環(huán)境變化更敏感，當(dāng)1#泊位有船舶停靠時(shí)，有部分繞過口門的波浪在經(jīng)過1#泊位船舶時(shí)再次發(fā)生反射和繞射，部分減小了到達(dá)2#泊位的波浪，起到了遮蔽作用。當(dāng)浪向?yàn)閃時(shí)，同等工況下，1#泊位船舶停靠會(huì)使得2#泊位船舶纜繩拉力不均勻系數(shù)可能增大也可能減小，但總體的變化趨勢是增大，這是因?yàn)樵?#泊位沒有船舶?？繒r(shí)，2#泊位近似于受到橫浪的作用，船舶纜繩系纜力前后分布較為對稱，但在1#泊位有船泊?？繒r(shí)，入射波浪在經(jīng)過1#泊位船舶時(shí)發(fā)生反射和繞射，達(dá)到2#泊位處時(shí)相當(dāng)于有斜向波浪的作用，使得船舶纜繩系纜力前后分布對稱性有所改變。

2.3 1#泊位船舶停靠對2#泊位船舶運(yùn)動(dòng)量的影響

對36組不同組合工況下2#泊位船舶運(yùn)動(dòng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到圖7和圖8，特別說明本文中的橫移為0至最大值，其他均為正負(fù)最大值。

7-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 7-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t 7-c SSW向,1.5 m,6 s,2#泊位為5萬t

結(jié)合圖7-a～圖7-f可知，在相同工況、同一船舶噸級(jí)及載度下，1#泊位無船與有船靠泊時(shí)2#泊位船舶橫移、縱移和升沉互有大小且相差不大。試驗(yàn)時(shí)同一船舶在兩個(gè)水位同種工況下得到的船舶橫移、縱移和升沉互有大小且相差不大。不同波向?qū)Υ皺M移、縱移和升沉的影響有較大差異。在SSW浪向作用下，相同工況下船舶橫移、縱移和升沉三者大小關(guān)系為縱移大于橫移大于升沉，在W浪向作用下，相同工況下船舶橫移、縱移和升沉三者大小關(guān)系為橫移大于升沉大于縱移或升沉大于橫移大于縱移，這是因?yàn)樵谛毕虿ɡ俗饔孟拢耙钥v向運(yùn)動(dòng)為主，在90°橫向波浪作用下，船舶隨著波浪往碼頭方向來回上下運(yùn)動(dòng)，船舶以橫向和升沉運(yùn)動(dòng)為主。

結(jié)合圖8-a～圖8-f可知，在相同工況、同一船舶噸級(jí)及載度下，1#泊位無船與有船靠泊時(shí)2#泊位船舶橫搖、縱搖、回旋互有大小且相差不大。試驗(yàn)時(shí)同一船舶在兩個(gè)水位同種工況下得到的船舶橫搖、縱搖、回旋互有大小且相差不大。整體上在相同工況下船舶的橫搖值要大于縱搖值和回旋值，尤其是船舶為壓載狀態(tài)時(shí)特別明顯。

8-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 8-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t 8-c SSW向,1.5 m,6 s,2#泊位為5萬t

3 結(jié)論

(1)在浪向SSW時(shí)，總體上可得出2#泊位船舶?？繒?huì)使得1#泊位前平均有效波高略有減少，在浪向W時(shí)，2#泊位船舶?？炕旧蠒?huì)使得1#泊位前平均有效波高略有增大。在同一船型、同一工況時(shí)，船舶滿載時(shí)的1#泊位平均有效波高均小于壓載時(shí)的平均有效波高?？傮w上看，波高增減幅不大，大部分波高變幅約5%，僅個(gè)別組次變幅較大。

(2)在同一浪向、同一水位、同一波浪、同一船舶噸級(jí)及載度下，1#泊位無船與有船靠泊時(shí)，2#泊位船舶各纜繩的系纜力和船舶運(yùn)動(dòng)量互有大小且相差不大。

(3)該試驗(yàn)的1#泊位與2#泊位有一定角度，W、SSW向波浪對泊位船舶系纜力和運(yùn)動(dòng)量有較大影響且不同浪向的影響有較大差異。

(4)該試驗(yàn)時(shí)同一船舶在兩個(gè)水位同種工況下得到的船舶系纜力、運(yùn)動(dòng)量互有大小且相差不大。這是因?yàn)樵撛囼?yàn)兩個(gè)水位相差不大，相同工況下模擬風(fēng)荷載所用重物的質(zhì)量相同，低水位時(shí)模擬水流荷載所用的重物比高水位的稍重一些，各纜繩長度與系纜角度隨著水位不同發(fā)生的變化也帶來了系纜力的些許不同。

(5)相鄰泊位船舶同時(shí)在泊時(shí)，由于船舶對波浪的反射、繞射和船體擺動(dòng)等多種因素的影響，會(huì)改變泊位前波高分布，從而引起船舶系纜力和運(yùn)動(dòng)量的變化，在本文所述的工程布局下，相鄰泊位船舶同時(shí)在泊時(shí)總體影響較小，不會(huì)在本質(zhì)上改變船舶的系泊安全。