雷 鵬，張 弛，張建僑

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

莼湖鎮(zhèn)位于浙江省奉化市東部，東與裘村鎮(zhèn)毗鄰，南為象山港，西為尚田鎮(zhèn)，北與西塢交界。近年來，莼湖鎮(zhèn)漁業(yè)發(fā)展迅速，尤其是遠(yuǎn)洋漁業(yè)，目前有外海漁船835艘、近海作業(yè)小型漁船及各類排筏800余艘，主要集中在桐照、棲鳳、洪溪3個漁村。隨著標(biāo)準(zhǔn)海塘、灘涂養(yǎng)殖以及圍填海工程的建設(shè)，適合漁船擱灘的灘涂面積急劇減少，漁船靠泊難的問題日益突出，因此莼湖鎮(zhèn)政府決定在棲鳳村建設(shè)漁船避風(fēng)錨地。

工程區(qū)域位于象山灣內(nèi)，水深為-2.5～-12 m。象山灣東接大目洋，位于穿山半島與象山半島之間，是一個深入內(nèi)陸的狹長的半封閉型港灣。海灣呈ENE～WSW走向，三面受天臺山脈包圍，港口有佛渡、六橫、梅散（列島）、東嶼山諸島為天然屏障，是一個天然避風(fēng)良灣。

1 自然條件

象山港地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)向主要表現(xiàn)為季風(fēng)特征。根據(jù)西澤氣象站統(tǒng)計(jì)資料，冬季盛行偏西北（WNW～NNW）風(fēng)，夏季以偏東南（SE～S）風(fēng)居多，冬季風(fēng)強(qiáng)于夏季風(fēng)。

根據(jù)實(shí)測潮流資料，工程海域?qū)僖?guī)則半日潮流，實(shí)測海域漲落潮基本為往復(fù)流。實(shí)測漲、落潮最大流速分別為1.17 m/s和1.42 m/s，流向?yàn)?29°和 74°。

根據(jù)附近牛鼻山水文站測波資料，象山港口門段年平均波高0.4 m，年平均周期4.5 s，實(shí)測最大波高1.8 m，最大周期17.0 s。象山港口外受穿山半島、舟山群島的掩護(hù)，外海波浪對灣內(nèi)影響較小，象山港波浪主要來自灣內(nèi)風(fēng)成浪。但象山港內(nèi)群山環(huán)抱，伸入內(nèi)陸，即使大風(fēng)期間也難以形成大浪。另外，涌浪從外海傳入灣內(nèi)后，也將明顯減弱。

停泊船只主要為600HP漁船，船長46 m，型寬7 m，型深4.2 m，干舷高度1 m，滿載吃水3.5 m。

2 船舶荷載計(jì)算

2.1 風(fēng)壓力

船體水面上橫向受風(fēng)面積較縱向受風(fēng)面積更大，故當(dāng)系泊船舶橫向與風(fēng)向一致時，風(fēng)壓力最大[1]。作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力參照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[2]計(jì)算。風(fēng)作用力按13級橫風(fēng)考慮，13級風(fēng)的風(fēng)速范圍是37.0～41.4 m/s，計(jì)算時取最大值41.4 m/s。依據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Fxw為作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力的橫向力（kN）；Axw為船體水面以上橫向受風(fēng)面積（m2）；Vx為設(shè)計(jì)風(fēng)速的橫向風(fēng)（m/s）；1ξ風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)，取1.00；2ξ風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)，取1.00。

船舶水面以上受風(fēng)面積與船舶類型和載貨量多少有關(guān)。漁船在錨地停泊處于半載情況，船體水面以上橫向受風(fēng)面積按（2）計(jì)算：

式中：Axw為船體水面以上橫向受風(fēng)面積（m2）；DW為船舶的載重量（t），600HP漁船載重量為400 t。

計(jì)算可得，最大風(fēng)作用力為Fxw=162.49 kN。

2.2 水流力

水流力參照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）[2]計(jì)算。工程海域最大流速1.42 m/s，流向74°。依據(jù)式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Fxc、Fyc分別為作用在船舶上的計(jì)算風(fēng)壓力的橫向分力和縱向分力（kN）；Cxc、Cyc分別為水流橫向分力和縱向分力系數(shù)；ρ為水的密度（t/m3），對海水ρ=1.025 t/m3；v為水流速度（m/s）；Axc、Ayc分別為相應(yīng)裝載情況下的船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積（m2）。

水流力橫向分力系數(shù)和縱向分力系數(shù)可按式（4）計(jì)算：

式中：Cxc、Cyc分別為水流力橫向分力和縱向分力系數(shù)；a1、a2、b1、b2為系數(shù)；θ為流向角（°），當(dāng)θ＞90°時，按其補(bǔ)角計(jì)算。

船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積可按式（5）計(jì)算：

式中：Axc、Ayc分別為船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積（m2）；B’為船舶吃線以下的橫向投影面積（m2）；θ為流向角（°），即水流方向與船舶縱軸之間的夾角。

船舶吃水線以下的橫向投影面積按式（6）計(jì)算：

式中：B’為船舶吃線以下的橫向投影面積（m2）；DW為船舶的載重量（t）。

計(jì)算結(jié)果：Fxc=26.66 kN，F(xiàn)yc=111.35 kN。

2.3 波浪力

工程區(qū)域位于狹長的半封閉型港灣，波浪傳遞到錨泊區(qū)衰減厲害；而且系纜繩和系泊浮筒的錨鏈能夠吸收波浪的沖擊力，起到緩沖作用。因此，設(shè)計(jì)時不考慮波浪力的作用。

2.4 合力計(jì)算

根據(jù)力的合成原理，合力F=219.49 kN，方向與船中心線交角為59.5°，作用點(diǎn)近似在船中。

3 系泊浮筒及其錨鏈張力計(jì)算

如圖1所示，根據(jù)力的平衡關(guān)系，可得浮筒所受拉力由式（7）計(jì)算。

式中：T為浮筒所受水平拉力（kN）。

圖1 浮筒系泊示意

從浮筒布置成本及漁船停泊安全性的角度考慮，β取30°左右比較合適，但從現(xiàn)實(shí)使用的角度來說，選擇22.5°漁民適宜操作，故β取22.5°進(jìn)行計(jì)算，得T=247.15 kN。

錨地漁船停泊方式為5艘漁船并排系泊，同時考慮到單艘船對相鄰船之間的掩護(hù)作用，5條船并排錨泊時浮筒受到的水平拉力近似按單船受到水平拉力的3倍計(jì)算，為Tt=3T=247.15 kN×3=741.45 kN。

在同樣的水平系泊力作用下，當(dāng)浮筒浮于水面且錨鏈幾乎拉直時，錨鏈對沉錘的提升力最大，此時錨鏈中的張力也最大。

圖2 錨鏈?zhǔn)芰κ疽?/p>

錨鏈中張力按式（8）計(jì)算：

式中：Tm為錨鏈張力（kN）；θ為錨鏈與海底夾角（°）；Tt為錨鏈?zhǔn)艿剿搅Α?/p>

錨鏈與海底夾角按式（9）計(jì)算：

式中：θ為錨鏈與海底夾角（°）；H為錨地高潮位水深，H=12+5.74=17.74 m；L為錨鏈總長度（m），取30 m。

計(jì)算得θ=36.3°，Tm=919.43 kN。

沉錘受到最大向上的提升力Fv=Tmsinθ=543.69 kN。

4 沉錘設(shè)計(jì)方案

沉錘的設(shè)計(jì)必須滿足在錨鏈的作用力下不被拉動，作用力分解為水平方向的拉力和豎直向上拔力?？紤]兩個方案[3,4]：方案一依靠沉錘自身的自重和沉錘與海床的摩擦力來抵抗錨鏈拉力；方案二沉錘埋入土中，依靠沉錘破土力來抵杭錨鏈上拔力。

4.1 方案一

1）沉錘重量

沉錘重量須滿足在系泊力最大時不被拉動的要求，取安全系數(shù)為 1.5，沉錘與海床的摩擦系數(shù)為1.0，則沉錘水下重量應(yīng)為：

G≥1.5（Fv+Tt/1.0）=1 927.71 kN

2）沉錘型式

沉錘為棱臺形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上底邊長2 m，下底邊長8 m，高3 m，下底開凹槽深0.2 m，面積為 4 m×4 m，空氣中重量為 202.0 t，水中重量為121.2 t，滿足沉錘抗拉要求。沉錘耳環(huán)取Φ73有檔錨鏈三環(huán)、底部一環(huán)，中間加橫擋預(yù)先埋入沉錘之中。

4.2 方案二

1）沉錘型式及埋深

沉錘為為棱臺形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上底邊長2 m，下底邊長5 m，高1.5 m，體積17.7 m3，空氣中重量為44.25 t，沉錘底部設(shè)邊長3.0 m，高0.2 m的凹槽以減輕質(zhì)量并增加沉錘與海底面的附著力。設(shè)計(jì)沉錘坑挖深8.5 m，沉錘頂面距海底7 m。

2）沉錘垂直破土力驗(yàn)算

沉錘破土力的大小關(guān)系到系泊系統(tǒng)能否安全工作，當(dāng)錨鏈在垂直方向上所受的力大于沉錘的破土力時，沉錘會被拔出。

圖3 沉錘埋深示意

沉錘坑坑深8.5 m，開挖邊坡取1:10（考慮工程區(qū)域表層淤泥較厚），邊坡傾斜角為tg-11/10=5.71°。

沉錘破土力G按式（10）[5]計(jì)算：

式中：G為沉錘垂直破土力（kN）；H為沉錘埋深，即沉錘上表面到坑底的高度，H=8.5-1.5=7 m；a為沉錘下底邊長，取 5 m；b為破土邊寬，b=a+2H×tg5.71°=6.2（m）；γ為水下泥沙重度，取6.2 kN/m3。

計(jì)算得G=1 471.16 kN。

沉錘受到的最大提升力為543.69 kN，取安全系數(shù)為2.0，則沉錘應(yīng)該能夠抵抗系泊提升力646.81 kN×2.0=1 087.38 kN。沉錘破土力為1 471.16 kN，大于向上提升力1 087.38 kN，沉錘滿足抗拉要求。

4.3 方案選擇

方案一沉錘的尺寸大，質(zhì)量很大，對施工能力的要求較高，方案二沉錘埋入土中，需開挖沉錘坑，施工較麻煩。綜合考慮，沉錘設(shè)計(jì)選擇方案二，即沉錘埋入方案。

5 浮筒及錨鏈參數(shù)的確定

5.1 浮筒及浮筒錨鏈直徑選取

根據(jù)系船浮筒在不系船時能吊掛錨鏈而且保持 1/3～1/2干舷，從而確定浮筒的尺寸。設(shè)計(jì)的浮筒為XF2.6-DI標(biāo)準(zhǔn)型，滿足使用要求。

鏈設(shè)施安全系數(shù)一般取2.5～3.0[6]，設(shè)計(jì)浮筒錨鏈的破斷力值應(yīng)至少為919.43 kN×3.0=2 758.29 kN。參考《電焊錨鏈》（GB/T 549-2008）[7]規(guī)范，錨鏈直徑取73 mm（破斷荷載3 990 kN，拉力荷載2 790 kN）滿足其要求（如果取其它值，必須保證破斷力能夠滿足要求），材質(zhì)為AM3級。其他配件（如轉(zhuǎn)環(huán)、卸扣等）的強(qiáng)度大于等于相應(yīng)錨鏈強(qiáng)度的要求。

5.2 浮筒錨鏈長度選取

錨鏈長度按式（11）[5]計(jì)算：

式中：L為錨鏈總長度（m）；H1為錨地水深，取12 m；H2為最高潮位，取5.74 m；H3為沉錘埋深，H3=8.5 -1.5=7 m；H4為系船浮筒干舷高，取0.6 m；f為鏈長配長系數(shù)，取1.15。

計(jì)算結(jié)果：L=29.14 m，實(shí)際取30 m。

6 結(jié) 語

6.1 結(jié) 論

經(jīng)過計(jì)算，棲鳳漁船避風(fēng)錨地系泊浮筒錨鏈及沉錘設(shè)計(jì)參數(shù)為：

1）設(shè)計(jì)的浮筒為XF2.6-DI標(biāo)準(zhǔn)型，有均勻隔艙。

2）浮筒錨鏈的直徑為73 mm，材質(zhì)為AM3級，長度30 m。

3）沉錘為為棱臺形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上底邊長2 m，下底邊長5 m，高1.5 m，重量為44.25 t，底部設(shè)邊長3.0 m，高0.2 m的凹槽。耳環(huán)為3個有檔鏈環(huán)，直徑與浮筒錨鏈的相同。

4）沉錘坑挖深8.5 m。

6.2 有關(guān)說明

1）工程區(qū)域淤泥層較厚，沉錘坑的開挖可以采用絞吸挖泥船施工。

2）沉錘拋投時一定要位置精確，要確保沉錘準(zhǔn)確平穩(wěn)地放入坑底不能倒置或傾斜。浮筒、沉錘安裝投放可以采用相應(yīng)的浮吊船。錨鏈不能一次拋放，以防絞鏈。

3）系泊浮筒埋設(shè)結(jié)束后，應(yīng)盡快復(fù)土回填至海床底面。為了較好地控制基坑的回填量，可以選擇平潮時回填。