張 志，孔友南，程培軍

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

連片式碼頭是港口工程中最為常見的一種碼頭平面布置形式，尤其是對于集裝箱、散貨等專用碼頭來說，考慮到裝卸作業(yè)的便捷性，碼頭一般采用連片式布置。當(dāng)碼頭采用連片式布置時，碼頭上系船設(shè)施一般布置于碼頭前沿位置，有別于蝶型平面布置。當(dāng)船舶系泊時，由于船舶與碼頭距離較近，系泊布置的橫纜較短；當(dāng)泊位受長周期波浪影響時，由于船舶對波浪響應(yīng)幅度增大，往往橫纜纜繩張力無法滿足要求，易發(fā)生斷纜事故，影響系泊安全。

國內(nèi)眾多學(xué)者均對長周期波浪對船舶的作用進(jìn)行了深入研究，史憲瑩[1]以物理模型試驗為主,結(jié)合數(shù)值模擬計算研究了長周期波浪、脈動風(fēng)等諸因素作用下系泊船舶運動響應(yīng)問題；李越[2]依托系泊物理模型試驗，結(jié)合數(shù)值模擬計算研究了不同波周期、波高對于船舶系纜力及運動量的影響；宋偉華等[3]結(jié)合實際工程案例，利用系泊分析軟件，系統(tǒng)分析了長周期波浪作用下周期、波高、入射波角度等對系泊穩(wěn)定的影響。但目前針對如何提高長周期波浪作用下系泊穩(wěn)定性，尤其是針對連片式碼頭的研究相對較少，因此對長周期波浪影響下連片式碼頭系泊布置進(jìn)行研究是十分必要的。某工程泊位泊穩(wěn)條件受長周期波浪影響較為明顯，為降低長周期波對泊穩(wěn)條件的影響、提高泊位可作業(yè)天數(shù)，本文結(jié)合工程區(qū)波浪環(huán)境特點，利用OPTIMOOR系泊分析軟件，分析長周期波作用下船舶纜繩張力、船舶運動量的特點，并針對性地提出系泊布置優(yōu)化措施，定量分析優(yōu)化措施對系泊穩(wěn)定的改善效果，通過系泊優(yōu)化，在不采取工程措施的條件下即可實現(xiàn)提高泊位泊穩(wěn)條件。

1 工程概況

新建港區(qū)擬建設(shè)2個5萬噸級多用途泊位、1個5萬噸級散貨泊位，本文系泊分析以1#散貨泊位為例。設(shè)計代表船型為散貨船，5萬噸級，總長223 m，型寬32.3，型深17.9 m，滿載吃水12.8 m，壓載吃水7.0 m。 1#泊位總長277 m，碼頭軸線130°～310°，碼頭采用沉箱岸壁式結(jié)構(gòu)，面高程6.00 m，港池底高程-14.00 m。

2 環(huán)境條件

影響系泊的主要環(huán)境條件包括風(fēng)、浪、流、潮位等，工程區(qū)潮差較小，設(shè)計高水位1.89 m，設(shè)計低水位0.40 m。泊位區(qū)流速整體較小，均小于0.1 ms。港區(qū)常風(fēng)向為S、SSW、SE、E向，風(fēng)速較小，年平均風(fēng)速2.0 ms，年最大風(fēng)速12.3 ms。1#泊位處50 a一遇設(shè)計波要素為：設(shè)計高水位，H1%=2.86 m，Hs=2.07 m，Tm=15.0 s。顯然工程區(qū)風(fēng)、流條件相對較好，波浪條件是影響系泊穩(wěn)定的關(guān)鍵性環(huán)境因素。

根據(jù)工程區(qū)外海波浪連續(xù)觀測資料，工程區(qū)常浪向為SSW、SW向，頻率為91.2%，實測有效波高Hs主要集中在0.6～1.6 m，平均波周期Tm主要集中在5～10 s，平均波周期Tm≥8 s頻率53.2%。按外海實測波要素推算1#泊位處對應(yīng)波要素，并分級統(tǒng)計其波高、波周期的聯(lián)合概率分布見表1。Hs=0.6 m(H4%≈0.8 m)、Tm=8 s的保證頻率約46%，Hs=0.6 m(H4%≈0.8 m)、Tm=10 s的保證頻率約90%。即有效波高小于0.6 m，且平均波周期小于8 s的頻率約占46%；有效波高小于0.6 m，且平均波周期小于10 s的頻率約占90%。

工程區(qū)波浪條件有較明顯的長周期波特性。長周期波浪具有較大的能量，即使極小的波浪亦可能導(dǎo)致系泊不穩(wěn)定[4]，因此長周期波浪影響下的碼頭，尤其是連片式碼頭的系泊穩(wěn)定性應(yīng)特別加以關(guān)注。

表1 實測波浪推算1#泊位處波高、波周期聯(lián)合概率分布 %

3 長周期波浪對系泊穩(wěn)定影響分析

系船柱規(guī)格為 1 000 kN；護(hù)舷采用1450 H鼓型護(hù)舷，一鼓一板，標(biāo)準(zhǔn)反力型。系船柱及護(hù)舷均按間距15.1 m布置。

根據(jù)系纜參數(shù)分析統(tǒng)計資料[5]，船上配置的纜繩一般可分為鋼纜、高分子量聚乙烯纜(HMPE)以及如尼龍纜的其它纖維纜，其中鋼纜、HMPE纜均屬剛性纜。5萬噸級船的纜繩配置數(shù)量為8～18根，具有85%保證率的5萬噸級船上配置16根纜繩。纜繩破斷力(MBL)為367～950 kN，具有85%保證率的5萬噸級船上配置的MBL為740 kN。

系泊布置時，各纜繩布置應(yīng)以船中為軸大致對稱，提供同樣功能的各纜繩長度應(yīng)大致相同。按此原則，并結(jié)合5萬噸級船的分析統(tǒng)計資料，初擬系泊布置方案采用常規(guī)的422對稱帶纜布置，即艏艉纜各4根、艏艉橫纜各2根、艏艉倒纜各2根，帶纜布置見圖1，由于船體離系船柱較近，艏艉橫纜、倒纜孔至系船柱的長度僅約10 m。初擬系泊布置方案纜繩采用φ32 mm鋼纜，MBL為740 kN，鋼纜極限伸長率約1.5%。由于鋼纜彈性小，系泊時須配置較好彈性的尼龍尾纜，以適應(yīng)船舶運動量。尾纜采用φ72 mm尼龍尾纜，尾纜纜繩破斷力應(yīng)提高25%，MBL為920 kN，按常規(guī)配置尾纜長度11 m。

圖1 初擬方案系泊布置(單位：m)

長周期波浪作用下，船舶運動對波浪的響應(yīng)加劇，當(dāng)波浪周期與船舶運動的固有自振周期接近時，波浪對船舶運動量的激勵效應(yīng)最為明顯。JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定對于5萬噸級散貨船的允許波周期為8 s，允許作業(yè)波高橫浪H4%為0.8 m、順浪H4%為1.0 m。在本系泊案例中，為定量分析波周期對系泊纜力、船舶運動量的影響，利用OPTIMOOR系泊分析軟件，分析在允許作業(yè)波高及不同波周期下纜繩張力、船舶運動量的結(jié)果，計算結(jié)果見表2～5。

計算結(jié)果表明：1)在橫浪(船浪夾角90°)作用下，纜繩張力及船舶運動量均隨波周期的增大而增大。根據(jù)OCIMF-MEG3—2008規(guī)定，對鋼纜纜繩張力允許值為纜繩破斷力的55%，HMPE纜允許值為50%，其它纖維纜允許值為45%。當(dāng)平均波周期小于8s時，纜繩張力及船舶運動量均在允許范圍內(nèi)，當(dāng)波周期達(dá)10 s時，艏艉橫纜受力超標(biāo)，纜繩受力達(dá)纜繩破斷力的80%；當(dāng)波周期達(dá)12 s時，橫纜受力達(dá)纜繩破斷力的100%，發(fā)生斷纜事故；當(dāng)波周期15 s時，所有纜繩受力均超標(biāo)。當(dāng)波周期12 s時船舶橫移運動量超標(biāo)，當(dāng)波周期15 s時船舶橫移運動量、升沉運動量超標(biāo)。2)在順浪(船浪夾角0°)作用下，纜繩張力及船舶運動量亦隨波周期的增大而增大，當(dāng)平均波周期小于12 s時;纜繩張力及船舶運動量均在允許范圍內(nèi);當(dāng)波周期達(dá)15 s時，艏艉纜、艏艉倒纜受力超標(biāo)，纜繩受力達(dá)纜繩破斷力的71%，船舶運動量均在允許范圍內(nèi)。

綜上，長周期橫向浪對系泊穩(wěn)定的影響相對顯著，當(dāng)橫向作用波浪周期大于8 s時，系泊船舶在波浪作用下的纜繩張力、船舶運動量顯著增加，橫向浪作用下，纜繩受力最先出現(xiàn)超標(biāo)的是橫纜，尤其當(dāng)橫纜長度較短時，纜繩張力增加尤其明顯。

表2 橫浪波周期對纜繩張力的影響對比

注：允許值為55%。

表3 橫浪波周期對船舶運動量的影響對比

表4 順浪波周期對纜繩張力的影響對比

注：允許值為55%。

表5 順浪波周期對船舶運動量的影響對比

4 系泊優(yōu)化方案

一般認(rèn)為，纜繩對于限制長周期波浪作用下船舶的運動量的作用是十分有限的，因此纜繩應(yīng)能適應(yīng)船舶運動。系泊布置時若選用剛性較大的纜繩，如鋼纜或HMPE纜，鋼纜極限變形約1.5%,HMPE纜極限變形約3%。由于纜繩破斷時纜繩變形較小，尤其當(dāng)纜繩長度較短時，極易出現(xiàn)纜繩受力超標(biāo)的情況，因此長周期波作用下的系纜布置宜避免采用完全剛性纜繩。尼龍纜有較好的彈性，極限變形約25%，但其強(qiáng)度相對較低，纜繩破斷力相同時，尼龍纜繩直徑相對較大。

若要改善長周期波作用下連片式碼頭的泊穩(wěn)條件，需考慮的關(guān)鍵因素在于系泊體系應(yīng)能與長周期波浪作用下船舶的運動量相適應(yīng)，系泊體系應(yīng)有一定的彈性，以便吸收船舶的動能?？刹扇〉南挡磧?yōu)化措施包括：優(yōu)化帶纜布置、增加帶纜長度、更換纜繩材質(zhì)、加長艉纜。據(jù)此擬定相應(yīng)的系泊優(yōu)化方案如下：1)優(yōu)化方案1。通過在碼頭設(shè)置滾柱倒纜器，纜繩通過滾柱導(dǎo)纜器帶至鄰近系船柱上，增加纜繩長度，纜繩規(guī)格同初擬方案。2)優(yōu)化方案2。纜繩為HMPE纜，纜繩直徑φ32 mm，MBL為740 kN，艉纜及帶纜布置同優(yōu)化方案1。3)優(yōu)化方案3。艉纜長度由11 m 更改為22 m，纜繩及帶纜布置同優(yōu)化方案2。4)優(yōu)化方案4。纜繩均為尼龍纜，纜繩直徑φ64 mm，MBL為740 kN。具體帶纜布置見圖2。

圖2 優(yōu)化方案系泊布置(單位：m)

在相同典型工況即橫向波浪作用下(H4%=0.8 m，Tm=10 s)，比較5種系泊布置方案的系纜力、船舶運動量，以評判各系泊優(yōu)化措施對改善系泊穩(wěn)定的效果，見表6～7?？梢钥闯?，本例通過滾柱導(dǎo)纜器增加橫纜長度有限，僅可在一定幅度減小纜繩張力，纜繩張力降低8%；更換為HMPE纜，由于HMPE纜繩與鋼纜同屬于剛性纜，纜繩彈性略好，纜繩張力略有降低，降低約4%；通過增加艉纜長度，大幅提高系泊體系的彈性，可極大增加纜繩對船舶運動量的適應(yīng)性，大幅減小纜繩張力，降低約29%；更換為尼龍纜，由于尼龍纜彈性好，纜繩對船舶運動量的適應(yīng)性最好，纜繩張力降低約32%。本系泊對比分析中，僅考慮波浪作用，以上系泊優(yōu)化措施對船舶的運動量基本沒有影響。

通過對比分析典型工況下系泊優(yōu)化方案的纜繩張力、船舶運動量可以看出，所有纜繩更換為尼龍纜，對降低長周期波影響下纜繩張力的效果最佳，增加剛性纜配置的尼龍艉纜長度也可顯著降低長周期波影響下纜繩張力。綜合分析，宜根據(jù)船上配置纜繩的類型選擇合適的改善泊穩(wěn)條件的系泊優(yōu)化措施，若船上配置的為剛性纜，如HMPE纜，可增加尼龍艉纜長度，由常規(guī)的11 m更換為22 m長度的尼龍艉纜，并通碼頭面設(shè)置的滾柱導(dǎo)纜器，加強(qiáng)橫纜，適當(dāng)增加橫纜長度的系泊優(yōu)化措施，即優(yōu)化方案3；亦可所有系泊纜繩均采用尼龍纜的系泊優(yōu)化措施，但須進(jìn)一步復(fù)核在風(fēng)流等環(huán)境條件作用下船舶運動量，即優(yōu)化方案4。

表6 典型工況下系泊優(yōu)化方案對纜繩張力影響對比

表7 典型工況下系泊優(yōu)化方案對船舶運動量影響對比

上述優(yōu)化措施僅針對波浪單環(huán)境因素條件進(jìn)行的系泊優(yōu)化，在風(fēng)、浪、流共同作用下，在不同水位、不同裝載度條件組合下，系泊穩(wěn)定性均應(yīng)能滿足要求。結(jié)合工程區(qū)環(huán)境要素，泊位可作業(yè)天數(shù)的要求(大于300 d)以及1#泊位波要素分級統(tǒng)計結(jié)果，波浪要素選取具有90%保證率的波要素，擬定系泊計算工況見表8，相應(yīng)的計算結(jié)果見表9、10。計算結(jié)果表明，不同的工況下纜繩張力，船舶運動量均在允許范圍內(nèi)，護(hù)舷壓縮最大變形0.44 m，最大系船柱受力660 kN，系泊穩(wěn)定滿足，系泊優(yōu)化措施可達(dá)到改善長周期波作用下連片式碼頭系泊布置優(yōu)化的目的。

表8 擬定系泊計算工況

表9 纜繩張力計算結(jié)果

表10 船舶運動量計算結(jié)果

5 結(jié)論

1)連片式碼頭由于船舶離碼頭較近，一般橫纜布置較短，應(yīng)特別注意長周期波浪對船舶系泊穩(wěn)定性的影響。隨著波周期的增大，系泊船舶纜繩張力、船舶運動量均會相應(yīng)增大，長周期波橫向作用時尤其明顯，特別是橫纜最易出現(xiàn)纜繩張力超標(biāo)情形。

2)改善長周期波浪作用下船舶的系泊穩(wěn)定性，系泊優(yōu)化的關(guān)鍵在于提高系泊體系與長周期波浪作用下船舶運動量的適應(yīng)性，增加系泊體系的彈性以便吸收船舶的動能，可采取優(yōu)化帶纜布置、增加纜繩長度、更換纜繩材質(zhì)、增加剛性纜繩尼龍艉纜長度等措施。

3)若須改善長周期波浪作用下船舶的系泊穩(wěn)定性，宜根據(jù)船舶配置纜繩的類型選擇適宜的系泊優(yōu)化措施，完全采用彈性較好的尼龍纜繩進(jìn)行系泊布置效果最佳，采用剛性纜并適當(dāng)增加尼龍艉纜的長度效果次之，通過系泊優(yōu)化增加纜繩長度也可在一定程度改善系泊穩(wěn)定性。長周期波作用下的系纜布置宜避免采用完全剛性纜繩的布纜方式。

4)本工程通過采用碼頭面增設(shè)滾柱導(dǎo)纜器增加橫纜長度，纜繩更換配置為HMPE纜并增加艉纜長度至22 m，或完全采用尼龍纜繩系泊，均可有效提高系泊船舶在長周期波作用下的系泊穩(wěn)定性，減少長周期波浪對本工程系泊穩(wěn)定性的影響，達(dá)到系泊優(yōu)化的目的。