谷文強，唐儆澤

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

隨著工業(yè)化技術(shù)進步，能源、化工等行業(yè)新建及擴建工程的設(shè)備大型化趨勢明顯，一些超重、超長、超寬和超高的重大件設(shè)備往往需要通過水路運輸，通過重大件碼頭滾裝上岸。重大件設(shè)備在滾裝上岸過程中，對于船舶系泊泊穩(wěn)要求非常高，應(yīng)通過系泊試驗確定泊穩(wěn)條件。本文以惠州某重大件碼頭工程的系泊試驗為例研討重大件滾裝碼頭的船舶系泊物理模型試驗方法。

1 總體試驗要求和試驗依據(jù)

1.1 總體試驗要求

羅自力[1]針對重大件碼頭給出了多種卸船與運輸工藝的優(yōu)缺點介紹和分析，其中滾裝運輸方案具備效率高、裝卸無需配備大型裝卸設(shè)備等優(yōu)點?；葜菽持卮蠹a頭采用自行式模塊運輸車（SPMT）滾卸上岸，模塊運輸車不隨船運輸時，船舶靠泊后，待風(fēng)、浪、流、潮位條件滿足安全作業(yè)要求，模塊運輸車通過跳板駛上船舶，從重件的鞍座下方穿入，就位后再頂升平板，承載重件及鞍座，將重件與模塊運輸車綁固完成后再駛下船舶。作業(yè)過程中，可通過潮位變化和調(diào)整船舶壓艙水使船舶保持一定的平衡狀態(tài)。模塊運輸車隨船運輸時，通過跳板直接駛下船舶。

因為需要等待特定的工作水位，因此船舶一般需要在泊位系泊較長時間等待潮位變化。在滾裝裝卸過程中，需要通過調(diào)整船舶壓艙水使船舶保持一定的平衡狀態(tài)，船舶不能有較大的運動量。在船舶系泊物理模型試驗中，需要考慮船舶系泊狀態(tài)和滾裝作業(yè)狀態(tài)兩種工況。

1.2 試驗船型參數(shù)

根據(jù)惠州某重大件碼頭工程項目重大件運輸方案，最重、最長件為丙烯精餾塔，總重1 600 t，長96.85 m，截面直徑8.1 m；最寬件為急冷油塔，總重1 100 t，長35 m，截面直徑15.2 m。

采用6 445 t載重噸的遠(yuǎn)洋運輸駁船運輸，實際船型的主尺度參數(shù)如表1所示。

表1 試驗船型主尺度Table 1 Main dimensions of test ship

船舶裝載狀態(tài)包括滿載和半載2種狀態(tài)。

6 445 t駁船纜繩為直徑φ越60 mm的八股丙綸纜繩，最小破斷力為270 kN。

1.3 系纜布置

重件設(shè)備考慮駁船丁靠滾裝上岸，泊位長205 m，丁靠結(jié)構(gòu)長20 m，寬40 m，泊位側(cè)向布置4個靠船墩和2個系纜墩用于船舶系靠泊。

陳木燦等[2]對碼頭系泊布置方法進行了研究，給出了國內(nèi)外連片式碼頭和島式碼頭系纜布置的方法，本文系纜墩和靠船墩的系纜布置參考了其中的相關(guān)研究。而船尾由于采用丁靠模式，根據(jù)重件運輸方意見進行了系泊纜繩布置，如圖1所示，在船尾布置了2根艉纜、2根艉橫纜和1根艉倒纜，在船首區(qū)域布置了2根艏纜、1根艏橫纜和2根艏倒纜，共10根纜繩。其中2根艏倒纜距離較近，試驗中合并為1根纜繩進行模擬，長度取2根纜繩長度的平均值，每根艏倒纜受力結(jié)果取測量結(jié)果除以2。

圖1 重大件滾裝碼頭系泊布置圖Fig.1 Mooring layout of heavy cargo Ro/Ro terminal

1.4 碼頭系纜設(shè)施

丁靠結(jié)構(gòu)上設(shè)置2個600 kN系船柱，每個靠船墩和系纜墩上設(shè)置1個600 kN系船柱。

1.5 護舷

碼頭采用DA800-L2000橡膠護舷，本次試驗選用標(biāo)準(zhǔn)型橡膠護舷，最大壓縮變形55%，最大反力1 528 kN，吸能量396 kJ；設(shè)計壓縮變形52.5%，設(shè)計反力1 100 kN，設(shè)計吸能量370 kJ。DA800-L2000護舷相當(dāng)于2只DA800-L1000護舷組合。

1.6 運動量和纜繩荷載限制標(biāo)準(zhǔn)

文獻[3]給出了國內(nèi)外規(guī)范中的碼頭極限環(huán)境作業(yè)條件和船舶運動量標(biāo)準(zhǔn)。其中對于滾裝船裝卸作業(yè)時的運動量標(biāo)準(zhǔn)的要求差異較大，國內(nèi)的工程項目需要采用中國規(guī)范，JTJ 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》[4]中對于裝卸作業(yè)允許運動量的要求引用自國際航運協(xié)會PIANC規(guī)范《Criteria for Movements of Moored Ships in Harbours》[5]，對于滾裝船采用艉跳板作業(yè)時的運動量要求見表2。

表2 裝卸作業(yè)允許運動量標(biāo)準(zhǔn)（艉跳板滾裝船）Table 2 Standard for allowable movements in loading and unloading operation(for end berthing Ro/Ro ship)

英標(biāo)BS 6349-8：2007《Maritime structures-Part 8：Code of practice for the design of Ro-Roramps，linkspans and walkways》[6]對于滾裝船作業(yè)允許運動量標(biāo)準(zhǔn)給出了更嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)，尤其是其中的升沉值要求幾乎無法滿足，因此本次試驗采用PIANC規(guī)范中的滾裝船裝卸作業(yè)允許運動量標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)規(guī)范對于纜繩荷載限制標(biāo)準(zhǔn)沒有給出規(guī)定，參考石油公司國際海事論壇OCIMF規(guī)范《Mooring Equipment Guidelines》[7]，對于尼龍纜外的合成纖維纜，系纜力不應(yīng)超過纜繩破斷力的50%。本次選用φ60 mm八股丙綸纜繩，最小破斷力為270 kN，因此纜繩受力不應(yīng)超過135 kN。

2 試驗方法

2.1 試驗設(shè)備和量測儀器

波浪物理模型試驗在波浪港池進行，港池長52 m、寬17.5 m、高1.2 m，港池配有不規(guī)則波造波機，可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。

為產(chǎn)生所需要的風(fēng)條件，在港池內(nèi)布置10臺大型風(fēng)機，最大風(fēng)速10 m/s，可產(chǎn)生不同速度的風(fēng)場。波高測量采用電容式波高儀，采用DS30多功能自動采集系統(tǒng)采集并進行數(shù)據(jù)處理。船舶運動量采用非接觸式船模運動測量系統(tǒng)測量，同時量測船舶的橫移、縱移、升沉、橫搖、縱搖和回旋6個自由度的運動量，通過計算機采集和處理。纜繩力、船舶撞擊力和撞擊能量采用2008型護舷纜力儀進行測量。

2.2 模型設(shè)計

試驗遵循JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[8]相關(guān)規(guī)定，采用正態(tài)模型，按重力相似設(shè)計。對于6 500 t駁船模型比尺1頤32。對橡膠護舷和纜繩等非剛性構(gòu)件還考慮了彈性變形相似。

2.3 模型布置

根據(jù)試驗技術(shù)要求，進行橫浪向、順浪向、斜向浪（45毅）試驗。試驗中同時考慮風(fēng)的影響。

碼頭水域處于大亞灣東西兩股漲落潮流在灣頂?shù)姆謪R流點附近，為典型的弱流環(huán)境，從觀測和潮流數(shù)學(xué)模型結(jié)果可見，工程位置處最大流速不超過17 cm/s，本次試驗采用比尺為1頤32，換算后模型流速僅為3.0 cm/s，大部分區(qū)域流速不足10 cm/s，因此本次試驗中未考慮水流作用。

2.4 試驗方法及數(shù)據(jù)采集處理

按要求進行風(fēng)、波不同組合工況下的船舶運動量、系纜力、撞擊力和撞擊能量試驗。首先將船舶置于碼頭前，調(diào)整各纜繩初始系纜力，然后進行試驗，同時測量船舶運動量、系纜力、撞擊力和撞擊能量，運動量參數(shù)取值為全幅最大值。

根據(jù)平面布置方案研究是否滿足設(shè)計船型在多種工況組合下（風(fēng)、浪、流，滿載及壓載）的纜繩張力、船舶擠靠力、船舶撞擊力、船舶運動量等要求[9-10]。

根據(jù)有關(guān)規(guī)范中對于船舶運動量的要求，提出船舶允許作業(yè)自然條件（風(fēng)，浪，流等）及允許停泊自然條件（風(fēng)，浪，流等），以及保證安全的措施。

給出不同水位船舶在各流向，各浪向，各風(fēng)向聯(lián)合作用下，不同條件組合情況下各個載度船舶的運動狀態(tài)（包括6個自由度）和系纜力。

2.5 試驗組次

本次試驗對6 500 t駁船進行單獨波浪及風(fēng)浪共同作用試驗，試驗組合見表3。

表3 試驗組次Table 3 Test cases

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 船舶運動量

試驗得出的船舶運動量結(jié)果：

1）波浪作用下2種水位下船舶運動量差別不大，無明顯規(guī)律。

2）波浪作用下，半載時的船舶運動量比滿載時的值大。

3）波浪因素對船舶運動量影響較大，風(fēng)影響較小。

4）對于45毅浪向和順浪向，運動量全部滿足裝卸作業(yè)要求；對于橫浪向，當(dāng)H4%=0.6 m，T=4.6 s波浪單獨或者與6級離岸風(fēng)作用時，最大橫搖運動量為3.90毅，滿足裝卸作業(yè)要求。

5）對于本次試驗所考慮工況，6 500 t船舶運動量的最大值及發(fā)生條件為：

橫移最大值為0.67 m（設(shè)計高水位，半載，無風(fēng)，H4%=0.86 m橫浪）；

縱移最大值為0.25 m（設(shè)計高水位，半載，無風(fēng)，H4%=0.86 m橫浪）；

升沉最大值為0.55 m（設(shè)計低水位，滿載，7級開風(fēng)，H4%=0.86 m橫浪）；

橫搖最大值為6.73毅（設(shè)計低水位，滿載，7級開風(fēng)，H4%=0.86 m橫浪）；

縱搖最大值為0.70毅（設(shè)計低水位，滿載，6級開風(fēng)，H4%=0.86 m橫浪）；

回轉(zhuǎn)最大值為1.13毅（設(shè)計高水位，滿載，無風(fēng)，H4%=0.86 m橫浪）。

可以看出當(dāng)橫浪達(dá)到0.86 m時，橫移超過了裝卸作業(yè)允許的運動量0.6 m。

而當(dāng)橫浪達(dá)到0.6 m（對應(yīng)周期4.6 s）時，在所有試驗工況中，橫移最大值為0.56 m，分別發(fā)生在設(shè)計高水位、半載工況和設(shè)計低水位、滿載工況。因此裝卸作業(yè)允許的的橫浪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為波高0.6 m（對應(yīng)周期4.6 s）。

3.2 船舶系纜力

試驗得出的船舶系纜力結(jié)果：

1）波浪作用下2種水位下船舶系纜力差別不大，無明顯規(guī)律。

2）波浪作用下，半載時的船舶系纜力比滿載時的值大。

3）波浪因素對船舶運動量影響較小，風(fēng)影響較大。

4）對于45毅浪向和順浪向，當(dāng)H4%=0.6 m，T=4.6 s波浪單獨或者與6級離岸風(fēng)共同作用時，系纜力未達(dá)到最小破斷力50%（135 kN）；對于橫浪向，當(dāng)H4%=0.6 m，T=4.6 s波浪單獨或者與6級離岸風(fēng)聯(lián)合作用時，系纜力未達(dá)到最小破斷力50%（135 kN），當(dāng)H4%=0.6 m，T=4.6 s波浪與7級離岸風(fēng)作用時，系纜力超過最小破斷力50%（135 kN）；對于橫浪向，當(dāng)H4%=0.86 m，T=4.6 s波浪單獨作用時，系纜力未達(dá)到最小破斷力50%（135 kN），當(dāng)H4%=0.86 m，T=4.6 s波浪與6級離岸風(fēng)聯(lián)合作用時，纜繩力超過最小破斷力50%（135 kN）；對于45毅浪向和順浪向，當(dāng)H4%=1.07 m，T=5.4 s波浪與6級離岸風(fēng)聯(lián)合作用時，纜繩力超過最小破斷力50%（135 kN）。

可以看出橫浪0.86 m與6級離岸風(fēng)聯(lián)合作用時，系纜力超過了最小破斷力50%（135 kN），而橫浪0.6 m與6級離岸風(fēng)聯(lián)合作用時，系纜力滿足最小破斷力要求，因此橫浪H4%=0.6 m，T=4.6 s是船舶系泊和船舶裝卸作業(yè)2種情況下的極限環(huán)境條件。而對于45毅浪向和順浪向，H4%=1.07 m，T=5.4 s，可以作為船舶系泊和船舶裝卸作業(yè)2種情況下的極限環(huán)境條件。

3.3 船舶撞擊能量及撞擊力

試驗給出船舶在波浪、水流和風(fēng)作用下的撞擊力和撞擊能量測量結(jié)果：

1）水位對船舶撞擊力和撞擊能量影響不大。

2）波浪方向?qū)Υ白矒袅妥矒裟芰坑绊戄^大，橫浪時撞擊能量較大，順浪時相對較小。

3）最大撞擊能量為190.5 kJ，發(fā)生在設(shè)計高水位半載工況，對于設(shè)計高水位半載、設(shè)計低水位滿載時，均有達(dá)到護舷設(shè)計反力的情況。對于本次試驗所考慮工況，撞擊能量和撞擊力均未達(dá)到護舷設(shè)計吸能和設(shè)計反力。

3.4 船舶靠泊試驗結(jié)果

試驗測定船舶在無風(fēng)、浪、流，滿載情況下船舶靠泊（順靠、丁靠）時（靠泊速度Vn越0.35 m/s，靠泊角度<5毅）產(chǎn)生的撞擊力。

撞擊能量和撞擊力與船舶動能直接相關(guān)。船舶滿載順靠時最大護舷撞擊力為1 100 kN，最大撞擊總能量為146 kJ；船舶滿載丁靠時最大護舷撞擊力為1 100 kN，最大撞擊總能量為230 kJ。對于本次試驗所考慮工況，船舶靠泊產(chǎn)生的撞擊能量和撞擊力均未達(dá)到護舷設(shè)計吸能和設(shè)計反力。

4 試驗結(jié)論

惠州某重大件滾裝碼頭的船舶系泊物理模型試驗，采用1頤32的正態(tài)模型，對6 500 t遠(yuǎn)洋甲板駁船進行試驗，測量了風(fēng)、波浪動力因素不同組合工況下系泊船舶運動量、纜繩拉力、撞擊能量、撞擊力；測量了船舶靠泊時對碼頭的擠靠力及能量；提出6 500 t駁船的安全作業(yè)和系泊的條件，主要結(jié)論如下：

1）裝卸作業(yè)條件，需要同時滿足船舶允許運動量標(biāo)準(zhǔn)和纜繩破斷力限制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)試驗結(jié)果，重大件滾裝碼頭在船舶裝卸作業(yè)時的允許極限環(huán)境條件如表4所示。

表4 重大件滾裝碼頭裝卸作業(yè)時的允許極限環(huán)境條件Table 4 The allowable limit environmental conditions for loading and unloading of heavy cargo Ro/Ro terminal

2）系泊條件，需要滿足船舶系纜時纜繩中的系纜力不超過纜繩破斷力限制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)試驗結(jié)果，重大件滾裝碼頭在船舶系泊時的允許極限環(huán)境條件如表5所示。

表5 重大件滾裝碼頭船舶系泊時的允許極限環(huán)境條件Table 5 The allowable limit environmental conditions for ship mooring of heavy cargo Ro/Ro terminal

3）滿足系泊條件下的最大豎向運動為0.41 m，可用于碼頭前沿底高程設(shè)計。

4）船舶系泊時，在風(fēng)浪影響下對護舷的撞擊力和樁基能量均未達(dá)到護舷設(shè)計吸能和設(shè)計反力。船舶在靠泊時，船舶對護舷的撞擊力和樁基能量均未達(dá)到護舷設(shè)計吸能和設(shè)計反力。因此DA800-L2000橡膠護舷選型合理，滿足使用要求。

5 結(jié)語

對于裝卸超過1 000 t的重大件設(shè)備碼頭，吊裝工藝無法滿足裝卸要求，需要采用丁靠滾裝裝卸方式，對于泊穩(wěn)要求比一般貨種要更高，因此有條件情況下，應(yīng)開展船舶系泊物理模型試驗進行驗證和優(yōu)化設(shè)計。

系泊試驗需要同時考慮船舶系泊狀態(tài)和裝卸作業(yè)狀態(tài)2種工況。在系泊狀態(tài)，根據(jù)纜繩荷載限制標(biāo)準(zhǔn)試驗出船舶系泊的極限環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)以及最大豎向運動量。在裝卸作業(yè)狀態(tài)，根據(jù)纜繩荷載限制標(biāo)準(zhǔn)和船舶運動量限制標(biāo)準(zhǔn)試驗出船舶裝卸作業(yè)的極限環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。該重大件滾裝碼頭的船舶系泊物理模型試驗方法和結(jié)果可供項目參考。