高 峰，王煒正，李 焱

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；

2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢430071）

大型船舶吃水深、干舷受風(fēng)面大，受風(fēng)浪的影響尤為顯著，因此安全系泊一直都是船舶運輸業(yè)務(wù)中比較復(fù)雜的問題［1］。特別是對于正在進行裝卸的大型船舶來說，船體運動響應(yīng)幅值過大，會使裝卸作業(yè)難以進行，更嚴(yán)重的還可能造成系纜因受力過大而繃斷，以至于造成難以彌補的損失［2］，而液化天然氣（LNG）船是一種危險品貨物運輸船舶，其主要風(fēng)險存在于港內(nèi)作業(yè)期間，約80%的事故是發(fā)生在港內(nèi)作業(yè)期間。雖然LNG 接卸港的投資占接收站的總投資不足10%，但它在保證接收站安全營運中所起的作用至關(guān)重要［3-4］。因此，根據(jù)各港口布置的狀況對安全程度要求更高的大型LNG 船舶在各種風(fēng)、浪、流作用下的系泊安全分析更為重要。

擬建LNG 接收站及碼頭工程整體平面布置如圖1 所示。設(shè)計?？孔畲蟠蜑?6.6 萬m3。港區(qū)包括航道、防波堤、護岸、LNG 泊位、取排水口等水工建筑物。其中，LNG 碼頭為蝶形布置括工作平臺、4 個系靠船墩、8 個系纜墩及棧橋等組成，碼頭結(jié)構(gòu)型式為墩柱式結(jié)構(gòu)，軸線走向為南北向。泊位處海底高程約為-15.0 m。本次研究即通過船模系泊物理模型，分別對不同泊位長度、不同風(fēng)浪流組合以及系纜方式等進行了試驗研究，為碼頭布置方案和安全系泊條件的確定提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 工程平面布置示意圖Fig.1 Sketch of project layout

1 試驗內(nèi)容與條件

1.1 研究內(nèi)容

在不同作業(yè)工況組合條件下，通過試驗得出系泊船舶運動分量和每根纜繩承受的最大拉力及各個墩臺每組護舷承受到最大撞擊力，推薦合理的系纜布置方式。另外，根據(jù)試驗結(jié)果對碼頭長度帶來的變化進行分析，并提出合理化建議。

1.2 船型尺度與碼頭長度

主要試驗船型為26.6 萬m3（Membrane 膜式），船型主尺度參數(shù)如下表1 所示。試驗包含390 m 和370 m兩個長度（碼頭最外側(cè)系纜點間距），詳見圖2。

表1 26.6 萬m3LNG 試驗船型主尺度表Tab.1 Dimension series of 26.6×104 LNG ship

1.3 風(fēng)浪流條件

（1）風(fēng)：以20 m/s 為主，風(fēng)向包括艏來順風(fēng)0°、離岸艏來風(fēng)45°、離岸橫風(fēng)90°，離岸艉來風(fēng)20°。試驗中主要采用了直接模擬風(fēng)動力的方式，因此船模按照原型比例概化受風(fēng)面積模擬了上層建筑物（包括上艙蓋、駕駛樓等），并以風(fēng)壓力為主、風(fēng)速為輔的原則進行驗證，以確保要求的風(fēng)速能夠在船模上形成相應(yīng)的風(fēng)力。

（2）波浪：包括艏來浪45°，波高：1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.0 m；波浪平均周期：7 s、8 s、10 s、12 s，以及90°橫向浪進行典型工況的試驗。試驗采用不規(guī)則波，以JONSWAP 譜進行模擬。

（3）潮流：試驗?zāi)M最大垂線平均流速，參考潮流數(shù)學(xué)模型結(jié)果的最大值流速V=0.11 m/s，流向與碼頭呈8°夾角（自船艉來攏流）。流向誤差控制在3°范圍內(nèi)，分別在船舶停泊位置的艏、舯、艉三點布置流速測點以控制碼頭前流場。

圖2 兩種泊位長度系泊布置示意圖Fig.2 Layout of two different kinds of berth length

1.4 系纜設(shè)施

系纜纜繩采用高分子量高密度聚乙烯纜（HMPE）及11 m 長的尼龍纜尾索。相關(guān)資料表明，HMPE 纜繩的延長率ε 為3%，設(shè)計考慮26.6 萬m3船型最大纜數(shù)20 根，直徑44 mm 的HMPE 最大破斷力1 370 kN，直徑89 mm 尼龍尾索最大破斷力1 870 kN。4 個系靠船墩上分別布置了SUC2500H 一鼓一板低反力型橡膠護舷，設(shè)計反力2 625 kN，設(shè)計吸收能量2 882 kN-M。

2 船模試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

采用正態(tài)整體物理模型，結(jié)合試驗?zāi)康囊蟛⒔Y(jié)合試驗場地和設(shè)備，依據(jù)規(guī)范要求船模試驗長度比尺不超過80 的原則［5］，確定模型幾何比尺為λ＝60。模型整體平面布置滿足幾何相似和運動相似等條件，同時船舶模擬還滿足靜力（配載與吃水等）、動力相似（浮心、重心與縱橫搖周期等）。

2.1 纜繩與護舷

（1）纜繩模擬。纜繩相似主要應(yīng)滿足以下條件：

①幾何相似：即原模型船舶上的帶纜點和碼頭上的帶纜點之間的距離相似。

②彈性相似：原、模型纜繩的受力-變形曲線滿足相似條件。

由于系泊纜繩由HMPE 纜和11 m 長的尼龍纜尾索組成，而尼龍纜尾索可有效增加纜繩的彈性和降低系泊纜的動力負荷，因此纜繩彈性模擬考慮將HMPE 纜繩彈性和尼龍纜尾索彈性線性合成，以考慮他們的混合影響，其中HMPE 纜繩的受力-變形計算中纜繩長度減去了纜尾索的長度，而11 m 長尼龍纜尾索的受力-變形計算采用Wilson 公式計算。

（2）護舷模擬。護舷模擬模塊主要保證護舷的反力-變形曲線相似。試驗中，每個系靠船墩上安裝一個護舷模型，四個系靠船墩共安裝四個。

2.2 系纜布置方式

試驗包含兩種系纜方式，即4222（艏艉各4 根、倒纜各2 根、其他橫纜各2 根）和3322（艏艉各3 根、倒纜各2 根、艏艉橫纜1 各3 根、艏艉橫纜2 各2 根），通過改變模型系纜點位置來實現(xiàn)不同系纜方式的模擬。

2.3 系泊安全依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）運動量標(biāo)準(zhǔn)。國際航運協(xié)會（PIANC）于1995 年推薦了可接受的船舶最大運動量值供參考，英國海工標(biāo)準(zhǔn)（BS6349-2000）亦有相關(guān)規(guī)定［6］。由于BS6349 規(guī)定值過高，不適于我國建港環(huán)境，本次試驗研究主要以PIANC（1995）年推薦允許值作為依據(jù)，即：縱移、橫移均不超過2.0 m，縱搖、橫搖與回轉(zhuǎn)均不超過2.0°。

（2）系纜力標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)石油公司國際海事論壇（OCIMF）相關(guān)規(guī)定，對于合成纖維纜（Synthetic Rope），其纜繩所受拉力不應(yīng)大于其最小破斷力的50%，如超過則認為纜繩直徑不滿足安全系泊要求［7］。因此，對直徑44 mm 的HMPE 纜，其最小破斷力為1 370 kN，則單根纜繩所受到的最大拉力應(yīng)小于685 kN（50%的最小破斷力）。

（3）護舷標(biāo)準(zhǔn)。最大撞擊力和最大撞擊能量應(yīng)小于SUC2500H 一鼓一板低反力型護舷的設(shè)計反力：2 625 KN 和設(shè)計吸收能量：2 882 kN-m。當(dāng)實測撞擊力和撞擊能量超過護舷的設(shè)計撞擊力和撞擊能量時，則認為護舷型號不能滿足要求。

3 試驗結(jié)果與分析

表2 各泊位長度下系泊結(jié)果最大值Tab.2 The Max.mooring results of different berth lengths

3.1 碼頭長度對比試驗

碼頭不同長度（390 m 和370 m）對于系泊狀態(tài)而言，改變了艏艉纜及橫纜的長度與系泊角度。由于碼頭兩種碼頭長度差值20 m，370 m 長度的各帶纜點相對于390 m 長度向碼頭中心各自平移10 m。由于碼頭長度差異不大，因此運動量整體變化不大，相對而言短泊位比長泊位略小，變化幅度10%左右，但各運動量的最大值多出現(xiàn)在長泊位試驗期間，不同泊位長度下最大運動量比較見表2 船舶運動量統(tǒng)計值。當(dāng)縮短碼頭長度，系纜力有所減少，泊位在370 m 時的系纜力平均約為390 m 時的89%～96%。當(dāng)橫浪作用時，縮短碼頭長度對減小系纜力的效果要更明顯些。而兩種長度下的撞擊力互有大小，規(guī)律不明顯，但撞擊能量短泊位總體上略要小。系纜力、撞擊力與撞擊能量最大值比較見表2。

因此，從上述運動量、系纜力、撞擊力和撞擊能量的綜合對比，短泊位整體效果略好于長泊位。本泊位受防波堤的掩護后，主要影響浪向為近似橫浪的繞射波，而水流相對較弱，因此船舶系泊受橫向荷載主導(dǎo)，縮短泊位長度，對改善船舶運動量更有效果。

3.2 風(fēng)浪流共同作用下系泊條件

該試驗均在370 m 泊位長度條件下進行，系纜方式采用4222，各主要工況組合條件下的船舶最大運動量與纜繩、護舷受力情況見表3所示。

結(jié)果表明，各主要運動量均能滿足PIANC（1995）推薦值；當(dāng)與橫浪組合下更易接近或超過PIANC（1995）推薦值。其中，當(dāng)與順風(fēng)組合時對縱移運動量的影響較大，船舶各運動量相對均有增大，特別是橫移，其他離岸斜風(fēng)時的情況介于之間。波周期對運動量的影響較顯著，其中周期10 s、12 s 與該船型自搖周期（10.8～15.6 s）較為接近，如縱移在12 s 周期下最大可達到1.52 m、10 s 周期時也可達到1.41 m；而橫移可達到0.89 m、10 s 周期時也超過了0.5 m，達到0.76 m。不同波向?qū)\動量的影響也有較大差異，橫浪作用時的運動量最大，為控制浪向，此時橫移、橫搖都接近標(biāo)準(zhǔn)極限。

表3 船舶各運動量、系纜力與撞擊力最大值（4222 系纜方式）Tab.3 The Max.motion & force of lines & fenders(4222 mooring type)

從船舶系纜力結(jié)果看，各橫纜、倒纜的受力較為顯著，其中橫纜之間的不均勻系數(shù)為1.04～1.78（平均1.39），橫纜與艏、艉纜之間的不均勻系數(shù)為1.23～2.2（平均1.65）。當(dāng)波浪周期增加到12 s 時，系纜力和撞擊力明顯增加。安全系泊條件：H4%=1.2 m，TP=12 s，大部分工況超標(biāo)；H4%=1.5 m，TP=12 s 時，纜力基本均超標(biāo)；H4%=1.8 m，TP=10 s 時，艏離岸45°和90°吹開風(fēng)的纜力超標(biāo)。如果在波浪周期12 s 條件下，只有當(dāng)波高降低至0.6 m 時，方可滿足系纜要求。對護舷而言，撞擊力和撞擊能量均滿足設(shè)計選型要求。根據(jù)試驗結(jié)果分析，表4 給出了不同風(fēng)速、不同系纜方式和不同浪向條件下試驗船型（26.6 萬m3）的安全控制標(biāo)準(zhǔn)推薦值。由于90°橫向浪即W 向波浪（小風(fēng)區(qū)成浪）年發(fā)生頻率為0.13%，且波高均小于0.5 m，對港內(nèi)波浪條件影響不大，因此系纜力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以艏來浪45°為主。

表4 船舶系泊安全控制波高Tab.4 Wave height for ship mooring safety

3.3 系纜方式對比與優(yōu)化系纜試驗

（1）系纜方式對比試驗。試驗中還進行3322 系纜方式的對比，不同波浪條件作用時的結(jié)果不同。以45°斜浪作用為主時，從運動量和系纜力、撞擊力都相差不大。而橫浪90°作用下，3322 方式則整體略優(yōu)于4222方式，如表5 所示。這與橫向束縛的分布均勻程度有關(guān)，而4222 主要集中于艏艉兩端，因此對整體的平穩(wěn)而言略差一些，因此推薦纜力分布相對均勻的3322 系纜方式。

（2）調(diào)整系纜點試驗。將原方案中系在外側(cè)兩系靠船墩上的倒纜分別中心線移至內(nèi)側(cè)系靠船墩，此舉將增加倒纜長度，從而一定程度改善受力，起到優(yōu)化倒纜目的。結(jié)果表明：運動量整體上比原方案略有少幅度減小，倒纜系纜力有所改善，特別對降低艉倒纜的效果略明顯，其纜力降低約14%，艏倒纜降低約5%～10%，因此推薦采用內(nèi)移倒纜系纜點的優(yōu)化措施。

表5 兩種系纜方式在橫浪作用為主時的對比Tab.5 Comparison between 4222 and 3322 mooring types under the action of transverse wave

4 結(jié)語

（1）不同碼頭泊位長度的對比中，船舶運動量和系纜力隨著泊位長度的縮短有整體減小趨勢，特別對偏橫向作用為主時的改善優(yōu)勢相對顯著；

（2）試驗條件下的船舶運動量均能滿足PIANC 推薦值，系纜力分配更均勻的3322 系纜方式比4222 要略好一些，但按照50%安全量（MBL）考慮在波周期10 s 和12 s 時均有個別工況有斷纜風(fēng)險。撞擊力和撞擊能量均小于護舷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值，滿足選型要求。

（3）橫浪作用下的系泊條件相對略差，但由于工程區(qū)橫浪（W 向）年發(fā)生頻率僅為0.13%，且波高均小于0.5 m，對港內(nèi)波浪條件影響不大，因此系纜力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以艏來浪45°為主，此時安全系泊最大波高H4%=2.0 m，T平均=7 s。

（4）目前試驗條件中的風(fēng)浪流三個要素中，LNG 船型本身吃水相對較淺，因此主要將是風(fēng)、浪共同作用的影響為主，試驗中出現(xiàn)了10 s、12 s 波周期系纜力超標(biāo)情況，因此波周期是船舶系泊影響較大的因素，因此在下一階段工作中進一步掌握該區(qū)常年的波浪代表情況，可以有針對性的了解波周期在常年及一年內(nèi)的分布及變化規(guī)律，有利于更合理確定港口系泊安全標(biāo)準(zhǔn)。

［1］岳智君，高新華，黃濤. 大型艦船系泊防臺風(fēng)方法探討［J］.船海工程，2007，36（1）：18-20.YUE Z J，GAO X H，HUANG T. Discussion on the mooring method to defense typhoon for the large warships［J］. SHIP &OCEAN ENGINEERING，2007，36（1）：18-20.

［2］胡毅，胡紫劍，劉元丹，等. 基于AQWA 的大型LNG 船碼頭系泊分析［J］.船舶科學(xué)技術(shù)，2012，34（2）：70-110.HU Y，HU Z J，LIU Y D，et al. Analysis of The Large LNG Ships Moored Against a Quay Based on AQWA［J］. Ship science and technology，2012，34（2）：70-110.

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［5］JTJ/T234-2001，波浪模型試驗規(guī)程［S］.

［6］BS6349：MARTIME STRUCTURES，CODE OF PRACTICE FOR DESIGN OF FENDERING AND MOORING SYSTEMS.PART 4［S］.

［7］OCIMF. Mooring Equipment Guidelines：3rd Edition（MEG）［M］.United Kingdom：Witherby Seamanship International，2008.