吳林鍵，吳丙貴，舒丹，劉冰冰，李怡

（1.重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；3.中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510115）

外海固定式泊位船舶系纜力評估方法論述

吳林鍵1，2，吳丙貴3，舒丹1，2，劉冰冰1，2，李怡2

（1.重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；3.中鐵建港航局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510115）

摘要：鑒于船舶系泊安全問題在港口碼頭設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義，文章總結(jié)了國內(nèi)外部分學(xué)者對外海固定式泊位大型船舶系泊安全問題的研究成果，綜合論述了在外海波浪單獨(dú)作用，波浪和水流共同作用，風(fēng)和水流共同作用以及風(fēng)、浪、流綜合作用的自然條件下，各大型船舶系纜力的理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬評估方法。為大型外海固定式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，船舶系纜設(shè)施整體布局，船舶系泊安全問題等方面提供有意義的參考。

關(guān)鍵詞：外海；固定式泊位；大型船舶；系纜力；評估方法

外海海域自然條件惡劣，導(dǎo)致船舶在系、靠泊等方面存在著許多的困難［1-4］。外海固定式泊位大型船只的系泊安全一直是港口工程設(shè)計(jì)和使用過程中所密切關(guān)注的焦點(diǎn)。影響船舶系泊安全的因素十分復(fù)雜［5］，系泊纜繩在風(fēng)荷載、水流力、波浪荷載等因素的影響下將產(chǎn)生系纜張力，其值大小將直接影響船舶停泊、裝卸作業(yè)等各方面的安全［6-11］。根據(jù)以往的研究結(jié)果［12］，影響系纜力的因素可主要?dú)w結(jié)為三大類：船舶因素（船舶類型、載量及噸位級）、纜繩因素（纜繩長度、數(shù)量及初張力）、動力因素（風(fēng)、浪、流等）。

本文基于國內(nèi)外諸多學(xué)者對于系泊船舶系纜力研究情況，綜合論述了在不同自然條件下外海固定式泊位各大型船舶系纜力的理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬評估方法，為大型外海開敞式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，船舶系纜設(shè)施整體布局，船舶系泊安全問題等方面提供有意義的參考。

1　波浪力作用下系纜力評估

劉必勁，張亦飛等人［13］采用理論分析結(jié)合模型試驗(yàn)的研究方法，綜合研究了在波浪荷載單獨(dú)作用下，外海大型開敞式碼頭系泊100000t級油輪的系纜力問題，并提出在波浪力作用下，計(jì)算該船舶各纜繩系纜力的經(jīng)驗(yàn)公式

式中：C1為綜合因素影響因子；M為船舶載量，t；g為重力加速度，m/s2；H為波高，m；D為船舶吃水深度，m；C2為角度影響因子；θ為波浪入射角度，（o）；T為波浪周期，s；T0為橫搖周期，s。各參數(shù)取值詳見文獻(xiàn)［13］。

同時，劉必勁［14］在其碩士論文中，單考慮在橫浪作用下，纜繩長度因素對船舶系纜力值的影響，并得出了大型開敞式大噸位級船舶纜繩系纜力與各影響因素之間基本關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式

式中：C為綜合因素影響因子；L0為纜繩基本長度，m；L為其他纜繩長度，m；其余各參數(shù)同公式（1），同時，可將式（2）改寫成

式中：a、b、c、x均為無量綱參數(shù)。從式（3）可看出系纜力大小與纜繩的長度成反比。

式（1）～式（3）的適用性和局限性：由于上述公式是根據(jù)具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用數(shù)學(xué)方法擬合得出，只能夠適用模型試驗(yàn)中某特定的系纜方式，且只適用于纜繩為尼龍材料情況［15］，缺乏廣泛適用性。

孟祥瑋，高學(xué)平等人［16］在我國大量與船舶系纜力相關(guān)的模型試驗(yàn)資料及相應(yīng)成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出了在波浪荷載作用下，船舶系纜力的橫向力及縱向力的計(jì)算公式

式中：x，y為綜合系數(shù)；H為入射波高，m；θ為波浪入射角度，（o）；L為船舶柱間長，m；B為船舶型寬，m；D為船舶吃水深度，m；ax為船舶橫搖與波浪周期關(guān)系參數(shù)；ay為船舶縱搖與波浪周期關(guān)系參數(shù)；ρ為海水密度，kg/ m3；g為重力加速度，m/s2。

式（4）和式（5）的適用性和局限性：在運(yùn)用公式進(jìn)行計(jì)算時，應(yīng)加強(qiáng)探索綜合系數(shù)x、y與實(shí)際船舶的船型、系纜方式等之間的關(guān)系，確定合理的綜合系數(shù)值。對于大型工程項(xiàng)目，在必要條件下需通過物模試驗(yàn)或原體觀測的數(shù)據(jù)，修正綜合系數(shù)x、y，使得計(jì)算的結(jié)果更為安全可靠。

2　波流共同作用下系纜力評估

楊國平，張志明等人［17］在對離岸深水港碼頭系泊船舶系纜力的研究當(dāng)中，重點(diǎn)考慮了滿載、半載和空載的船舶因素以及當(dāng)波浪單獨(dú)作用，水流單獨(dú)作用以及波浪與水流聯(lián)合作用的動力因素對船舶系纜力的影響，經(jīng)推導(dǎo)得出了當(dāng)波浪單獨(dú)作用、水流單獨(dú)作用及波流聯(lián)合作用下船舶各纜繩系纜力計(jì)算公式，分別為

水流單獨(dú)作用時

波浪單獨(dú)作用、波流聯(lián)合作用時

式中：FL為水流單獨(dú)作用時系纜力值為首（尾）纜系纜力值為首（尾）倒纜系纜力值，kN；為首（尾）橫纜系纜力值；Cr為綜合系數(shù)為與Lb/L有關(guān)的系數(shù)為流向系數(shù)；γ為潮流流向與碼頭前沿線夾角，（o）；Cv1、Cv2為流速系數(shù)；V為流速，m/s；M為船舶載量，t；T0為船舶橫搖周期，s；Cα1、Cα2為波向系數(shù)；Cβ1、Cβ2為纜繩角度系數(shù)；CH1、CH2為波高系數(shù)；CT1、CT2為波周期系數(shù)；楊國平，張志明等人［17］通過模型試驗(yàn)得出了上述公式中各參數(shù)的具體各參數(shù)值，詳見文獻(xiàn)［17］。通過對模型試驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行相關(guān)性分析表明：在不同工況下，公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均大于0.8，表明上述公式的可靠性較高。

李焱，鄭寶友等人［18］以多噸位級碼頭工程項(xiàng)目為例，分別研究了在不同水位、船舶載度、波浪、潮流以及纜繩等因素下，波浪單獨(dú)作用、水流單獨(dú)作用以及波流共同作用下對船舶系纜力產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明：（1）在不規(guī)則波條件下的系纜力實(shí)測值均大于規(guī)則波，水位因素對系泊船舶的最大系纜力的影響較?。唬?）順流單獨(dú)作用時，船舶吃水線以下受力面積大小是影響系纜力的主要因素，滿載狀態(tài)時系纜力值最大，半載狀態(tài)其次，空載狀態(tài)最??；當(dāng)船舶船頭承受順向水流時，受力的主要纜繩為船首倒纜和船尾纜；（3）波流共同作用將對船舶的運(yùn)動產(chǎn)生隨機(jī)性影響，二者的效應(yīng)可能相互疊加，也可能相互削弱，這種情況下的系纜力不能簡單認(rèn)為是將水流單獨(dú)作用和波浪單獨(dú)作用下產(chǎn)生的系纜力值合成；當(dāng)順流與橫浪共同作用于船舶時，由于順流對船首（尾）纜和船首（尾）倒纜的作用較為明顯，而橫浪對船首（尾）橫纜的作用卻較大。

3　風(fēng)流共同作用下系纜力評估

對于風(fēng)、流共同作用下船舶系纜力的算法，在我國《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1-2010）［7］中有著明確的規(guī)定。而馬小劍，孫昭晨等人［19］經(jīng)研究認(rèn)為，當(dāng)前我國對系泊船運(yùn)動量及系泊纜繩張力的數(shù)值分析研究依然存在著計(jì)算模型較多的考慮波浪荷載對船舶的作用，水流力的計(jì)算模型較少，并且沒有考慮纜繩的非線性變形影響等問題［20-24］。

針對以上問題，周豐，張志明等人［25］基于力學(xué)平衡理論，建立了系泊船舶在風(fēng)荷載和水流力共同作用下纜繩張力和運(yùn)動量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。采用國際海事論壇（OCIMF）［26］推薦的風(fēng)荷載、水流力計(jì)算公式計(jì)算得到風(fēng)、流對碼頭前船舶的作用力，以及考慮纜繩非線性變形的Wilson公式［27-28］并結(jié)合橡膠護(hù)舷變位與靠泊力之間的非線性關(guān)系，建立力學(xué)平衡的數(shù)學(xué)模型，最終計(jì)算得到了系泊纜繩的系纜張力大小。

馬小劍等人［19］，周豐等人［25］將數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與向溢，楊建民等人［29］采用模型試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗(yàn)證，如圖1、圖2所示。

圖1　流向0o時不同流速下實(shí)測值與計(jì)算值比較Fig.1Measured and calculated values of different flow velocities when the flow direction is 0o

圖2　流速為1.5 m/s時不同流向下實(shí)測值與計(jì)算值比較Fig.2Measured and calculated values of different flow directions when the flow velocity is 1.5 m/s

結(jié)果表明：數(shù)模計(jì)算值與物模實(shí)測值具有較好的一致性，從圖中可以看出，水流流速的變化對纜繩系纜力的影響較為明顯，而對水流流向的變化相對而言不太敏感。馬小劍等人［19］，周豐等人［25］數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果雖然與實(shí)測值得吻合程度較高，但方程的求解過程較為復(fù)雜，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中并不適用，但此評估方法也可作為一種有效的參考依據(jù)，為系泊船舶的安全泊穩(wěn)條件提供一定程度上的技術(shù)支持。

4　風(fēng)浪流共同作用下系纜力評估

在風(fēng)、浪、流共同作用下，外海固定式泊位大型船舶系泊纜繩的受力是一個十分復(fù)雜的問題，針對該問題主要是采取物模試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種有效的評估方法［30-31］。根據(jù)鄒志利，張日向等［36］，姚齊國，范細(xì)秋等［33］，向溢，譚家華［34-35］等學(xué)者的研究表明：外海固定式泊位系泊船舶在風(fēng)、浪、流綜合作用下，能夠保證系纜力不超過纜繩材料自身的破壞強(qiáng)度是船舶安全系泊的重要因素之一。李焱，鄭寶友等人［36］通過物模試驗(yàn)研究了大型開敞式LNG碼頭在風(fēng)、浪、流共同作用下船舶系纜力在不同方向的響應(yīng)，由于試驗(yàn)工況過多，表1僅列出在平均水位、船舶滿載狀態(tài)時的幾種工況。

表1　平均水位、船舶滿載時的工況組合Tab.1Case combination of average water level and ship full load condition

根據(jù)表1中的試驗(yàn)條件，將不同情況下船舶系纜力的實(shí)測值作對比，如圖3～圖6所示（圖中系纜力為同一系船柱上各纜繩的最大值）。

圖3　風(fēng)向不同時系纜力試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3Mooring force results under different wind direction

圖4　波浪要素不同時系纜力試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4Mooring force results under different wave parameters

圖5　水流要素不同時系纜力試驗(yàn)結(jié)果對比（波向?yàn)?o）Fig.5Mooring force results under different current parameters

圖6　水流要素不同時系纜力試驗(yàn)結(jié)果對比（波向?yàn)?0o）Fig.6Mooring force results under different current parameters

從圖3～圖6中可以看出，在各種不同的工況下，各個纜繩的受力狀態(tài)存在著差別，受力變化趨勢呈現(xiàn)“雙峰”狀，其中2、3、5、6、7號系船柱受力較大，表明首（尾）橫纜和尾倒纜為主要受力纜繩。

從圖3中可得，風(fēng)向?yàn)?25°（工況4）、270°（工況2）時的纜繩系纜力值較風(fēng)向?yàn)?0°（工況1）和135°（工況3）的情況大，這是由于工況2、工況4中，船舶迎風(fēng)面積較大，從而使得系纜力增加。而工況1、3中，纜繩系纜力不但不會增加，反而會與波向?yàn)?0°時波浪作用產(chǎn)生的系纜力相互抵消；從圖4中可看出，波向?yàn)?0°（工況2）時的系纜力大于波向?yàn)?°（工況7）的情況，這與實(shí)際相吻合；由圖5中可知，波向?yàn)?°時，纜繩系纜力值在水流流向?yàn)?°（工況5）時較水流流向?yàn)?80°（工況7）時要?。粓D6中，當(dāng)波浪方向?yàn)?0°，水流流向?yàn)?80°時纜繩系纜力大于水流流向?yàn)?95°時的情況（工況1與8、2與9、4與10相對應(yīng)）。

圖7　船舶滿載、壓載狀況下系纜力計(jì)算結(jié)果Fig.7Mooring force results under the condition of ship full load and ballast

圖8　壓載狀況下低、平、高潮系纜力比較Fig.8Mooring force in different tide under the condition of ballast

楊興晏，劉進(jìn)生［37］同樣研究了某大型LNG泊位，運(yùn)用國際著名系纜力軟件OPTIMOOR來計(jì)算并分析了系泊船舶在風(fēng)荷載、水流力及波浪荷載共同作用下滿載和壓載狀況下船舶系纜力大小，并且對比了不同泊位長度對系纜力的影響因素。根據(jù)一定的自然條件參數(shù)計(jì)算得到了在船舶滿載和壓載狀況下各纜繩系纜力的值，分析計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，系纜力最大值出現(xiàn)在7、8、13、14號纜繩上（首橫纜和尾倒橫）。

張日向，劉忠波等人［38］通過模型試驗(yàn)實(shí)測了某5000t級油品泊位在不同工況下系泊船舶在風(fēng)荷載、水流力、波浪力等動力因素共同作用時纜繩的系纜力，表2中列出了試驗(yàn)研究中的幾種代表工況，其中，風(fēng)、浪、流均同方向，風(fēng)級數(shù)均為7級，波周期5.7 s，水流流速1.257 m/s。

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將各種不同工況條件下實(shí)測得到的船舶系纜力值作相互比較，如圖8～圖12所示（圖中系纜力為同一系船柱上各纜繩的最大值）。

表2　試驗(yàn)工況Tab.2Test conditions

圖9　滿載狀況下低、平、高潮系纜力比較Fig.9Mooring force in different tide under ship full load condition

圖10　風(fēng)類型不同時系纜力比較Fig.10Mooring force under different wind types

圖11　波高不同時系纜力比較Fig.11Mooring force under different wave heights

圖12　滿載/壓載狀況下風(fēng)浪流方向不同時系纜力比較Fig.12Mooring force in different wind，wave and current direction under the condition of ship full load ballast

從圖中可總體看出，系纜力分布沿系船柱位置的變化均呈“雙峰”狀，其最大值都是出現(xiàn)在2、4、5號系船柱處（即橫纜或倒纜上），而從系纜力的數(shù)值上看，顯然工況7（高潮位+滿載+吹開風(fēng)）為最不利情況，在碼頭設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將其作為控制工況考慮；從圖8、圖9中可看出，不論是在滿載或壓載狀況下，不同潮位時（高、低、平潮），纜繩系纜力的最大值一般在高潮位，但各系纜力數(shù)值的差別并不大；圖10中，工況7的系纜力較工況6要大，表明在其他條件相同情況下，吹開風(fēng)對船舶系纜力的影響較大，且系纜力最大值出現(xiàn)在首橫纜和尾橫纜處，而吹攏風(fēng)作用下，系纜力最大值則是出現(xiàn)在首橫纜和尾倒纜處；圖11中，當(dāng)其他條件相同時，波高越大，纜繩系纜力的值也將越大；而在圖12中，由于4條曲線比較接近，表明風(fēng)浪流方向的不同且滿載或半載情況對船舶系纜力的影響程度相對偏低，但從系纜力平均值來看，方向?yàn)?0°時系纜力最大值大于方向?yàn)?5°時的結(jié)果，船舶壓載情況下系纜力值大于滿載情況。

5　結(jié)論及展望

船舶系泊安全問題在港口碼頭設(shè)計(jì)中存在著十分重要的意義，本文總結(jié)了國內(nèi)外部分學(xué)者對外海固定式泊位大型船舶系泊安全問題的研究成果，綜合論述了在外海波浪單獨(dú)作用，波浪和水流共同作用，風(fēng)和水流共同作用以及風(fēng)、浪、流綜合作用下的自然環(huán)境下，大型船舶系纜力的理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬評估方法。

（1）在我國，從理論分析的角度來實(shí)現(xiàn)對大型船舶系纜力的評估的方法較少，國內(nèi)現(xiàn)有的行業(yè)規(guī)范中也僅限于在風(fēng)和水流共同作用的情況。

（2）大多數(shù)的模型試驗(yàn)主要是針對具體的工程項(xiàng)目，通過實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到一些經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式具有一定局限性，在使用過程中必須要滿足特定的系纜方式（主要是系船柱的數(shù)目和纜繩的平面布置）。

（3）數(shù)值模擬方法要求對于理論的理解程度較高，這就使得采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法較為復(fù)雜，其普遍適用程度有待進(jìn)一步提高。當(dāng)然，眾多學(xué)者在數(shù)值計(jì)算過程中也應(yīng)用一些國際通用系纜力計(jì)算的商業(yè)軟件，如ANSYS?AQWA、OPTIMOOR等來進(jìn)行輔助計(jì)算，最后再將計(jì)算數(shù)值與模型試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對比論證。

綜上所述，在港口碼頭設(shè)計(jì)中的行業(yè)規(guī)范上對于船舶系纜力的計(jì)算評估方法還存在著一定的空白和缺陷，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)關(guān)于這方面的理論研究。將國內(nèi)外部分學(xué)者對船舶安全系泊以及船舶系纜力評估方法研究成果在本文中綜合論述，為大型外海固定式泊位，碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，系纜設(shè)施整體布局，船舶系泊安全問題等方面提供有意義的參考。

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浙江首個港口岸線“騰籠換鳥”項(xiàng)目通過交工驗(yàn)收

本刊從交通運(yùn)輸部獲悉，2014年9月，浙江省首個港口岸線“騰籠換鳥”項(xiàng)目寧波市海灣重工有限公司遷建項(xiàng)目工程通過交工驗(yàn)收。項(xiàng)目以岸線資源整合、港區(qū)功能優(yōu)化調(diào)整及老舊碼頭升級改造為切入點(diǎn)，積極推進(jìn)岸線資源集約化利用，總投資4.03億元，于2012年12月23日正式開工，建設(shè)5000t級碼頭1座，包括5000t級出樁泊位和5000t級通用泊位各一座，碼頭年設(shè)計(jì)吞吐量59萬t，使用港口岸線長179 m，后方港區(qū)陸域面積8.22萬m2，目前工程的水工結(jié)構(gòu)、前沿作業(yè)區(qū)和港區(qū)道路等項(xiàng)目皆已全部完工。（殷缶，梅深）

Biography：WU Lin?jian（1990-），male，master student.

中圖分類號：U 656；U 66

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0489-08

收稿日期：2013-10-10；修回日期：2013-11-20

基金項(xiàng)目：重慶交通大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目（20130102）

作者簡介：吳林鍵(1990-)，男，重慶市人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海結(jié)構(gòu)工程方面的研究。

Study of evaluation methods of ship mooring force in stationary berth of open sea

WU Lin?jian1，2，WU Bing?gui3，SHU Dan1，2，LIU Bing?bing1，2，LI Yi2
（1.National Inland Waterway Regulation Engineering Research Center，Key Laboratory of Hydraulic&Waterway Engineering of the Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2.School of River&Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；3.CRCC Harbor& Channel Bureau Group Survey&Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510115，China）

Abstract:In consideration of the important significance of ship mooring safety problems in wharf design，the research achievements of some scholars at home and abroad about the ship mooring safety problems in stationary berth of open sea were summarized in this paper，and the evaluation methods of large ship′s mooring force in the open sea of different meteorological and hydrological environment，such as wave effect，wave and current effect，wind and current effect，and the combined effect of wind，wave and current were discussed comprehensively.The methods include theoretical analysis，model test，and numerical simulation.This paper provides significant refer?ence for the optimization design of large stationary harbor structure of open sea，ship′s mooring facilities overall layout，and ship mooring safety problems，etc.

Key words:open sea;stationary berth;large ships;mooring force;evaluation methods