■劉賓

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州　350004）

福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)1#泊位港池?zé)舾?biāo)設(shè)計(jì)

■劉賓

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

運(yùn)用浮標(biāo)的靜力分析方法，對(duì)福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)1#泊位港池的具體自然條件進(jìn)行分析，確定燈浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)及材料。明確燈浮標(biāo)的設(shè)計(jì)思路，保證了工程設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性及安全性。

燈浮標(biāo)靜力分析一階波浪力錨鏈張力

近年來(lái)，隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，港口數(shù)量增多，港池水域受限，錨泊事故頻發(fā)。燈浮標(biāo)作為標(biāo)示港池水域邊界范圍，保證船舶通航安全的重要設(shè)施，其漂浮半徑及錨塊穩(wěn)定性對(duì)于船舶順利進(jìn)出港具有至關(guān)重要的作用。

由于目前規(guī)范中對(duì)于燈浮標(biāo)受力計(jì)算及沉塊選用多采用經(jīng)驗(yàn)式條文，并未提供具體計(jì)算方案。本工程中海床底質(zhì)為中風(fēng)化巖，且港池與礁盤距離較近，對(duì)燈浮標(biāo)回旋半徑有限制要求，需進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，在保證浮標(biāo)穩(wěn)定的情況下，減少回旋半徑，保證船舶在港池水域內(nèi)的錨泊安全。

1　工程概況

1.1碼頭建設(shè)規(guī)模

福州港羅源灣港區(qū)可門作業(yè)區(qū)1#泊位程建設(shè)規(guī)模為4萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位，水工主體結(jié)構(gòu)按兼靠10萬(wàn)噸級(jí)船舶設(shè)計(jì)。

1.2港池及回旋水域總平面布置

碼頭前沿停泊水域?qū)挾热?5m，設(shè)計(jì)底高程為-16.0m。回旋水域按圓形布置，半徑250m，設(shè)計(jì)底高程-14.5m，部分與羅源灣進(jìn)港航道重疊。

古鼎嶼礁盤位于港池邊界東側(cè)，目前港池內(nèi)的礁盤已開(kāi)炸至-16.0m，港池外礁盤仍保持原地貌。

2　自然條件

2.1工程地理位置

福州港羅源灣港區(qū)南岸可門作業(yè)區(qū)位于福州市連江縣境內(nèi)，港區(qū)地理位置坐標(biāo)為：東經(jīng)119°46′，北緯26°23′。

2.2風(fēng)況

據(jù)連江縣實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)：多年平均風(fēng)速為2.2m/s，最大風(fēng)速為40m/s，全年10～11月常風(fēng)向以東北風(fēng)為主，其余各月常風(fēng)向都是以東南及東南偏南風(fēng)為主，頻率13%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)槲鞅逼鳎畲箫L(fēng)速為40m/s，全年≥7級(jí)風(fēng)日數(shù)平均31.3d，以7月份為最多，平均5.1d。影響本處的臺(tái)風(fēng)以7～9月為最多，臺(tái)風(fēng)引起的最大增水為0.5～1.0m。

2.3水文

羅源灣海區(qū)屬于強(qiáng)潮型海灣，該海區(qū)潮汐屬于正規(guī)半日潮。設(shè)計(jì)水位如下：

設(shè)計(jì)高水位：6.99m（高潮累積頻率10%）設(shè)計(jì)低水位：0.64m（低潮累積頻率90%）極端高水位：8.50m（50年一遇）極端低水位：-0.46m（50年一遇）

2.4波浪

根據(jù)工程需要，福建海洋研究所對(duì)本工程碼頭前沿A點(diǎn)進(jìn)行了波浪分析計(jì)算，其計(jì)算點(diǎn)位置及計(jì)算結(jié)果如圖1、表1所示。

表1　　A點(diǎn)波浪要素計(jì)算成果表

2.5工程區(qū)域流態(tài)

本工程對(duì)排洪溝入?？冢òㄉ钆沤Y(jié)構(gòu)）、碼頭前沿和取水口附近水域共布設(shè)了66個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行流速流向的分層測(cè)定，漲潮期間最大流速為0.81m/s，落潮期間最大流速為1.00m/s。

2.6工程地質(zhì)

本工程航標(biāo)設(shè)計(jì)的地質(zhì)勘察范圍位于港池炸礁區(qū)域，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆孔揭露，場(chǎng)地地層按巖土性質(zhì)自上而下可分為3個(gè)工程地質(zhì)層，現(xiàn)分述如下：

（1）泥質(zhì)碎石：灰黑色，飽和，流塑，淤泥含量約40%～50%，碎石含量約50%～60%。

（2）強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r：灰白色，以長(zhǎng)石、石英為主，原巖結(jié)構(gòu)形態(tài)清晰可辨，巖芯呈碎塊狀結(jié)構(gòu)。

（3）中風(fēng)化凝灰?guī)r：雜色，以長(zhǎng)石、石英、云母為主。晶屑凝灰結(jié)構(gòu)，節(jié)理面出現(xiàn)此生礦物。巖心呈短柱狀，RQD≈51%。

3　方案設(shè)計(jì)

鑒于本工程1#泊位距離東側(cè)的古鼎嶼較近，為確保安全，在古鼎嶼北側(cè)設(shè)置北方位標(biāo)?？紤]到本工程海床底質(zhì)為中風(fēng)化巖，沉塊選擇5t雙沉塊，鏈長(zhǎng)51.72m。詳見(jiàn)圖2。

4　燈浮標(biāo)靜力分析

燈浮標(biāo)受到的水平荷載有風(fēng)荷載，水流荷載及波浪荷載（見(jiàn)圖3）。

4.1風(fēng)荷載

作用于燈浮標(biāo)上的風(fēng)荷載可參考 《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）》。

P=0.613×10-3V2

式中：V為設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）

作用于燈浮標(biāo)上的風(fēng)力F應(yīng)按下式計(jì)算：

F=CkCsSP

式中：P為風(fēng)壓（kPa）；S為浮標(biāo)在正浮或傾斜狀態(tài)時(shí)，受風(fēng)構(gòu)件的正投影面積（m2）；Ck為高度系數(shù)；Cs為形狀系數(shù)。

4.2水流荷載

作用于燈浮標(biāo)上的水流荷載可參考 《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）》。

式中：CD為流拖拽力系數(shù)；ρ為海水的密度（t/m3），對(duì)海水ρ=1.025t/m3；為水流速度；為船舶吃水線以下的橫向投影面積（m2）。

4.3波浪荷載

作用在浮標(biāo)上的波浪力主要有一階波浪力和二階波浪力。一階波浪力使浮標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)波頻運(yùn)動(dòng)，二階波浪力對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)起重要作用的是漂移力。在規(guī)則波中，波浪會(huì)對(duì)浮標(biāo)產(chǎn)生一個(gè)定常漂移力，而在不規(guī)則波中產(chǎn)生的是一個(gè)慢變漂移力，這會(huì)使浮標(biāo)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)低頻運(yùn)動(dòng)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，相對(duì)于二階波浪力，一階波浪力在量值上要大得多，故在本工程靜力分析中主要以一階波浪力的計(jì)算為主。

對(duì)于一階波浪力可采用莫里森公式：

式中：F為小尺度構(gòu)件垂直于其軸線方向單位長(zhǎng)度上的波浪力；FD單位長(zhǎng)度上的曳力；FI為單位長(zhǎng)度上的慣性力；ρW為海水密度；A為單位長(zhǎng)度構(gòu)件在垂直于矢量（u-x.）為曳力系數(shù)；CA為附連質(zhì)量系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)，CM= CA+1；V為單位長(zhǎng)度構(gòu)件的體積，u為垂直于構(gòu)件軸線水質(zhì)點(diǎn)速度分量，當(dāng)海流與波浪聯(lián)合作用時(shí)，u為波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分量；u.為垂直于構(gòu)件軸線水質(zhì)點(diǎn)加速度分量；x.為垂直于構(gòu)件軸線構(gòu)件速度分量；x¨為垂直于構(gòu)件軸線構(gòu)件加速度分量。

4.4錨鏈拉力

錨鏈配置長(zhǎng)度與水深基本是成正比的。一般港內(nèi)的燈浮標(biāo)（浮標(biāo)），其錨鏈一般為水深的2～4倍。但考慮到古鼎嶼與港池邊界距離較近，為避免燈浮標(biāo)回旋半徑過(guò)大撞到礁石，取錨鏈長(zhǎng)度為51.72m。

錨鏈曲線為一懸線，實(shí)用上可用二次拋物線來(lái)代替，足夠準(zhǔn)確。時(shí)，則曲線在水底的切線為水平，當(dāng)時(shí)，則曲線在水底的切線不為水平，錨除受水平力外還承受豎向上拔力的作用。

故錨鏈曲線在水底無(wú)拖地長(zhǎng)度，錨鏈曲線的方程式為：

錨鏈曲線的長(zhǎng)度為：

A點(diǎn)錨鏈與水平線的交角：

該點(diǎn)的錨鏈拉力及其垂直分力均可由下列兩式求出：

海床底質(zhì)為中風(fēng)化巖，沉塊為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，故取摩擦系數(shù)為0.60。選取錨塊重量為 10t，水下重量為56.84kN。計(jì)算得摩擦力設(shè)計(jì)值為f=40.92kN，大于水平拉力設(shè)計(jì)值P=38.45kN，保證了錨塊的穩(wěn)定性。

根據(jù)規(guī)范《浮標(biāo)錨鏈 JT/T 100-2005》，推薦選用鏈徑為38mm的錨鏈，錨鏈拉力標(biāo)準(zhǔn)值為F=48kN，小于374.4kN的拉力試驗(yàn)負(fù)荷，保證了錨鏈不會(huì)發(fā)生裂紋和斷裂現(xiàn)象。

5　結(jié)語(yǔ)

燈浮標(biāo)作為保證船舶通航安全的重要輔助設(shè)施，其穩(wěn)定性及耐久性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。尤其本工程遠(yuǎn)期靠泊船型為30萬(wàn)噸級(jí)散貨船，對(duì)于港池邊界的控制顯得尤為重要。本文從規(guī)范及航標(biāo)處相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)入手，參考船舶錨泊系統(tǒng)的計(jì)算方法，明確了燈浮標(biāo)的靜力分析計(jì)算，為本工程燈浮標(biāo)的選型提供了明確的依據(jù)，保證了工程的安全性，為遠(yuǎn)期靠泊30萬(wàn)噸級(jí)散貨船提供了良好安全的靠泊環(huán)境。

［1］JTS 165-2013，海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTS 145-2015，港口與航道水文規(guī)范［S］.

［3］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規(guī)范［S］.

［4］JT/T 100-2005，浮標(biāo)錨鏈［S］.

［5］GB 4696-1999，中國(guó)海區(qū)水上助航標(biāo)志［S］.

［6］交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.

［7］BEARTUAX H O.浮標(biāo)工程［M］.北京：科學(xué)出版社，1980.

［8］肖越，王言英.浮體錨泊系統(tǒng)計(jì)算分析［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45（5）：682-686.

［9］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范（2012）［EB/OL］.［2013-09-10］.［10］張繼明，范秀濤，張樹剛，萬(wàn)曉正，孫金偉.海洋資料浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)的系泊力計(jì)算［J］.山東科學(xué)，2014，27（2）：19-24.