郭科，劉志遠(yuǎn)，佟德勝

兩艘不超過5萬噸級貨船同時?？看a頭作業(yè)的系泊試驗研究

郭科1，3，劉志遠(yuǎn)2，3，佟德勝2，3

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；3.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津300222）

結(jié)合工程實際，在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用條件下，研究船舶單獨作業(yè)以及與另一艘船舶同時?？坑诖a頭兩種情況下船舶的運動狀態(tài)以及系纜力大小的差別，分析一條船的?？繉λ芯看白鳂I(yè)狀態(tài)的影響，為今后碼頭運營、船舶系泊與操控作業(yè)提供參照與指導(dǎo)。研究表明單獨?？颗c同時停靠兩種情況下，所研究船舶的運動量和纜力數(shù)值相差不大，因此同時?？康膬纱g總體上受彼此的影響較小?？刂苾煞N船同時?？?，外界條件需要滿足小船能夠作業(yè)，在此基礎(chǔ)上大船也能滿足。

船舶系泊物理模型試驗；系泊作業(yè)；運動量；系纜力；撞擊力

0 引言

我國港口建設(shè)事業(yè)正在快速發(fā)展，針對5萬噸級及以下船舶在外界荷載作用下的動力響應(yīng)特性、合理系纜方式、安全作業(yè)和安全系泊的外界荷載條件的試驗研究具有指導(dǎo)意義。依托廈門某港區(qū)通用泊位工程，碼頭泊位長度應(yīng)滿足多種運量船舶組合?？康囊?，按對目前貨種運輸進(jìn)行分析，同時停靠1艘5萬噸級散貨船和1艘1萬噸級雜貨船或同時?？?艘4萬噸級雜貨船和1艘2萬噸級雜貨船的組合考慮較為合理[1]。試驗中，在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用條件下，需比較船舶單獨作業(yè)以及另一艘船舶同時?？坑诖a頭兩種情況下船舶的運動狀態(tài)以及系纜力大小的差別。

中交天津港灣工程研究院有限公司至今已經(jīng)開展了數(shù)十項關(guān)于船舶系泊作業(yè)的物理模型試驗研究，并取得了相當(dāng)豐碩的成果[2-3]。國內(nèi)關(guān)于雙船同時停靠碼頭系泊作業(yè)的研究極少，羅偉[4]通過物理模型試驗研究了上海外高橋造船基地一艘17.5萬噸級好望角散貨船和一艘10.5萬噸級阿芙拉油輪的并排系泊作業(yè)，對外界動力條件下大型雙船系泊作業(yè)提供參考，為系泊系統(tǒng)的深入研究打下基礎(chǔ)。張龍等[5]通過模糊層次分析法，針對曹妃甸單點系泊改造項目中雙船近距離系泊作業(yè)面臨的風(fēng)險問題開展了研究，得到重要風(fēng)險因素并提出改進(jìn)措施以保障工程船舶施工作業(yè)安全。

1 研究條件與方法

1.1 研究條件

1.1.1 試驗船型及裝載度

試驗船型共4種，包括5萬噸級散貨船、4萬噸級雜貨船、2萬噸級雜貨船以及1萬噸級雜貨船，船舶裝載度包括滿載、壓載。各船型的基本尺度及動力參數(shù)見表1。

表1 各試驗船型基本尺度及動力參數(shù)表Table 1Principal dimension and dynamic parameter of each cargo ship

1.1.2 碼頭平面布置

通用泊位工程碼頭泊位長422 m，碼頭采用重力式結(jié)構(gòu)。碼頭上總共布置了16個2 500 kN的系船柱以及22組防沖護(hù)舷。

1.1.3 纜繩規(guī)格及布置方式

5萬噸級散貨船系纜方式為3-3-2，采用的纜繩為尼龍纜，纜繩直徑80 mm，單根纜繩的破斷力為900 kN，允許張力為495 kN，初始張力為80 kN。4萬噸級雜貨船系纜方式為3-3-2，采用的纜繩為尼龍纜，纜繩直徑為60 mm，單根纜繩的破斷力為520 kN，允許張力為286 kN，初始張力為50 kN。2萬噸級雜貨船與1萬噸級雜貨船系纜方式均為3-2-2，采用的纜繩均為尼龍纜，纜繩直徑為52 mm，單根纜繩的破斷力為390 kN，允許張力為215 kN，初始張力為50 kN。

1萬噸級雜貨船和5萬噸級散貨船同時停靠時的系纜布置見圖1，2萬噸級雜貨船和4萬噸級雜貨船同時停靠時的系纜布置見圖2。

圖11 萬噸級雜貨船和5萬噸級散貨船同時停靠時的系纜布置Fig.1Mooring line arrangement of 10 000-ton general cargo ship and 50 000-ton bulk carrier docking at the same port

圖22 萬噸級雜貨船和4萬噸級雜貨船同時?？繒r的系纜布置Fig.2Mooring line arrangement of 20 000-ton general cargo ship and 40 000-ton general cargo ship docking at the same port

1.1.4 護(hù)舷規(guī)格及布置形式

碼頭采用錐形1150H標(biāo)準(zhǔn)反力型（R0）橡膠護(hù)舷，布置形式為三鼓一板垂直型。護(hù)舷設(shè)計反力3 114 kN，設(shè)計吸能1 998 kJ。

1.1.5 波浪要素

波向：90°橫浪（接近實際NE向浪）。各波向下碼頭泊位處（碼頭前半倍船寬處）的波浪要素見表2。

表2 碼頭泊位處波浪要素表Table 2Wave parameters of the berth

1.1.6 風(fēng)要素

風(fēng)向包括吹開風(fēng)、吹攏風(fēng)；風(fēng)速為13.8 m/s（6級風(fēng)）。

1.1.7 潮流要素

漲潮流：艉流，與碼頭軸線夾角3°，流向309°，流速0.7 m/s；落潮流：艏流，與碼頭軸線夾角3°，流向139°，流速0.7 m/s。

1.2 研究方法

模型按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規(guī)程》[6]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行模擬，確定本次整體物理模型的幾何比尺λ為80，進(jìn)行正態(tài)比尺模型試驗。

首先根據(jù)給定的系纜方式，按每組纜繩的初始力將船舶系泊于碼頭；風(fēng)、流對系泊船舶的作用力用計算掛重法進(jìn)行模擬[7-8]，然后造波，測定船舶運動量、系纜力及護(hù)舷撞擊力、撞擊能量。

25 萬噸級散貨船和1萬噸級雜貨船作業(yè)試驗結(jié)果及分析

2.15 萬噸級散貨船試驗結(jié)果

2.1.1 單獨作業(yè)時

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=1.2 m、周期s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.97 m，最大橫搖為2.44°。各纜繩的纜力均沒有超過纜繩的允許張力。

2.1.2 與1萬噸級雜貨船同時?？繒r

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=1.2 m、周期s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.98 m，最大橫搖為2.83°。各纜的纜力均沒有超過纜繩的允許張力。相關(guān)試驗結(jié)果見表3。

表35 萬噸級散貨船主要試驗結(jié)果匯總表Table 3Test results of 50 000-ton bulk carrier

2.21 萬噸級雜貨船試驗結(jié)果

2.2.1 單獨作業(yè)時

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=0.8 m、周期s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.90 m，最大橫搖為2.14°，各纜的纜力均沒有超過纜繩的允許張力。

2.2.2 與5萬噸級散貨船同時停靠時

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=0.8 m、周期s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.92 m，最大橫搖為2.34°。各纜的纜力均沒有超過纜繩的允許張力。相關(guān)試驗結(jié)果見表4。

表41 萬噸級雜貨船主要試驗結(jié)果匯總表Table 4Test results of 10 000-ton general cargo ship

2.3 試驗結(jié)果分析

在滿足5萬噸級散貨船（壓載）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波浪與風(fēng)、流共同作用時，1萬噸級雜貨船（壓載）同時?？坑诖a頭與不?？吭诖a頭兩種情況下，5萬噸級散貨船在同時?？繒r的運動量和系纜力總體上稍大于其在單獨作業(yè)時的運動量和系纜力，但相差較小，由此可見1萬噸級雜貨船的?？繉?萬噸級散貨船的作業(yè)影響較小。

在滿足1萬噸級雜貨船（壓載）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波浪與相應(yīng)風(fēng)、流共同作用時，1萬噸級雜貨船和5萬噸級散貨船均能在碼頭作業(yè)。1萬噸級雜貨船（壓載）單獨作業(yè)以及與5萬噸級散貨船（壓載）同時?？坑诖a頭兩種情況下，1萬噸級雜貨船的運動量以及系纜力差別很小，這是由于在與1萬噸級雜貨船作業(yè)所對應(yīng)的外界荷載作用下，5萬噸級船舶的運動狀態(tài)明顯比1萬噸級的穩(wěn)定，因此說明5萬噸級散貨船的?？繉?萬噸級雜貨船的作業(yè)基本沒有影響。

34 萬噸級雜貨船和2萬噸級雜貨船作業(yè)試驗結(jié)果及分析

3.14 萬噸級雜貨船試驗結(jié)果

3.1.1 單獨作業(yè)時

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=1.0 m、周期=5 s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移0.85m，最大橫搖1.77°。各組纜繩系纜力均沒有超過纜繩的允許張力。

3.1.2 與2萬噸級雜貨船同時?？繒r

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=1.0 m、周期=5 s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.95 m，最大橫搖為1.81°。各纜的系纜力均沒有超過纜繩的允許張力。相關(guān)試驗結(jié)果見表5。

表54 萬噸級雜貨船主要試驗結(jié)果匯總表Table 5Test results of 40 000-ton general cargo ship

3.22 萬噸級雜貨船試驗結(jié)果

3.2.1 單獨作業(yè)時

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及周期=5 s的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，波高H4%=1.0 m時，滿足船舶作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.95 m，最大橫搖為2.41°，各纜的系纜力均沒有超過纜繩的允許張力；波高H4%=0.8 m時，船舶運動量和系纜力均較H4%=1.0 m時小，同樣滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 與4萬噸級雜貨船同時?？繒r

90°橫浪，壓載、設(shè)計高水位5.81 m時，在吹開風(fēng)13.8 m/s、漲潮流0.7 m/s及波高H4%=1.0 m、周期的風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，滿足船舶的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，船舶最大橫移為0.97 m，最大橫搖為2.47°。各纜的系纜力均沒有超過纜繩的允許張力。相關(guān)試驗結(jié)果見表6。

表62 萬噸級雜貨船主要試驗結(jié)果匯總表Table 6Test results of 20 000-ton general cargo ship

3.3 試驗結(jié)果分析

在滿足4萬噸級雜貨船（壓載）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波浪及風(fēng)、流聯(lián)合作用時，2萬噸級雜貨船（壓載）同時?？吭诖a頭與不?？吭诖a頭兩種情況下，同時停靠時4萬噸級雜貨船的運動量和系纜力比其在單獨作業(yè)時的運動量和系纜力略大，但整體上相差較小，因此2萬噸級雜貨船的?？繉?萬噸級雜貨船作業(yè)的影響較小。

在滿足2萬噸級雜貨船（壓載）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波浪及相應(yīng)風(fēng)、流聯(lián)合作用時，2萬噸級雜貨船和4萬噸級雜貨船均能夠在碼頭作業(yè)。比較2萬噸級雜貨船（壓載）單獨作業(yè)以及4萬噸級雜貨船（壓載）同時停靠于碼頭兩種情況，2萬噸級雜貨船的運動量以及系纜力差別很小，這是由于在與2萬噸級雜貨船作業(yè)所對應(yīng)的外力作用下，同時?？繒r4萬噸級雜貨船的運動量沒有2萬噸級雜貨船顯著，因此可以說明4萬噸級雜貨船的停靠對2萬噸級雜貨船的作業(yè)基本上沒有影響。2萬噸級雜貨船在同時?？繒r的運動量和系纜力總體上略微大于其在單獨作業(yè)時的運動量和系纜力，但相差極小。

4 結(jié)語

1）給出了風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下，不同船型的船舶動力特性規(guī)律。在推薦的系纜方式下給出了滿足5萬噸級、4萬噸級、2萬噸級、1萬噸級貨船作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)、浪要素。

2）單獨?？颗c同時停靠兩種情況下，所研究船舶的運動量和纜力數(shù)值相差不大，因此同時停靠的兩船之間總體上受彼此的影響較小。兩種船同時?？看a頭時，如果在滿足大船作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)、浪、流作用時，小船相應(yīng)不穩(wěn)定；如果在滿足小船作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的波浪及風(fēng)、流作用時，兩船則能同時停靠，所以控制兩種船同時?？?，外界條件需要滿足小船能夠作業(yè)，在此基礎(chǔ)上大船也能滿足。

[1]劉志遠(yuǎn).廈門港后石港區(qū)3號通用泊位工程船舶系泊物理模型試驗研究報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2013. LIU Zhi-yuan.Physical model test study report on the mooring of No.3 general berth in Houshi port area of Xiamen Port[R].Tianjin: CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2013.

[2]李文玉.寶山鋼鐵股份有限公司馬跡山礦石中轉(zhuǎn)港擴(kuò)建工程整體波浪物理模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2005. LI Wen-yu.The test report of wave physical model test for Baoshan Iron Steel Co.,Ltd.Majishan ore transshipment port expansion project[R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd., 2005.

[3]李文玉.唐山港曹妃甸港區(qū)礦石碼頭二期工程系泊船舶運動物理模型試驗報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009. LI Wen-yu.The test report of ship mooring physical model test for phase two of Tangshan Caofeidian Port ore terminal engineering [R].Tianjin:CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd., 2009.

[4]羅偉.大型船舶碼頭雙船系泊問題研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009. LUO Wei.Study about two gigantic ships moored at quay[D]. Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2009.

[5]張龍，余建星，周清基，等.基于FAHP的雙船近距離系泊作業(yè)分析研究[J].船舶工程，2013（5）：20-23，39. ZHANG Long,YU Jian-xing,ZHOU Qing-ji,et al.Research on mooring operation of two neary ships based on FAHP[J].Ship Engineering,2013(5):20-23,39.

[6]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S]. JTJ/T 234—2001,Wave model test regulatian[S].

[7]JTS 144-1—2010，港口工程荷載規(guī)范[S]. JTS 144-1—2010,Load code for harbor engineering[S].

[8]PIANC.Guidelinesfor the design of fendersystem2002[S].Belgium: International Navigation Association,2002.

Ship mooring physical model test on two no more than 50 000-ton cargo ships docking at the same port

GUO Ke1,3,LIU Zhi-yuan2,3,TONG De-sheng2,3
（1.CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd., Tianjin 300222,China;3.Key Lab of Hydrodynamic Force Coastal Engineering of CCCC,Tianjin 300222,China）

Combined with the practical engineering,we compared with the differences of motion state and mooring force between separate ship operation and double ships operation on the condition of wind,wave and current effect,and analyzed the influence of the berthing of the other ship on the operation state of this ship,which provides scientific reference and guidance for the actual operation,the ship mooring and the operation of the ship in the future.The studies have shown that difference of the amount of ship movement and mooring force is small between single docking and docked at the same port,so the two ships docked at the same port are less affected by each other as a whole.To control two kinds of ships mooring at the same time,the external conditions need to meet the large ship to work on the basis of the small ship.

ship mooring physical model test;mooring operation;ship movement;mooring force;impact force

U661.7

A

2095-7874（2017）08-0042-05

10.7640/zggwjs201708010

2017-03-16

2017-04-27

郭科（1973—），男，河北邯鄲人，碩士，高級工程師，港口航道與海岸工程專業(yè)，從事港口科研開發(fā)工作。E-mail：guok@ccccyhj.com