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(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

利用駁船進(jìn)行滾裝裝卸重大件貨物時(shí)，駁船的系泊、穩(wěn)性、強(qiáng)度以及壓載水調(diào)整等問(wèn)題均是整個(gè)裝卸過(guò)程的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者為此開(kāi)發(fā)了單船適用的計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)[1-2]，但尚未就這些系統(tǒng)對(duì)不同貨種和船型的適用性開(kāi)展研究。因此，如何根據(jù)貨物、車輛、駁船、碼頭,以及潮汐等各方面的實(shí)際情況，合理地制定裝卸計(jì)劃，使操作原理和方法簡(jiǎn)潔易懂，且保證各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范的要求則顯得尤為重要。本文給出了較為簡(jiǎn)潔易懂的駁船滾裝原理和方法，并通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證方法的有效性。

1 基本原理

1.1 潮汐計(jì)算

根據(jù)潮汐理論，潮高計(jì)算方法如下[3]。

(1)

(2)

式中：h為任意時(shí)刻潮高；hL為低潮潮高；hH為高潮潮高；θ= (t·180°)/T，為漲潮某時(shí)刻距離低潮的相位角；θ′= (t′·180°)/T′，為落潮某時(shí)刻距離高潮的相位角；T和T′分別是漲潮和落潮周期；t和t′分別為漲潮和落潮的時(shí)間段(通常以分鐘數(shù)表示)。

1.2 吃水計(jì)算

在滾動(dòng)裝卸貨時(shí)，駁船艉部應(yīng)始終與碼頭平面保持平齊，才能保證平板車順利上下船。因此，根據(jù)碼頭高度和實(shí)際水深確定干舷大小，進(jìn)而確定船舶吃水。我國(guó)陸基高程采用“1985國(guó)家高程基準(zhǔn)”，與海圖深度基準(zhǔn)有一定的面差，計(jì)算時(shí)應(yīng)給予考慮。潮高和船舶吃水的關(guān)系見(jiàn)圖1計(jì)算如下。

d=D-(H+A-h)

(3)

式中：d為船舶吃水；D為船舶型深；H為碼頭高度；A為海圖基準(zhǔn)面和1 985高程基準(zhǔn)面的面差。

目前，駁船滾動(dòng)裝卸貨物采用的平板車通常為重型液壓平板車(self-propelled modular trailers，SPMT)。為滿足工程需求，重型平板車均配有自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)陸路運(yùn)輸時(shí)由于路面坡度、轉(zhuǎn)彎、剎車、風(fēng)載、路面不平等原因?qū)π熊嚢踩斐傻碾[患[4]。在進(jìn)行駁船滾動(dòng)裝卸時(shí)，由于潮汐和貨物裝卸原因，駁船甲板面會(huì)與碼頭平面產(chǎn)生高度差，盡管重型平板車配有自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，但為保證安全，應(yīng)盡量將駁船與碼頭的高度差縮至最小[5]。在滾裝實(shí)踐中，通常將兩個(gè)面的高度差控制在5 cm以內(nèi)[6]。

1.3 淺水限制

在某些小型港口，碼頭水深不足，對(duì)駁船大小和載貨重量都會(huì)產(chǎn)生限制，在進(jìn)行裝貨作業(yè)時(shí)，需留有足夠的富余水深，以保證完貨后能順利開(kāi)航。

Dw+h-dm>UKC

(4)

式中：Dw為海圖水深；dm為平均吃水；UKC為富余水深。

2 裝卸方式計(jì)算

2.1 前后調(diào)整壓載水控制貨物裝卸

駁船系固后，船舶甲板的高度會(huì)隨著潮水的漲落而發(fā)生周期性變化。貨物滾裝上船后，駁船艉部吃水會(huì)明顯增加，導(dǎo)致艉部會(huì)低于碼頭平面，需將壓載水從艉部調(diào)整到艏部才能保持駁船艉部始終與碼頭平齊。如在這期間潮水上漲，則可以減少壓載水的調(diào)整量，有利于裝貨。所以，若想在裝卸貨期間利用潮水，則可選擇在漲潮時(shí)進(jìn)行裝貨、落潮時(shí)進(jìn)行卸貨。

以壓載水前后調(diào)整來(lái)控制船舶艉部吃水是目前大多數(shù)駁船操作中采用的裝卸方式，對(duì)于碼頭水深充足、碼頭高程適中的港口均適用。

2.1.1 滾裝計(jì)算

當(dāng)貨物滾裝上船后，裝貨和潮水均會(huì)引起船舶吃水變化。第二軸貨物上船時(shí)，第一軸貨物整體向前平移，第二軸貨物填補(bǔ)第一軸的位置。由于貨物組每軸重量和軸距是均勻分布的，這相當(dāng)向距船尾第二個(gè)軸距的位置裝載了一軸貨物，而已上船的貨物位置沒(méi)變；第三軸貨物上船，相對(duì)于向距船尾第三個(gè)軸距的位置裝載了一軸貨物，依此類推。根據(jù)船舶相關(guān)原理[7]，則有

(5)

(6)

式中:dAi為第i軸貨物滾裝上船后的艉吃水；di為裝貨前艉部吃水初始值，由式(3)求得；pi為第i軸貨物重量，通常為均值，裝貨為正；xpi為pi與船中距離；L為船長(zhǎng)；xfi為第i軸貨物上船時(shí)船舶漂心坐標(biāo)；TPCi為第i軸貨物上船時(shí)每厘米吃水噸數(shù)；MTCi為第i軸貨物上船時(shí)每厘米縱傾力矩；a為平板車軸距。

在裝載第i軸貨物期間，潮水會(huì)發(fā)生變化，為順利裝載第i+1軸貨物，保證船舶艉部始終與碼頭保持平齊，由式(3)可知，需將艉部吃水調(diào)整為第i+1軸貨物上船初始時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的吃水，則

(7)

(8)

(9)

(10)

滾動(dòng)裝貨時(shí)，可將駁船按照預(yù)定的方案加好壓載水，提前將艉部吃水調(diào)整到預(yù)定值，待潮水上漲至尾部與碼頭平齊后，便可以開(kāi)始裝貨。

通常，成套的工程設(shè)備需要多個(gè)重型平板車分批次滾裝上船，第一批貨物整體上船后，需要縱向調(diào)整位置，以給后續(xù)貨物留足上船空間?？v向調(diào)整貨物，按下式計(jì)算艏艉吃水：

(11)

(12)

(13)

式中：δt為貨物整體移動(dòng)引起的吃水差變化量；XP1和XP0分別為貨物移動(dòng)前后距船中距離；PC為貨物整體重量；df0和df1分別為貨物移動(dòng)前后的艏吃水；da0和da1分別為貨物移動(dòng)前后的艉吃水。

2.1.2 滾卸計(jì)算

滾卸計(jì)算與滾裝計(jì)算原理相似，但略有不同。首先，艉吃水要求不同。需將漲潮時(shí)所要求達(dá)到的艉吃水值換成落潮時(shí)所要求的艉吃水值。其次，卸貨與裝貨的位置不同。通常，進(jìn)行滾裝卸貨之前需將貨物整體移動(dòng)至船艉，以第一軸貨物與船艉平齊為初始狀態(tài)。第一軸下船會(huì)帶動(dòng)后續(xù)所有貨物整體向船艉移動(dòng)一個(gè)軸距，最后一軸空間空出，這相當(dāng)于從距船艉最后一個(gè)軸距的位置卸載了一軸貨物，而其余貨物位置沒(méi)變；第二軸貨物下船，相當(dāng)于從距船艉倒數(shù)第二個(gè)軸距的位置卸載了一軸貨物，依此類推。則式(5)中pi應(yīng)為卸載貨物總重，取負(fù)值；卸貨位置為

(14)

除了上述區(qū)別之外，其他計(jì)算與式(7)～(10)相同。相應(yīng)準(zhǔn)備工作也相似，將駁船壓載水布置好后，艉部可略高于碼頭，待潮水降到艉部與碼頭平齊后，便開(kāi)始卸貨。

2.2 打排壓載水控制貨物裝卸

當(dāng)碼頭水深不足，或碼頭高程較大，或兩者兼有之時(shí)，以打排壓載水控制裝卸貨，可以保證船舶整體吃水相對(duì)穩(wěn)定。這則要求，貨物裝卸需在潮水水位較高、變化率較小時(shí)進(jìn)行的，所以在工程實(shí)踐中，往往利用相對(duì)平穩(wěn)的高潮時(shí)段進(jìn)行貨物裝卸。

2.2.1 滾裝計(jì)算

進(jìn)行滾動(dòng)裝貨時(shí)，在進(jìn)行壓載水調(diào)整之前的步驟與式(5)～(8)相同，壓載水調(diào)整由下式進(jìn)行計(jì)算。

(15)

以這種方式進(jìn)行滾動(dòng)裝貨時(shí)，雖然各項(xiàng)準(zhǔn)備工作與之前相同，但應(yīng)該對(duì)潮水的高潮時(shí)段有較好的把握，若載水可調(diào)整的空間較小，且高潮時(shí)段過(guò)去后仍未完成貨物裝卸，可能會(huì)引起較大的危險(xiǎn)。另外，這種裝貨方式相當(dāng)于在船舶重心減少重量、重心之上增加重量，與其他方式相比，這種裝貨方式對(duì)船舶穩(wěn)性影響較大，如果貨物組整體重心較高，應(yīng)該對(duì)穩(wěn)性問(wèn)題給予充分考慮，保證安全。

2.2.2 滾卸計(jì)算

由于滾裝和滾卸均是在高潮時(shí)段進(jìn)行的，所以相關(guān)計(jì)算原理與準(zhǔn)備工作與上述相同。

2.3 僅依靠潮水進(jìn)行貨物裝卸

僅依靠潮水進(jìn)行滾動(dòng)裝卸貨物具有裝卸貨時(shí)間較長(zhǎng)、對(duì)潮汐精度要求較高、可控因素較少、駁船噸位相對(duì)較大等特點(diǎn)，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較少，可用作上述裝卸方式的備用方案或應(yīng)急方案。計(jì)算原理較為簡(jiǎn)單，由式(5)和(6)(或(5)和(14))計(jì)算出每一軸貨物上船(或下船)所對(duì)應(yīng)的艉吃水，再根據(jù)式(3)，由計(jì)算出的艉吃水值求出該軸貨物上船(或下船)的時(shí)間，直至全部貨物上船(或下船)。

國(guó)內(nèi)一些港口就采用此方法進(jìn)行滾動(dòng)裝卸，“潮水漲一點(diǎn)，車輛滾一點(diǎn)”，有些甚至尚未提前制定完備的裝卸貨方案，這是有一定風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)椴捎么朔N方法裝卸貨，至少還需滿足如下條件。

1)潮差足夠大。足夠大的潮差才能將貨物裝載產(chǎn)生的艉部吃水變化量抵消，因此，對(duì)于某些中小型港口采用滾裝方式裝卸重大件貨物時(shí)，存在等候大潮的情況。

(16)

式中：PC為整個(gè)滾裝貨物組總重；XC為整個(gè)滾裝貨物組上船后距離船中的坐標(biāo)；xf為整個(gè)滾裝貨物組上船前后船舶漂心坐標(biāo)的平均值；TPC為整個(gè)滾裝貨物組上船前后每厘米吃水噸數(shù)的平均值；MTC為整個(gè)滾裝貨物組上船前后每厘米縱傾力矩的平均值。

2)潮汐周期足夠長(zhǎng)。潮汐周期足夠長(zhǎng)，裝卸貨時(shí)間充足，漲潮和落潮的速度也相對(duì)平緩，整個(gè)滾裝貨物組才能一軸一軸地緩慢滾動(dòng)上船，操作人員也有較充分的時(shí)間做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

3)單軸重量不會(huì)使得駁船上下浮動(dòng)超限值。由于有要求在裝卸貨期間，碼頭與駁船艉部上下浮動(dòng)不超過(guò)5 cm，這對(duì)滾裝貨物組單軸貨物重量產(chǎn)生了限值，最多從高于碼頭5 cm裝至低于碼頭5 cm。因此，要求在選擇駁船時(shí)，需選擇滿載TPC值較大的船舶。

dAi-dAi-1<0.10

(17)

4)吃水差不超過(guò)限額。限于某些港口規(guī)范要求，貨物裝卸貨期間，船舶吃水差不應(yīng)超過(guò)限值，從而對(duì)貨物重量有了限定。為了裝運(yùn)較重的貨物，則需租賃更大的駁船。再者，在進(jìn)行滾動(dòng)裝貨時(shí)，船舶吃水差增加較大，滾裝貨物和船舶整體在縱傾條件下離岸力會(huì)增加，應(yīng)注意縱傾對(duì)船舶系泊力的影響[8]。

(18)

式中：|tlimit|為港口對(duì)裝卸貨期間吃水差的限值。

3 運(yùn)輸案例

3.1 基本參數(shù)

天津港某日潮汐數(shù)據(jù)、碼頭和貨物數(shù)據(jù)、駁船相關(guān)參數(shù)分別見(jiàn)表1～3。駁船壓載艙布置見(jiàn)圖2。

表1 天津港某日潮汐數(shù)據(jù)

表2 碼頭及貨物數(shù)據(jù)

表3 駁船參數(shù)

3.2 初始載況

駁船進(jìn)行良好系固后，貨物將從船舶艉部沿著中線滾裝上船。由于碼頭的富余水深充足，為保證裝貨效率和安全性，采用前后調(diào)整壓載水的方式來(lái)控制貨物裝卸。根據(jù)貨物、碼頭和駁船的實(shí)際情況，將駁船的第1、第4和第7左右邊壓載艙加壓載水，其余各壓載艙空置備用。壓載水布置和初始載況各項(xiàng)參數(shù)分別見(jiàn)表4和表5。

表4 初始?jí)狠d水布置情況

表5 初始載況各項(xiàng)參數(shù)

3.3 裝貨方案

計(jì)算得到，7:26-8:28期間潮高和要求的尾吃水值見(jiàn)表6。該港在裝貨當(dāng)天早07:26分時(shí)，潮高是2.158 m，要求的艉吃水是1.658 m，與船舶初始載況對(duì)應(yīng)的艉部吃水僅差1 mm，可選定為第一軸開(kāi)始上船的時(shí)刻。為了避免滾裝貨物組上船時(shí)速度過(guò)大帶來(lái)的問(wèn)題，選擇以4 min的時(shí)間間隔作為每軸上船的時(shí)間，即每4 min向前移動(dòng)1.55 m。

表6 裝貨期間潮高數(shù)據(jù)

為計(jì)算每軸貨物上船時(shí)壓載水的調(diào)整量，每次將壓載水從第7邊壓載艙調(diào)整至第1邊壓載艙或第1中部壓載艙，則式(9)中l(wèi)wi=64.965 m。由于船舶橫傾對(duì)安全操作影響較大，滾裝貨物組從船舶尾部沿著甲板中線平行滾裝上船的同時(shí)，每次調(diào)整壓載水時(shí)，選擇左右舷均衡操作，即將第7壓載艙和第1壓載艙左右舷的排水管系同時(shí)開(kāi)通，嚴(yán)格避免出現(xiàn)橫傾。根據(jù)上述內(nèi)容，裝貨方案如表7所示。另外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在整個(gè)裝貨過(guò)程中的船舶穩(wěn)性、總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度均滿足要求。利用上述方法，駁船裝載完該組貨物后，第二天又順利完成了第二批貨物的滾裝作業(yè)。

表7 滾動(dòng)裝貨方案

4 相關(guān)建議

1)如實(shí)際條件允許，盡量用壓載水控制船舶的浮態(tài)，這樣較容易控制且裝卸貨效率高。

2)對(duì)于某些潮差比較大的港口，謹(jǐn)慎選擇裝卸貨時(shí)間段，盡量選擇在白天進(jìn)行作業(yè)，且保證裝卸貨的過(guò)程是可控的。

3)選擇合適的天氣和海況進(jìn)行裝卸作業(yè)，風(fēng)力一般不大于5級(jí)，輕浪或微浪[1]。

4)對(duì)于重量較大的滾裝貨物組，應(yīng)保證碼頭和過(guò)橋梁的強(qiáng)度。注意裝卸過(guò)程中波浪對(duì)過(guò)橋梁坡度和平板車的影響。建議將絞纜機(jī)開(kāi)啟，以便維持駁船與碼頭的相對(duì)位置[9]。

5)本文所提及的裝貨方法是縱向滾裝，即滾裝貨物組從駁船艉部沿著中線左右舷對(duì)稱滾裝上下船，壓載水調(diào)整也是左右舷對(duì)稱調(diào)整，是目前較為通用的做法。當(dāng)限于港口條件等原因進(jìn)行不對(duì)稱滾動(dòng)裝卸，或者當(dāng)進(jìn)行橫向滾裝時(shí)，建議根據(jù)滾裝貨物組所允許的最大道路坡度來(lái)設(shè)定所允許的船舶縱傾和橫傾值，并依次計(jì)算壓載水的調(diào)整方案。因?yàn)椋谶M(jìn)行重大件貨物陸路運(yùn)輸規(guī)劃時(shí)，為保證車輛牽引力和制動(dòng)力的有效性，需要對(duì)重型平板車的貨物組所允許的最大道路坡度進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算[10-11]。通常，重型液壓平板車所允許的最大道路坡度與驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)，貨物組質(zhì)量和路面滾動(dòng)摩擦系數(shù)(對(duì)于船舶而言通常為定值)有關(guān)，貨物組質(zhì)量小、驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)越多，所允許的最大道路坡度越大[12]。如果裝船的貨物組的質(zhì)量較大、驅(qū)動(dòng)輪個(gè)數(shù)較少，則所允許的船舶傾斜值較小，制訂裝卸計(jì)劃時(shí)，需要額外注意，需多次調(diào)整壓載水。

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