黃宣軍，李澤，孫運(yùn)佳，莫忠璇

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

1 研究背景

智利圣文森特國際碼頭位于智利首都圣地亞哥以西約108 km，距離智利第二大城市康賽普西翁西北側(cè)13 km。2010年智利康塞普西翁發(fā)生里氏8.8級(jí)地震，致使圣文森特國際碼頭結(jié)構(gòu)及堆場(chǎng)受到了一定程度的損壞，影響到碼頭的正常運(yùn)營，工程項(xiàng)目除了修復(fù)在地震中被損壞的碼頭泊位及基礎(chǔ)設(shè)施外，還將新建一個(gè)碼頭泊位[1]。由于工程附近海域涌浪較多，嚴(yán)重影響了打樁船施工作業(yè)的質(zhì)量和進(jìn)度。為此需開發(fā)適用于涌浪作用下的沉樁工藝及裝備，包括利用打樁平臺(tái)[2]或者改裝船舶的錨泊系統(tǒng)，提高船舶在涌浪、中長(zhǎng)周期波浪作用下的作業(yè)能力。本文研究的打樁船錨泊系統(tǒng)改裝方案為四點(diǎn)錨固方案，該方案總體思路是在船體四角的海底沉入4個(gè)錨錠，并通過錨鏈與船體四角液壓缸連接，方案示意圖如圖1所示，通過施加預(yù)拉張力增加船舶吃水，增強(qiáng)船體的抗浪性，提高船舶作業(yè)能力。本文通過物理模型試驗(yàn)，研究打樁船四點(diǎn)錨固方案在不同波浪作用下6個(gè)自由度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和錨纜力，對(duì)該方案的可行性和合理性進(jìn)行技術(shù)論證和綜合評(píng)估。

圖1 四點(diǎn)錨固方案示意圖Fig.1 Diagram of four point anchorage scheme

2 物理模型試驗(yàn)研究

1）船型參數(shù)

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》等[3-5]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1頤50。研究采用的打樁船基本尺寸及模型參數(shù)詳見表1。

表1 打樁船基本尺寸Table1 The dimensionsof pile driving vessel

2）錨泊方式

船舶自帶移船定位液壓錨絞車8臺(tái)，船艏4臺(tái)，船艉4臺(tái)，定位錨規(guī)格為重量5 175 kg的AC-14大抓力錨，每個(gè)錨配備長(zhǎng)700 m、直徑39 mm的鋼絲繩，各錨泊纜繩的初始預(yù)張力為10 t；四點(diǎn)錨固用的錨鏈為鏈徑90 mm的三級(jí)無檔錨鏈，錨鏈拉力試驗(yàn)負(fù)荷為255 t，破斷試驗(yàn)負(fù)荷為510 t[6]，每節(jié)長(zhǎng)度27.5 m、重量4.45 t，順浪、橫浪下的錨泊方式詳見圖2。

圖2 船舶錨泊方式圖Fig.2 Anchoring system of pile driving vessel

3）試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況按4根錨鏈的預(yù)張力分為4種工況，分別是錨鏈預(yù)張力為0 t、90 t、182 t和219 t，不同錨鏈預(yù)張力下船舶的吃水增加值也不同，錨鏈預(yù)張力為90 t、182 t和219 t條件下對(duì)應(yīng)的船舶吃水增加值為0.317 m、0.635 m和0.762 m。

試驗(yàn)波浪分為0毅浪和90毅浪，波浪要素根據(jù)工程海域?qū)嶋H波浪特性分為Hs=0.5 m，Tp=12 s、14 s； Hs=0.8 m，Tp=9 s、12 s；Hs=1.0 m，Tp=6 s、9 s；Hs=1.2 m，Tp=6 s。風(fēng)速為 13.8 m/s（6級(jí)風(fēng)上限），流速為1.2 m/s，風(fēng)向、流向與浪向相同。

3 試驗(yàn)結(jié)果

1） 0毅浪試驗(yàn)

在0毅浪作用下，主要是對(duì)船舶的縱移量和縱搖角影響較大，具體試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過四點(diǎn)錨固裝置增加船舶吃水后，船舶的縱搖角明顯減小。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，吃水增加0.317 m，船舶的縱搖角比改造前減小了56%以上；吃水增加0.635 m，船舶的縱搖角比改造前減小了78%以上；吃水增加0.762 m，船舶的縱搖角比改造前減小了80%以上；說明四點(diǎn)錨固方案增強(qiáng)了船舶的穩(wěn)定性，提高船舶的作業(yè)能力，且各錨鏈預(yù)張力為90 t即吃水增加0.317 m時(shí)，效果就很明顯，隨著運(yùn)動(dòng)量的減小，各錨纜力總體上也有所減小。

由表1可見，增加四點(diǎn)錨固裝置后，滿足船舶運(yùn)動(dòng)量臆0.5 m、搖角臆2毅的波浪條件是：Hs臆0.5 m，Tp臆12 s；Hs臆0.8 m，Tp臆9 s；Hs臆1.2 m，Tp臆6 s。

2） 90毅浪試驗(yàn)

在90毅浪作用下，主要是對(duì)船舶的橫移量和橫搖角影響較大，通過四點(diǎn)錨固裝置增加船舶吃水0.317 m后，船舶橫移量和橫搖角也明顯減小。具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，吃水增加了0.317 m，船舶的橫移量相比改造前減小了17%~29%，船舶的橫搖角相比改造前減小了38%~87%。圖3為相同波浪作用下，不同船舶吃水增加值條件下船舶橫移量和橫搖角的變化情況。

表2 0毅浪作用下試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test resultsunder the action of waveson 0毅direction

表3 90毅浪作用下試驗(yàn)結(jié)果Table3 Test results under the action of waves on 90毅direction

圖3 船舶橫移量、橫搖角隨吃水增加值的變化規(guī)律Fig.3 The changetrend of the ship'sswaying and rolling with draught increase

從圖3中可以看出，相同90毅波浪作用下，通過施加錨鏈力增加船舶吃水的方法能夠明顯降低船舶的運(yùn)動(dòng)量。但是若滿足船舶運(yùn)動(dòng)量臆0.5 m、搖角臆2毅的作業(yè)條件并未明顯改善。

3）增加錨泊纜繩預(yù)張力試驗(yàn)

除了增加錨鏈的預(yù)張力外，試驗(yàn)又進(jìn)行一項(xiàng)增加船舶錨泊纜繩的預(yù)張力來提高船舶作業(yè)能力的研究。增加后的錨泊纜繩預(yù)張力為30 t。試驗(yàn)工況分為原吃水和吃水增加0.635 m兩種，試驗(yàn)波浪主要為90毅浪作用。表4為90毅浪作用下，錨泊纜繩預(yù)張力由初始10 t增大到30 t后的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。由表中可以看出，錨泊纜繩預(yù)張力增大后，能夠進(jìn)一步降低船舶的運(yùn)動(dòng)量。

表4 不同錨泊纜繩預(yù)張力的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of different anchor cable pretension

原吃水條件下，在Hs=1.0 m，Tp=6 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預(yù)張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了15%和26%；在Hs=1.0 m，Tp=9 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預(yù)張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了17%和33%。

吃水增加0.635 m后，在Hs=1.0 m，Tp=6 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預(yù)張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了20%和37%；在Hs=1.0 m，Tp=9 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預(yù)張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了21%和33%。此外，滿足船舶橫移量臆0.5 m、橫搖角臆2毅的波浪條件是Hs臆1.0 m，Tp臆6 s。需要說明的是，預(yù)張力的增大能有效降低船舶的運(yùn)動(dòng)量，但同時(shí)也明顯增大了船舶的錨泊纜力，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操船過程中可適度增大船舶錨泊纜繩預(yù)張力，以達(dá)到降低運(yùn)動(dòng)量和控制錨泊纜力之間的平衡，條件允許情況下，可適當(dāng)增大船舶本身的錨纜系統(tǒng)，增強(qiáng)船舶的抗浪作業(yè)能力。

4 結(jié)語

如何保證和提高打樁船等施工船舶在外海波浪特別是涌浪作用下的作業(yè)能力，是海外工程施工工藝首要考慮的因素之一。本文通過對(duì)打樁船四點(diǎn)錨固方案的試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

1）增加錨鏈的預(yù)拉力，增加船舶吃水后，船舶的運(yùn)動(dòng)量特別是搖擺角明顯減小。

2）在四點(diǎn)錨固方案的基礎(chǔ)上，增加船舶錨泊纜繩的預(yù)張力能夠進(jìn)一步減小船舶的運(yùn)動(dòng)量，提高船舶的作業(yè)條件。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操船過程中可適度增大船舶錨泊纜繩預(yù)張力，以達(dá)到降低運(yùn)動(dòng)量和控制錨泊纜力之間的平衡，條件允許情況下，可適當(dāng)增大船舶本身的錨纜系統(tǒng)，增強(qiáng)船舶的抗浪作業(yè)能力。

4）通過本項(xiàng)目研究得到，在錨碇合理計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用四點(diǎn)錨固方案提高船舶的整體穩(wěn)定性、抗浪性和作業(yè)能力是完全可行的。