郭 宇 潘方豪 李 璐

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

深中通道項(xiàng)目位于珠江中游核心區(qū)域，起于深圳市沿江高速公路機(jī)場互通立交，向西跨越珠江口，在中山市馬鞍島登陸。該項(xiàng)目需要在目標(biāo)海域底部鋪設(shè)沉管從而組成隧道，而工程船將安裝船和沉管運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)海域后，需要先拋錨定位。鑒于作業(yè)海域海況復(fù)雜、河道可作業(yè)區(qū)域有限，同時(shí)下方沉管對接作業(yè)時(shí)精度要求高等原因，因此能夠設(shè)計(jì)出滿足項(xiàng)目實(shí)際需要的錨泊定位系統(tǒng)是項(xiàng)目成功實(shí)施的重要一環(huán)。

1 作業(yè)海域和限制條件

1.1 作業(yè)海域

如下頁圖1所示，深中通道沉管船的主要作業(yè)區(qū)域及用途主要包括三方面：一是位于船廠船塢的深水港池內(nèi)進(jìn)行浮潛作業(yè)，主要用于鋼殼沉管隧道的澆注作業(yè)；二是在珠江航道內(nèi)被拖航，主要用于鋼殼沉管隧道等裝置的內(nèi)河運(yùn)輸任務(wù)，拖航范圍為船塢的深水港池內(nèi)至深中通道輔機(jī)；三是位于珠江航道內(nèi)、靠近深中通道處、開挖的深水下潛坑內(nèi)進(jìn)行浮潛作業(yè)，主要目的是將鋼殼沉管隧道等裝置轉(zhuǎn)移到其他浮運(yùn)水道進(jìn)行對接。

本文主要針對第三個(gè)作業(yè)過程，在C處的浮船塢下潛坑進(jìn)行錨泊定位分析。待托運(yùn)工程船撤走以后，作業(yè)過程分為兩步，第一步是2艘安裝船和沉管一起浮于水面處，第二步是將沉管逐漸下放直至海底實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對接。本文需分別針對這兩種作業(yè)狀態(tài)展開錨泊計(jì)算分析，以設(shè)計(jì)出滿足要求的錨泊定位系統(tǒng)。

圖1 工程船作業(yè)航道全程

1.2 限制條件

從圖2可以看出，雖然下潛坑深22 m，但是下潛坑尺寸只比安裝船尺寸略大，錨泊定位系統(tǒng)的水下部分需要布置到下潛坑外的水底，而周圍水域水深僅為7.5 m。同時(shí)為保證所有錨點(diǎn)都布置在水深7.5 m的航道中，因此各錨索底部錨點(diǎn)距船舯的橫向距離y要滿足以下限制條件：

2 錨泊系統(tǒng)定位能力及強(qiáng)度分析研究

2.1 主尺度和環(huán)境條件

安裝船主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 安裝船錨泊定位處航道圖

表1 安裝船的主尺度參數(shù)

沉管的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)為近長方體，尺寸165 m×46 m×10.6 m，自重73 000 t。

該船所處珠江航道在正常作業(yè)時(shí)環(huán)境參數(shù)如下頁表2所示，風(fēng)、浪、海流同向。正常作業(yè)風(fēng)、浪、流角為 0°～ 90°。

在進(jìn)行系泊定位分析計(jì)算時(shí)，頻譜形式為JONSWAP譜，形狀參數(shù)為1.0，風(fēng)采用1 min定常風(fēng)，流采用定常流。風(fēng)、浪、流方向的定義如圖3所示。

表2 環(huán)境條件參數(shù)

圖3 環(huán)境載荷的作用方向

2.2 錨泊系統(tǒng)時(shí)域耦合分析方法

安裝船及其系泊系統(tǒng)總體運(yùn)動方程為：

式中：M為浮體質(zhì)量矩陣；c為阻尼矩陣；k為剛度矩陣；Fs為靜態(tài)力、Fwf為波頻力、Fsv為低頻慢漂力、Fm為系泊力、Fy為立管力，單位均為kN。耦合分析是將安裝船和錨泊系統(tǒng)看成一個(gè)整體，使這兩個(gè)系統(tǒng)完全被模擬在一個(gè)模型中，考慮風(fēng)浪流的聯(lián)合作用。本文所研究的系統(tǒng)沒有立管力，風(fēng)力和流力按照后文2.6和2.7節(jié)的相關(guān)公式計(jì)算得出。

二階波浪力的近場解可以表示為：

2.3 設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

本船錨泊系統(tǒng)根據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范和美國石油學(xué)會API-RP-2SK 進(jìn)行設(shè)計(jì)。規(guī)范對于動態(tài)分析下錨索校核需要的安全系數(shù)作了規(guī)定，安全系數(shù)是指錨索破斷強(qiáng)度與所受最大張力之比。當(dāng)采用動力分析法時(shí)，錨索張力的安全系數(shù)應(yīng)不小于表3的規(guī)定值。

張力安全系數(shù)F規(guī)定為：

式中：FMBL為錨索的最小破斷強(qiáng)度，kN；Fmax為錨索的最大張力，kN。

表3 極限張力和安全系數(shù)

2.4 錨泊系統(tǒng)布置形式

安裝船錨泊定位作業(yè)時(shí)共有8根錨索，分為4組，每組2根，布置關(guān)于X軸和Y軸均對稱。每組內(nèi)一根錨索與中縱剖面的夾角為45°，另一根錨索與中縱剖面的夾角為135°。安裝船錨泊定位錨索的編號從1號至8號變化，如下頁圖4所示。

圖4 錨泊系統(tǒng)布置圖

考慮到安裝船的作業(yè)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本，錨泊定位系統(tǒng)采用懸鏈線式，每根錨索由全鋼絲繩組成，鋼絲繩的參數(shù)如表4所示。錨索1號至8號拋出長度為180 m，預(yù)張力為250 kN。此時(shí)需查看初始狀態(tài)下的錨泊系統(tǒng)典型橫剖面的單根錨索，在預(yù)張力的作用下時(shí)在下潛坑和附近水底過渡處的位置，Z向是接近水線的，Y向是符合限制的，不會松繩或存在干擾情況。

表4 鋼絲繩參數(shù)

2.5 水動力性能計(jì)算

采用HYDROD軟件計(jì)算安裝船的頻域水動力性能。其中，遭遇浪向?yàn)?～180°，中間間隔15°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據(jù)船體型線圖建立的面元模型如圖5、圖6所示：

圖5 安裝船吊重吃水7 m初始狀態(tài)

圖6 安裝船吊重吃水7 m下放狀態(tài)

計(jì)算出的波浪力包括一階波頻力、二階低頻力和二階平均波浪漂移力。選取部分有代表性的低頻波浪力隨頻率的變化曲線展示如圖7和圖8所示。

圖7 0°浪向下X方向低頻波浪力

圖8 90°浪向下Y方向低頻波浪力

2.6 風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷作為定常力，作用在船體水線以上部分。參照API規(guī)范對首向和側(cè)向風(fēng)載荷的計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Cs為形狀系數(shù)；Ch為高度系數(shù)；Ai為每個(gè)受風(fēng)面的垂向投影面積，m2；Vw為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m·s-1。

2.7 流風(fēng)載荷計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)中，為簡化起見，常將海流和潮流看作是穩(wěn)定的流動，對安裝船的作用力僅是拖曳力。參照API規(guī)范，方形船船體首向或尾向的海流力計(jì)算公式如下：

式中：Fc為首向或尾向海流力，N；S為按船體幾何形狀計(jì)算的除迎流面以外的水下部分濕表面積，m2；A為迎流面垂向投影面積，m2；Cf為摩擦阻力系數(shù)，取（1.5～2）Ns2·m-4；Cs為迎流阻力系數(shù)，Ns2·m-4。迎流面為平面時(shí)，Cs= 1.0，迎流面為半圓形時(shí)，Cs= 0.5；Vc為設(shè)計(jì)流速，m·s-1。

最終計(jì)算出的環(huán)境載荷對系統(tǒng)產(chǎn)生的靜態(tài)作用力如表5、下頁表6所示。

表5 初始狀態(tài)環(huán)境條件下的風(fēng)、浪、流載荷kN

從表中所示的環(huán)境力可以看出，雖然下放狀態(tài)階段的安裝船和沉管總體的受流面積更大，但是因?yàn)橄路艩顟B(tài)的流速為1.03 m/s，小于初始狀態(tài)的流速1.30 m/s，因此最后總的流力反而是小于初始狀態(tài)的，且此時(shí)風(fēng)力也相應(yīng)減少，最后總的環(huán)境力也是小于初始狀態(tài)的，因此只需校核相對危險(xiǎn)的初始狀態(tài)的受力即可。

2.8 錨泊定位分析結(jié)果

在SEASAM-DEEPC軟件中，分別就所要求的環(huán)境條件下以及完整工況和單纜破斷工況下，0°、30°、45°、60°和 90°這 5 個(gè)環(huán)境方向下的系統(tǒng)受力和偏移進(jìn)行計(jì)算。并提取其中最危險(xiǎn)的工況展示如表7所示。參照所需滿足的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，定位分析結(jié)果表明，無論是完整狀態(tài)還是單纜破斷狀態(tài)，安裝船的最大偏移和錨索最大張力均能滿足規(guī)范要求。

表6 下放狀態(tài)環(huán)境條件下的風(fēng)、浪、流載荷kN

表7 安裝船的偏移和錨索張力最大值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié) 語

工程船的作業(yè)區(qū)域多數(shù)集中在淺水海域，且作業(yè)海域海況復(fù)雜多變，實(shí)際的限制條件眾多。本文通過深中通道沉管船的實(shí)際案例對淺水工程船的錨泊定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，給出一套符合規(guī)范要求和項(xiàng)目實(shí)際需要的錨泊定位系統(tǒng)，可供項(xiàng)目順利作業(yè)，并為類似系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。