沈文君,許 可,陳漢寶*,陳松貴,徐亞男

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

碼頭作業(yè)天數(shù)作為海港碼頭設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，它會(huì)影響碼頭裝卸能力的計(jì)算域分析，進(jìn)而影響平面布置方案、碼頭運(yùn)量的預(yù)測(cè)分析等方面。因此準(zhǔn)確評(píng)估損失碼頭作業(yè)天數(shù)有著非常重要的意義[1-2]。

1 概述

碼頭作業(yè)天數(shù)是指在自然條件下的作業(yè)天數(shù)，它等于年日歷天數(shù)減去不利自然條件下不能作業(yè)的天數(shù)。而影響碼頭作業(yè)的不利自然條件主要有浪、風(fēng)、雨、霧、冰等。實(shí)際上，考慮所有自然條件較為精確地計(jì)算損失作業(yè)天數(shù)是非常困難的，因?yàn)榇箫L(fēng)、大浪等不同要素之間可能存在同時(shí)出現(xiàn)的情況，因此一般針對(duì)工程區(qū)域環(huán)境條件特點(diǎn)，選取主要的影響因素進(jìn)行分析?；诒竟こ虆^(qū)域水文氣象條件分析，該工程在波浪因素影響下的損失作業(yè)天數(shù)最為明顯，因此本文著重分析波浪對(duì)損失作業(yè)天數(shù)的影響。

計(jì)算損失作業(yè)天數(shù)時(shí)，目前通常的做法是基于港內(nèi)波浪資料，根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS165-2013)[3]中給出的允許作業(yè)波高，統(tǒng)計(jì)損失概率。

谷文強(qiáng)等[4]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外通用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)研究，給出了各國(guó)規(guī)范中對(duì)于碼頭不可作業(yè)天數(shù)的限制要求。唐敏[5]針對(duì)鐵路輪渡系統(tǒng)作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，提出了合理的鐵路輪渡系統(tǒng)作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法。徐元[6]采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)某一不利自然因子的出現(xiàn)日數(shù)和出現(xiàn)頻數(shù)分別進(jìn)行相當(dāng)于不可作業(yè)天數(shù)的分析，曹兵等[7]使用疊加法綜合分析不利作業(yè)天數(shù)，張素等[8]通過(guò)建立波浪觀測(cè)點(diǎn)與碼頭前沿水域的波浪關(guān)系，進(jìn)而對(duì)波浪影響作業(yè)天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)[6-8]使用的碼頭不利作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均是根據(jù)文獻(xiàn)[3]所得。

以上文獻(xiàn)大多是采用相關(guān)規(guī)范給出的允許作業(yè)波高進(jìn)行作業(yè)天數(shù)的分析，但規(guī)范也對(duì)一些情況進(jìn)行了限制，具體如下：

(1) 《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出不同噸位船舶對(duì)應(yīng)的允許作業(yè)波高有周期的限制，若周期超出范圍，需要做專門(mén)地論證。例如船舶噸級(jí)不超過(guò)10 000 DWT時(shí)，規(guī)范給出的波浪周期不大于6 s，而波浪周期大于6 s的情況則需專門(mén)進(jìn)行分析。耿寶磊等[9]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)14 000 DWT駁船在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，給出了波浪周期12 s時(shí)，駁船的限制工況條件。

(2)規(guī)定小于45°的波浪均為順浪，即小于該數(shù)值的浪向?qū)?yīng)的允許作業(yè)條件相同，但0°～45°范圍內(nèi)的不同角度入射波對(duì)船舶的作用存在較大的差異，全按一種浪向進(jìn)行考慮過(guò)于簡(jiǎn)化。如條件允許應(yīng)盡量細(xì)化，得到不同浪向下船舶的允許作業(yè)波高。而同時(shí)，實(shí)際上90°的波浪為橫浪，規(guī)范規(guī)定波向大于等于45°的波浪均為橫浪，也會(huì)對(duì)某些浪向有所高估，如條件允許也應(yīng)盡量細(xì)化得到不同浪向下船舶的允許作業(yè)波高。

圖1 碼頭平面布置圖Fig.1 The layout plan for wharf

綜上，本文針對(duì)具體工程，聯(lián)合波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算和系泊數(shù)學(xué)模型計(jì)算，得出更為具體的損失作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法。以期該方法可為同類項(xiàng)目的研究提供參考。

2 工程概況

該項(xiàng)目為國(guó)外某沿海電廠，包括碼頭、防波堤、護(hù)岸以及電廠取排水。碼頭采用重力式方塊結(jié)構(gòu)，防波堤及護(hù)岸采用斜坡式實(shí)體堤結(jié)構(gòu)。工程平面布置如圖1所示，共有兩個(gè)碼頭，分別是5 800 DWT 的煤碼頭和10 000 DWT的灰碼頭。

表1 -7 m處波浪分頻分級(jí)表Tab.1 The wave statistics data at -7 m m

3 計(jì)算方法

(1)波浪數(shù)學(xué)模型。

SWAN模型是第三代數(shù)值波浪模型，用于計(jì)算具有淺水和環(huán)境流的沿海地區(qū)的隨機(jī)短峰波。波浪數(shù)學(xué)模型的思路如下：首先基于SWAN模型建立外海波浪數(shù)學(xué)模型，根據(jù)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(-24 m)與SWAN模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，在驗(yàn)證后的模型基礎(chǔ)上，獲取港內(nèi)數(shù)學(xué)模型分析的近岸邊界條件(-7 m)；然后基于Mike21-BW模型，建立港內(nèi)波浪數(shù)學(xué)模型，模擬工程建設(shè)后的波浪場(chǎng)分布，得到碼頭前沿波浪條件。波浪數(shù)學(xué)模型以及-7 m處波浪提取點(diǎn)位置如圖2所示，SWAN計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖3所示。比較時(shí)間為2012年12月12日0:00～2012年12月29日23:00。其中實(shí)線代表模擬結(jié)果，散點(diǎn)代表測(cè)量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，證明SWAN模型可用于本項(xiàng)目的波浪分析，可保證近岸邊界條件的準(zhǔn)確性，-7 m處波浪分頻分級(jí)特性如表1所示。

本工程選取WNW、 NW、 NNW、 N 和 NNE向作為波浪主方向。由于人工島的掩護(hù)，N和NNE方向的波浪發(fā)生概率為0，因此針對(duì)WNW、 NW和NNW 3個(gè)波浪傳播到碼頭前沿的方向通過(guò)BW模型進(jìn)行了模擬分析(見(jiàn)圖4)，得到泊位處的波浪作用角度和比波高數(shù)值(見(jiàn)表2)，其中不同方向?qū)?yīng)的波浪也從波浪數(shù)學(xué)模型獲得。

圖2 波浪數(shù)學(xué)模型以及-7 m處波浪提取點(diǎn)位置Fig.2 Wave numerical model and wave extraction point position at -7 m 圖3 模擬結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)的比較Fig.3 Comparison between simulation results and measurement data

圖4 波浪港內(nèi)分布(2 a一遇) (單位:m)Fig.4 Distribution of wave field in harbor

表2 碼頭前沿的波浪作用方向和比波高值Tab.2 The wave direction and the relative wave height in front of the wharf

(2)系泊數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)波浪模型的結(jié)果，在系泊模型中5 800 DWT煤碼頭選取15°和30°為代表波浪方向進(jìn)行模擬計(jì)算，10 000 DWT灰碼頭選取60°為代表波浪方向進(jìn)行模擬計(jì)算。數(shù)學(xué)模型分為兩大部分：(1)水動(dòng)力分析及模擬(Hydrostar)；(2)船舶系泊過(guò)程的分析與模擬(Ariane)。在Hydrostar模型中的輸入：船舶網(wǎng)格模型文件、重心位置、水深等，建立不同船舶的水動(dòng)力模型(見(jiàn)圖5)，具體船舶模擬參數(shù)見(jiàn)表3。

5-a 5 800 DWT5-b 10 000 DWT圖5 船舶水動(dòng)力模型Fig.5 Hydrodynamic model for barges

在Ariane模型中的輸入：船舶資料、水動(dòng)力特性(由Hydrostar獲得)以及纜繩特性等，根據(jù)系纜布置圖(見(jiàn)圖6)建立整體系泊模型，計(jì)算波浪平均周期為6 s、8 s，0.5～1.2 m一系列的波高作用下的船舶運(yùn)動(dòng)量、纜力以及護(hù)舷撞擊力。最后基于時(shí)域計(jì)算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與PIANC規(guī)范[10](見(jiàn)表4，1995年推薦了可接受的船舶最大運(yùn)動(dòng)量值供參考)，最后得出不同波浪角度、不同周期作用下泊位處的允許作業(yè)波高，見(jiàn)表5。

由于本工程是電廠的煤碼頭，將以抓斗設(shè)備為主，因此運(yùn)動(dòng)量的控制采用抓斗(Cranes)裝卸方式為控制的推薦值。

6-a 5 800 DWT6-b 10 000 DWT圖6 5 800 DWT和10 000 DWT泊位系纜布置示意圖Fig.6 Mooring arrangement for 5 800 DWT and 10 000 DWT

表3 駁船模擬參數(shù)Tab.3 The simulation parameters for barges

表4 常見(jiàn)船舶建議最大允許運(yùn)動(dòng)量推薦值[9]Tab.4 The recommended maximum allowable movements for common vessels

表5 各碼頭允許作業(yè)波高(數(shù)學(xué)模型計(jì)算)Tab.5 The allowable operation wave height(obtained by numerical model) m

表6 各碼頭允許作業(yè)波高(規(guī)范)Tab.6 The allowable operation wave height(provided by standard) m

圖7 損失作業(yè)天數(shù)分析流程圖Fig.7 Flow chart for downtime analysis

從表2可知，煤碼頭三個(gè)方向的波浪作用角度均小于45°，為順浪?；掖a頭三個(gè)方向的波浪作用角度均大于45°，為橫浪。與《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)比可知，對(duì)煤碼頭而言，5 800 DWT船舶在波浪作用角度為15°和30°作用時(shí)，允許作業(yè)波高受周期的影響不太明顯，波浪周期為6 s和8 s時(shí)的結(jié)果相同，均為0.7 m，稍大于規(guī)范數(shù)值。對(duì)灰碼頭而言，10 000 DWT船舶在波浪作用角度為60°作用時(shí)，周期對(duì)允許作業(yè)波高有所影響，波浪周期為6 s時(shí)允許作業(yè)波高為0.5 m，波浪周期為8 s時(shí)允許作業(yè)波高為0.4 m，與規(guī)范相比略有降低。

4 損失作業(yè)天數(shù)分析

損失作業(yè)天數(shù)分析主要基于工程區(qū)域附近測(cè)站在2012年7月～2013年7月的實(shí)測(cè)波浪資料、波浪數(shù)學(xué)模型和船舶系泊數(shù)學(xué)模型結(jié)果。計(jì)算流程圖見(jiàn)圖7。

基于以上思路，將計(jì)算波高與允許作業(yè)波高進(jìn)行比較，當(dāng)泊位前沿的波高大于允許作業(yè)波高時(shí)，該波高對(duì)應(yīng)的頻率值將計(jì)入到損失作業(yè)概率中。將三個(gè)方向?qū)?yīng)的結(jié)果進(jìn)行疊加即可得到損失作業(yè)概率和損失作業(yè)天數(shù)，見(jiàn)表6。作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到的允許作業(yè)波高計(jì)算，得到的煤碼頭損失作業(yè)天數(shù)為8 d，灰碼頭的損失作業(yè)天數(shù)為34 d，見(jiàn)表7；作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的允許作業(yè)波高計(jì)算，得到的煤碼頭損失作業(yè)天數(shù)為10 d，灰碼頭的損失作業(yè)天數(shù)為26 d，見(jiàn)表8，原因主要是煤碼頭經(jīng)過(guò)防波堤的掩護(hù)，所受波浪的作用角度均小于45°，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，允許作業(yè)波高低于規(guī)范值，而煤碼頭船舶由于所受波浪方向角度較大，均大于45°，經(jīng)數(shù)值計(jì)算，允許作業(yè)波高低于規(guī)范值。

表7 各碼頭損失作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)(數(shù)值計(jì)算)Tab.7 The downtime analysis for each berth(numerical calculation) d

表8 各碼頭損失作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)(規(guī)范計(jì)算)Tab.8 The downtime analysis for each berth(standard calculation) d

5 結(jié)論

本文主要基于工程區(qū)域附近測(cè)站實(shí)測(cè)波浪資料、波浪數(shù)學(xué)模型和船舶系泊數(shù)學(xué)模型結(jié)果，綜合分析了碼頭在波浪影響下的損失作業(yè)天數(shù)。首先基于離岸波浪測(cè)站數(shù)據(jù)，分別基于SWAN模型和BW模型得到了港內(nèi)的波浪分布；然后基于BW模型，確定各個(gè)浪向?qū)Υa頭的作用角度，通過(guò)系泊數(shù)學(xué)模型和PIANC對(duì)運(yùn)動(dòng)量的規(guī)定，給出了不同波浪作用角度、不同周期對(duì)應(yīng)的允許作業(yè)波高。最后根據(jù)分頻分級(jí)結(jié)果，疊加各個(gè)方向的損失概率，進(jìn)而得到了作業(yè)天數(shù)。

相比傳統(tǒng)的規(guī)范計(jì)算方法，本研究在波浪資料有限的前提下，能夠較為科學(xué)地針對(duì)工程港區(qū)的波浪條件進(jìn)行分析，為統(tǒng)計(jì)損失作業(yè)天數(shù)提供了可靠的依據(jù)；同時(shí)結(jié)合具體的船型，針對(duì)不同的波浪周期和波浪方向給出了泊位允許的作業(yè)波高，使結(jié)果更為合理和準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)際操作更具有指導(dǎo)意義。