肖鑫，盧昭

（中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007）

1 背景

隨著港口建設(shè)逐漸往深海及國外發(fā)展以及優(yōu)質(zhì)岸線的逐漸減少，擬建區(qū)域波浪條件的復(fù)雜性日益增加。非洲西部、拉美西部海域受長周期波影響較為明顯。長周期波在港口工程一般指周期30 s 以上的波浪，一般包括次重力波（碎波拍）、副震蕩、海嘯、潮汐等[1]。我國JTS 165—2013《海港總體設(shè)計規(guī)范》中只給出了波周期小于8 s 的船舶作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。因此，對于波周期大于8 s 以上的海況，船舶泊穩(wěn)的分析都需要進(jìn)一步研究論證。

長周期波容易導(dǎo)致船舶運(yùn)動量增大，甚至斷纜，對系泊穩(wěn)定及作業(yè)安全產(chǎn)生較大的影響，因此長周期波作用下的船舶系泊問題日益受到工程人員的重視。

碼頭前沿船舶泊穩(wěn)分析通常采用2 種方法進(jìn)行：物理模型試驗和數(shù)學(xué)模型試驗。針對于長周期波作用下的整體物理模型試驗，為了將自然地形對長周期波的影響考慮進(jìn)去，需要選擇相對較大的試驗水池，因此整體物模試驗受限于實(shí)驗室港池的尺寸，且費(fèi)用較高。相比較而言，數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢較為明顯，時間成本及費(fèi)用均較為可控。國內(nèi)工程中通常采用OPITMOOR 軟件進(jìn)行系泊分析[3]，其主要基于靜態(tài)模型，因此適用于波浪條件較好的碼頭。對于長周期波影響的碼頭，波浪條件復(fù)雜，更適于采用動態(tài)模型的系泊軟件進(jìn)行模擬，MIKE21MA 是丹麥DHI 公司開發(fā)的計算系泊船舶響應(yīng)的軟件，該軟件可以準(zhǔn)確預(yù)測各種復(fù)雜情況下的系泊船舶運(yùn)動量和系纜力。該軟件可以將DHI 開發(fā)的波浪模塊和流場模塊的結(jié)果直接導(dǎo)入，操作便捷，且具有可視化的特點(diǎn)。本文應(yīng)用MIKE21MA 軟件通過波浪周期、入射角度等方面，研究長周期波作用下對泊穩(wěn)的影響，得出波高保持不變的情況下，纜繩受力及船舶運(yùn)動量隨著波浪周期的增加而增加；在波浪周期不變的情況下，纜繩受力及船舶運(yùn)動量隨入射波高的增加而增加的結(jié)論，為類似工程提供參考。

2 原理

MIKE21MA 是DHI 公司開發(fā)的計算系泊船舶響應(yīng)的軟件，共有2 個計算模塊：FRC 模塊和系泊計算模塊。FRC 模塊主要輸入條件為：船舶網(wǎng)格數(shù)據(jù)。計算出的船型文件和響應(yīng)數(shù)據(jù)帶入到系泊計算模塊中[4]。系泊計算模塊主要輸入條件分為材料特性（纜繩、護(hù)舷、系船柱）、船型文件、纜繩、護(hù)舷、系船柱位置設(shè)置、受風(fēng)浪流影響的環(huán)境條件等。

3 模型

3.1 工程實(shí)例

以國外某集裝箱碼頭項目為例，碼頭長度500 m，碼頭面頂高程4 m，碼頭前沿水深-17.8 m。碼頭為順岸式結(jié)構(gòu)，有16 個靠船墩，6 個系纜墩。碼頭為樁基結(jié)構(gòu)，西側(cè)和南側(cè)設(shè)斜坡堤。設(shè)計集裝箱船型參數(shù)為：船長350 m，型寬35 m，型深14 m。纜繩布置見圖1。其中L1—L6，L13—L18 為橫纜；L7—L12 為倒纜。

圖1 纜繩布置圖Fig.1 Cable layout

纜繩采用聚丙烯材質(zhì)，直徑為88 mm，破斷拉力108.5 t，最大系纜力不得超過75%破斷力。護(hù)舷采用錐形護(hù)舷，護(hù)舷的極限荷載為170.6 t。滿載集裝箱船運(yùn)動量限制標(biāo)準(zhǔn)參考國際航運(yùn)協(xié)會PIANC 中的規(guī)定[5]，見表1。

表1 船舶運(yùn)動量限制標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Limitation standard for vessel movement

3.2 波浪條件

通過對工程區(qū)外海-25 m 處30 a 后報的波浪要素進(jìn)行分析，波高波向和波高周期頻率分布統(tǒng)計，見表2 和表3。

表2 30 a 后報數(shù)據(jù)波高波向聯(lián)合頻率分布Table 2 Joint frequency distribution of wave height and direction of 30-year hindcast data%

表3 30 a 后報數(shù)據(jù)波高周期聯(lián)合頻率分布Table 3 Joint frequency distribution of wave height and period of 30-year hindcast data %

從表2 波高分布可以看出：1.4 m 以下波高占比48.68%，1.4～2.2 m 占比46.21%，2.2 m 以上占比最小為5.11%。從波向分布可以看出波浪角度主要集中在210°～225°占比78.6%。由表3 周期分布可以看出，12～14 s 波浪占比最大為37.3%，其次是14～16 s 波浪占比35.64%，10～12 s 波浪占10.89%。本案例中受風(fēng)、流影響較小，不予考慮，下文以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究[6-8]。

采用MIKE21BW 建立模型。計算地形采用四邊形網(wǎng)格，尺寸大小為7.5 m×7.5 m 網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1 280×726，計算步長為0.1 s。碼頭位置參考圖2。關(guān)于反射系數(shù)，樁基結(jié)構(gòu)取0.5，自然岸灘取0.1，其他邊界取0.3～0.4。

圖2 BW 計算地形Fig.2 Topography calculation by BW model

首先將工況所需的波浪條件設(shè)置后帶入BW模型，將計算得到的二維波浪結(jié)果，作為外部環(huán)境條件帶入MA 模型，時間步長0.4 s 每組工況計算時長為3 h。

3.3 工況

根據(jù)表2 波高波向聯(lián)合頻率分布，210°～225°方向波浪較為集中，因此，BW 入射波浪角度為225°（從正北順時針計），BW 模型計算出的瞬時水面波動結(jié)果作為波浪輸入條件帶入MA 模型，分析船舶運(yùn)動量及纜繩受力情況。入射波浪在碼頭前沿波高約在0～0.3 m 之間。

3.3.1 周期對系泊的影響

先通過BW 模型計算出入射波高2.5 m 周期10 s、12 s、14 s、16 s 的二維波浪分布情況，波浪入射方向與碼頭岸線垂直，纜繩預(yù)張力15 t。計算結(jié)果見表4 和圖3。

圖3 不同周期情況下系纜力對比Fig.3 Comparison of mooring force under different periods

表4 不同周期情況下運(yùn)動量對比Tabe 4 Comparison of motion under different periods

與表1 對比，除了16 s 橫蕩超過PIANC 限制外，其余各指標(biāo)均在PIANC 范圍內(nèi)，但是可以看出各運(yùn)動量有隨波浪周期增大而加強(qiáng)的趨勢。

以纜繩75%破斷力（78 t）為參考指標(biāo)，各工況纜繩均未超限，但纜繩受力有隨波浪周期增大而加強(qiáng)的趨勢，其中，倒纜L7—L12 增加幅度較大。

3.3.2 波高對泊穩(wěn)的影響

先通過BW 模型計算出入射波高1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m 周期14 s 的二維波浪分布情況，入射方向與碼頭岸線垂直，纜繩預(yù)張力15 t。計算結(jié)果見表5 和圖4。

表5 不同入射波高情況下運(yùn)動量對比Table 5 Comparison of motion under different incident wave heights

圖4 不同入射波高情況下系纜力對比Fig.4 Comparison of mooring force under different incident wave heights

與表1 對比，雖然各指標(biāo)均在PIANC 范圍內(nèi)，但是可以看出各運(yùn)動量有隨波浪波高增大而加強(qiáng)的趨勢。

以纜繩75%破斷力（78 t）作為參考指標(biāo)，各工況纜繩均未超限，但纜繩受力有隨波浪波高增大而加強(qiáng)的趨勢。小于2.2 m 波高情況第2 組首尾纜（L4—L6，L13—L15）受力較大，大于2.2 m后，倒纜（L7—L12）受力增加較快。

4 結(jié)語

1）MIKE21MA 軟件是一種全時域系泊分析軟件，可以得出時域內(nèi)各種復(fù)雜情況下的系泊船舶運(yùn)動量和系纜力。同時與Mike 波浪軟件協(xié)調(diào)性較好。波周期的計算范圍可以覆蓋從短波到長周期波浪。

2）波高保持不變的情況下，纜繩受力隨著波浪周期的增加而增加。各纜繩系纜力隨波浪周期的增加而增加，其中倒纜相比其他纜繩增加幅度較大，本算例中，各纜繩均未超過纜繩破斷力。

3）船舶運(yùn)動量隨入射波高的增加而增加。各纜繩系纜力隨波高的增加而增加，隨著波高的增加，由于受力的分配，倒纜相比其他纜繩增加明顯。