盧滿紅

（上海中北航務勘察設計有限公司，上海 201114）

系船浮筒是一種設置在水上的浮式系船設施，通常設置在錨地、港池、河港江心或海上，供船舶待泊、防臺、消磁、熏蒸、編解隊等系泊使用。船舶系于浮筒安全省事，占用停泊面積較小，且不妨礙其他船舶航行，因此，系船浮筒在相關水域的應用越來越被推廣。

系船浮筒錨泊系統(tǒng)由浮筒—水下錨鏈—錨錠沉塊系統(tǒng)組成。浮筒頂部設有鋼質卸扣，供系帶船舶之用，并通過水下錨鏈與錨碇沉塊連接。浮筒的水下錨鏈下端與錨碇沉塊相連，上端的末端卸扣穿過浮筒擱置在浮筒上，通過浮筒限制末端卸扣向下的自由度；船用錨鏈（纜繩）則與水下錨鏈頂端的末端卸扣相連，因此，船舶系泊力直接通過水下錨鏈傳遞至錨碇沉塊。系船浮筒的受力體系示意圖見圖1。

圖1 系船浮筒受力體系示意圖

錨碇沉塊是通過錨鏈固定系船浮筒的錨碇結構，通常采用混凝土沉塊、鋼筋混凝土沉塊或鑄鐵沉塊，其外形應能使錨碇抓力增大，且便于施工。錨碇沉塊可直接拋置于海床泥面或埋設于海床泥面下一定深度以提高其錨碇力，確保沉塊不會沿海底滑動發(fā)生傾覆或從海底被拉起。

在整個受力體系中，船舶在風、浪、流等作用下的荷載，最終會傳遞到錨碇沉塊，因此，錨碇沉塊是系船浮筒設計的關鍵性節(jié)點。

目前關于錨碇沉塊的計算，國內現行設計規(guī)范有兩處可供參考，本文將對國內現行的不同規(guī)范、相關參考文獻及國外規(guī)范關于錨碇沉塊的計算方法進行對比分析。

1 國內現行規(guī)范錨碇沉塊的計算方法及比對

1.1 國內現行規(guī)范計算方 法

1.1.1 《碼頭結構設計規(guī)范》[1]（JTS 167-2018）關于浮碼頭躉船錨抓力的計算方法

根據《碼頭結構設計規(guī)范》（JTS 167-2018）附錄U，躉船用錨應根據躉船的工作性質、水文及地質條件等，按錨鏈拉力的水平分力和所采用錨型的抓力系數確定錨的質量。錨的質量可按下式計算：

式中，G—錨的質量（kg）；T—錨鏈拉力的水平分力（kN）；η—錨的抓力系數，根據規(guī)范表格U.0.6選取，錨抓力系數η 取值表見表1；

表1 錨抓力系數η 取值表

②表中數值均適用于土壤中等密實狀況，當土壤松散時，數值可減少10%～25%，密實時可增加10%～25%，但帶★號數值不應減少，帶★★數值不應增加。

該公式給出了錨體質量G 與錨鏈水平分力T 之間的關系式，錨抓力系數η 隨不同的土質及埋設情況選取不同數值。經分析，該公式僅考慮了錨鏈水平分力，未考慮錨鏈豎向分力對錨碇力的不利影響，對錨體豎向抗拉力未做驗算。因此，該方法較適用于錨體僅承受水平拉力的情況，即錨鏈曲線在水底的切線為水平向或錨鏈有適量的拖地長度，類似于《海港錨地設計規(guī)范》[2]中的懸鏈線錨腿系泊方式。此外，該公式中錨抓力系數也未能反映出錨碇力與埋深之間的變化規(guī)律。

1.1.2 《海港錨地設計規(guī)范》[2]（JTS/T 177-2021）關于錨碇沉塊計算方法

根據《海港錨地設計規(guī)范》（JTS/T 177-2021），系船浮筒按受力特點可分為懸鏈線錨腿系泊和單錨腿系泊兩種形式。錨地系船浮筒宜采用單錨腿系泊形式，該系泊方式假定在船舶系纜力作用下錨鏈處于直線的靜力簡化模型。懸鏈線錨腿系泊示意圖見圖2，單錨腿系泊示意圖見圖3。

圖2 懸鏈線錨腿系泊示意圖

圖3 單錨腿系泊示意圖

對于單錨腿系泊形式，錨碇沉塊應進行抗拔、抗滑穩(wěn)定驗算；埋入土中的錨碇沉塊，覆蓋土重可按倒梯形體計算，錨碇沉塊計算圖示見圖4。

圖4 錨碇沉塊計算圖示

錨碇沉塊底面為正方形時，抗拔、抗滑穩(wěn)定按下列公式計算：

式中，YF—錨鏈拉力分項系數，系泊狀態(tài)取1.40，非系泊狀態(tài)取1.50；

F—錨鏈拉力標準值（kN）；

YA—結構抗拔調整系數，取1.5；

YG—自重力分項系數，取1.0；

G—錨碇塊覆蓋土重力標準值（kN）；

W—錨碇塊浮重力標準值（kN）；

YB—結構抗滑調整系數，取1.15；

H—錨碇塊摩擦力設計值（kN）；

f—錨碇塊與地基摩擦系數；

Y—覆蓋土重度（kN/m3）；

h—覆蓋土厚度（m）；

b—破土面邊長；

a—錨碇塊底面邊長；

該計算方法給出了埋入式錨碇沉塊的浮重W 及覆蓋土的重力G 與錨鏈拉力F 之間的關系式，從設計應用的角度，計算參數取值明確，具有良好的操作性。但是，該規(guī)范公式抗拔驗算未考慮沉塊上部覆蓋土體的剪切力，也未考慮底部凹型的埋入式沉塊實際上具有很大的“吸力”（尤其是黏性土）的有利因素；抗滑驗算也未考慮埋入式沉塊側面土體的摩擦力（或黏結力）以及沿滑動方向土體產生阻擋的有利作用，總體上較保守。

1.2 國內現行規(guī)范錨碇沉塊計算對比分析

1.2.1 放置于海床表面的錨碇沉塊

以砂性土海床為例，對比《碼頭結構設計規(guī)范》和《海港錨地設計規(guī)范》的計算公式不難發(fā)現，對于放置于海床表面的錨碇沉塊，《碼頭結構設計規(guī)范》鋼筋混凝土蛙錨抓力系數取1.5，即錨抓力可達到沉塊質量的1.5 倍；而《海港錨地設計規(guī)范》則按重力式構件進行抗滑驗算，對砂性土抗滑系數取0.6，而沉塊水下重量（即浮重力）約為水上重量的0.6 倍，由此可推算出沉塊抗滑穩(wěn)定作用的水平錨抓力僅為沉塊質量的0.36 倍。

1.2.2 埋入式錨碇沉塊

對于埋入式錨碇沉塊，無法直接從兩本規(guī)范的公式看出二者之間計算結果的差異，因此，結合某文獻提到的10 萬噸級系船浮筒案例的受力情況（僅引用該案例錨鏈受力大小及土質情況），采用兩本規(guī)范進行驗算和對比分析。

案例中10 萬噸級錨地系船浮筒的錨鏈拉力為2590kN，水平力為2421kN，豎向分力為921kN。錨碇沉塊為鋼筋混凝土埋入式沉塊，呈棱臺形，地質條件為砂性土。根據此設計條件，分別進行錨碇沉塊試算。

1.2.2.1 《碼頭結構設計規(guī)范》計算方法

置于砂性土的埋入式沉塊，錨抓力系數取3.0。根據水平分力與錨抓力系數關系，計算埋入式沉塊質量需80.7t（重量807kN），即沉塊尺寸選取底邊長5.5m、頂邊長2.5m，高2.0m 可滿足受力需求。

1.2.2.2 《海港錨地設計規(guī)范》計算方法

根據規(guī)范試算，錨碇塊覆土高度按沉塊高度的2 倍選取，錨碇塊尺寸按底邊長9.0m、頂邊長4.0m，高3.0m選取，沉塊質量需332.5t（重量3325kN）方可滿足抗滑、抗拔要求，其中抗滑穩(wěn)定為控制因素。

1.2.3 結果對比分析

（1）經對比，不管是放置海床表面的錨碇沉塊，還是埋設于海床泥面下的埋入式沉塊，按《碼頭結構設計規(guī)范》錨抓力系數方法計算所需的錨碇沉塊質量，均小于《海港錨地設計規(guī)范》的抗拔、抗滑驗算方法計算所需的錨碇沉塊質量，且差異較大。

（2）國內現行兩本規(guī)范關于錨鏈水平分力的驗算原理各不相同，前者采用經驗錨抓力系數方法，后者采用類似于重力式構件的抗滑穩(wěn)定驗算方法；按其計算原理，《碼頭結構設計規(guī)范》計算方法適用于懸鏈線錨腿形式，《海港錨地設計規(guī)范》適用于單錨腿形式。但是，懸鏈線錨腿和單錨腿兩種形式的區(qū)別，僅在于系船浮筒和錨碇點兩個位置處錨鏈拉力的計算方法和計算結果的差異，而錨碇沉塊錨抓力的大小則取決于沉塊的重量及與土體間的相互作用，與錨鏈形式并不相關，二者關于錨抓力計算結果存在的較大差異，給設計人員帶來了困惑。

2 相關文獻提出的計算方法

2.1 典型文獻提出的計算方法

文獻《水下嵌入式混凝土錨體錨碇力試驗研究》[3]《工程力學》第24 卷第11 期（2007年11月）（以下文獻[3]）基于物理模型試驗，采用正交試驗設計分析方法，定量地研究了土質、埋深、拉力角度、錨型等因素對水下嵌入式混凝土錨體錨碇力的影響程度和規(guī)律，在此基礎上提出了一套水下埋入式沉塊錨碇力計算公式。

式中，G—錨體穩(wěn)定水上重量（kN）；kH—水平抗拉力安全系數，取kH=2.0；k1—混凝土錨體水上重量和水下重量的比值；kV—豎向抗拉力安全系數，取kV=1.5；η—錨抓力系數，定義為錨體在土中的水平極限抗拉力與錨體水上自重的比值，與錨體埋置深度、土質有關；由物理模型試驗得出錨抓力系數η 與埋深倍數n 的關系式：

V—錨體承受的豎向分力（kN），當計算V ＜0 時，取V ＝0：

V1—土對混凝土錨體底面的黏結力或吸附力：V1=Ap

V0—埋置錨塊上覆土重：

式中，T—錨鏈拉力設計值（kN）；α—拉力角度，即錨鏈在泥面處仰起角；γ—覆土重度(kN/ m3)；A—錨碇塊體底面積（m2）；h—錨體高度（m）；p—土與混凝土面間單位面積上的黏結力或吸附力（kN/m2）。

從該公式表現形式看，其括號內第一項與《碼頭結構設計規(guī)范》錨抓力公式基本相同，其括號內第二項為考慮沉塊抗拔驗算。該經驗公式具有以下優(yōu)點：

（1）表達形式簡單，物理意義明確；

（2）同時考慮了水平和豎直方向穩(wěn)定所需的錨體重量，取大值作為錨碇重量的設計值；

（3）對于水平抗拉力采用傳統(tǒng)的錨抓力系數，且錨抓力系數能夠反映埋深倍數、土質等不同因素的影響；

（4）對豎向抗拉力采用理論解析法，為錨碇塊體上覆土重和黏性土對錨體底面黏結力之和。

2.2 文獻[3]計算結果對比分析

2.2.1 計算結果

仍以1.2.2 中的案例為例，采用文獻[3]計算方法進行試算：錨碇沉塊按照覆土高度為2 倍沉塊高度，錨抓力系數為n=3*3=9，水平抗滑安全系數kH 取2.0，沉塊尺寸選取底邊長5.0m、頂邊長2.0m，高1.6m，即沉塊重量約需58.5t（重量585kN）可滿足抗滑、抗拔要求。

2.2.2 結果分析

該結果與《碼頭結構設計規(guī)范》計算值相對較為接近，但由于上述經驗公式僅出自文獻[3]，錨抓力系數值與其物理模型實驗的條件息息相關，其正確性和權威性尚需進一步驗證，目前尚不能作為推廣應用的計算公式。因此，在實際工程應用時，建議對該方法計算得出的結果僅作為參考或復核之用。

3 國外相關標準計算方法

3.1 英國標準《海工建筑物》[4]（BS6349）計算方法

3.1.1 計算方法

英國標準《海工建筑物》第六分冊《近岸錨泊和浮式建筑物設計》（BS 6349-6），關于錨效率計算，表達式如下：

按BS 6349-6 中表6，給出了不同錨型的錨效率大概變化范圍。對于重塊式錨，錨效率為0.3～0.5；無桿錨為2.0～5.0，有桿錨為5.0～10.0，大抓力錨為10.0～30.0。

該計算方法，與交通運輸部《碼頭結構設計規(guī)范》錨抓力計算方法類似，存在同樣的缺陷。對于混凝土沉塊錨體，錨效率僅給出錨體沉放與水底泥面的情況，對于埋入式錨體，沒有給出建議值，更不能反映出土質、埋深等不同錨效率的變化規(guī)律。

3.1.2 與國內規(guī)范對比

對于重塊式錨，錨效率為0.3～0.5；《海港錨地設計規(guī)范》放置于海床表面的錨碇沉塊抗滑驗算結果與其基本接近。

對于有桿錨，錨效率為5.0～10.0；《碼頭結構設計規(guī)范》單抓錨抓力系數取值與其亦基本一致。

3.2 日本港口設施技術標準[5]

3.2.1 計算方法

日本的港口設施技術標準對混凝土塊體錨體的錨碇力計算規(guī)定如下：

當土質為黏性土時，錨體的水平方向抗拉力為混凝土塊體底面和側面的土壤黏結力加上被動土壓力與主動土壓力之差值；錨體的豎直方向抗拉力為混凝土塊體的水下重量與覆蓋土的水下重量之和。

當土質為砂性土時，錨體的水平方向抗拉力為混凝土塊體底面的土壤摩擦力加上被動土壓力與主動土壓力之差值；錨體的豎直方向抗拉力為混凝土塊體水下重量與覆土的水下重量之和；并指出錨碇塊體錨碇力安全系數不小于1.2。

該標準比較全面提出了混凝土塊體錨碇力的計算理論，考慮了水平和豎直方向的抗拉力；在該標準中同時強調了現場試驗的重要性。

3.2.2 與國內規(guī)范對比

《海港錨地設計規(guī)范》抗拔抗滑驗算總體思路基本與日本港口設施技術標準一致。但《海港錨地設計規(guī)范》并未區(qū)分砂性土和黏性土，統(tǒng)一按照摩擦力考慮，僅考慮沉塊上部覆蓋土體的重量，總體上偏保守。

4 總結及建議

4.1 分析總結

（1）目前國內外規(guī)范、文獻關于系船浮筒錨碇沉塊的計算，基本上分為兩種計算方法，即經驗錨抓力系數方法和類似于重力式構件的抗滑穩(wěn)定驗算方法，抑或是兩種方法的結合。

（2）不同計算方法之間的差異，主要為錨抓力系數取值、沉塊上部覆蓋土重量計算方法和是否考慮沉塊與周邊土體的有利因素等方面，導致各方法的計算結果存在較大差異。

4.2 相關建議

通過上述對錨碇沉塊計算的對比分析，提出以下幾點建議：

（1）鑒于目前國內不同規(guī)范計算結果差異較大，設計人員在規(guī)范和參數選取時，需根據具體工程合理論證。對于大型或超大型船舶的系泊浮筒，倘若沉塊一旦走錨帶來的風險和損失較大，因此，埋入式沉塊錨碇力取值至關重要。為確保工程安全和結構可靠，建議設計人員采用不同方法進行驗算，同時滿足《碼頭結構設計規(guī)范》和《海港錨地設計規(guī)范》相關規(guī)定的要求；必要時建議采用有限元數值模擬的方法做補充驗證。

（2）《海港錨地設計規(guī)范》埋入式沉塊抗滑驗算僅考慮沉塊底部摩擦力，未考慮沉塊側面摩擦力和正面土體抵抗力及沉塊底部凹型構造增加的“吸力”等有利因素，結果總體偏于保守。鑒于埋入式沉塊與土體之間相互作用機理尚難以完全通過靜力學方式模擬，建議后續(xù)規(guī)范修訂時，參照日本標準，經充分研究論證后，抗滑驗算補充考慮側面土體的有利作用。

（3）《碼頭結構設計規(guī)范》和《海港錨地設計規(guī)范》關于錨鏈水平分力的驗算，方法存在差異，前者采用經驗錨抓力系數方法，后者采用類似于重力式構件的抗滑穩(wěn)定驗算方法。實際上，懸鏈線錨腿和單錨腿兩種形式的區(qū)別，僅在于浮筒和錨碇點兩個位置錨鏈拉力計算方法和計算結果的差異，對于埋入式沉塊錨抓力的大小，二者理應相同。因此，作為同一行業(yè)內兩本不同規(guī)范，建議后續(xù)規(guī)范修訂時，統(tǒng)一兩本規(guī)范關于錨碇驗算的計算方法，避免出現不同規(guī)范之間結果差異較大的情況，給設計人員應用規(guī)范帶來困惑。