双浮筒系泊能力的计算分析

翁森毅 福建省港航勘察设计院，福建 福州 350002

漳湾作业区大洋临时码头系泊锚地主要为满足2 万吨级散货船安全锚泊、水上装卸作业需要而建设的。根据港口生产要求、自然条件、水文特性、水域条件和船型等因素采用双浮筒系泊。在锚地总平面设计时，依据现行《海港总平面设计规范》进行布置。

1 双点系泊锚地设计程序

确定设计条件、锚地平面布置、系泊力计算、锚链拉力计算、沉锤设计、锚地设备选择。

2 设计条件

2.1 风况

风况:根据三都澳气象站的实测资料统计:常风向为东南向，次常风向南向及西南向，南风向出现频率达17.5%。每年秋季至翌年的初春多为偏北风，风力较大，最大风速28m/s。夏季多东南风，风力较小，最大风速10m/s。

2.2 潮流

根据实测资料，最大涨潮流速0.58 米/秒，流向为东西向，最大落潮流速0.64 米/秒，流向为西东向。回旋水域处最大涨潮流速0.78米/秒，流向为东西向，最大落潮流速1.1 米/秒，流向为西东向。

2.3 波浪

三都澳港区属半封闭海湾，湾口牛角坡至大屿水域宽度3km 左右，口门偏东南向开敞。港内大小岛屿星罗棋布，四周陆域均为海拔300m以上的山脉所环抱，外海波浪难以从口门直接传入湾内，是公认的天然避风良港。根据规范用小风区法推算漳湾公用作业区50 年一遇波要素:H1%=1.83 米，T=3.80 秒，波向为NW 向。

2.4 潮位

根据三都澳多年实测潮位统计资料，本工程特征潮位和设计潮位见下(基准面为1956 黄海平均海平面)。

累计最高潮位:5.25m

累计最低潮位:-4.34m

平均高潮位:3.08m

平均低潮位:-2.27m

最大潮差:8.38m

最小潮差:1.94m

平均潮差:5.35m

2.5 地质

由本工程地质勘察报告揭示，拟设系浮筒位置处底质为淤泥层，土层呈灰色，总体较纯，偶见贝壳碎屑及局部间夹薄层细砂，土体粘性及滑感强，切面较光滑，具腥味，干强度低，韧性低，摇震反应慢，海积成因。流塑，饱和。该土层属高压缩性土，力学强度低，工程性能差。

3 锚地平面布置

3.1 系泊船型

本工程系泊锚地主要为满足2 万吨级散货船水上装卸作业要求。

3.2 系泊水域的尺度

根据《海港总体设计规范》(JTS165-2013)，由于本工程水域宽度受到限制、对泊稳条件较高，故锚地采用双浮筒系泊方式，锚地水域为长方形布置，其平面尺度按下式计算:

式中:r——由潮差引起的浮筒水平偏位(m);每米潮差可按1m 计算;

l——系缆的水平投影长度(m);

B——设计船宽。

计算得，S=241.0，α=100，取S=320，α=106(考虑浮筒位置距离临时码头回旋区域较近，适当放大)。锚地平面见下图。

锚地平面布置图

3.3 系泊水域的水深

根据现行《海港总平面设计规范》相关规定，港内锚地水深不宜小于码头前沿设计水深，本工程锚地设计底高程与大洋临时码头一致，取-9.8m。

根据本工程实测水深地形图，系船锚地水域的水深满足规范要求。

4 系船浮筒系船能力分析

4.1 系泊力计算

本锚地主要为大洋临时码头水上装卸作业使用，根据相关规范要规定，码头六级风时应停止作业，故本锚地按六级风(13.8m/s)为计算风速，计算流速取最大落潮流速1.1m/s，流向为239°。海上波浪虽然对船舶有较大的瞬时冲击力，但是大型船舶系泊时，系船浮筒锚链及系缆绳均会起到明显的缓冲作用，且H1%=1.83m，对大型船舶作用较小，可不予考虑。

⑴作用在船舶上的风压力。船体水面上纵向受风面积较横向受风面积小得多，故当系泊船舶受横向风时，风压作用下的船舶系缆力最大。

⑵作用在船舶上的水流力。本锚地平面布置的走向与水流流向接近，根据《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)，系泊船舶与潮向偏角0°～15°时水流纵向力:

式中:Fyc——水流对船舶作用产生的水流力纵向分力(KN);Cyc——水流力纵向分力系数;ρ——水的密度(t/m3);V——水流速度(m/s);S——船舶吃水线以下的表面积(m2)。

式中:Re——水流对船舶作用雷诺数，Re=VLb/ν

ν——水的运动粘性系数(m2/s)

b——系数

该水域海水温度取25℃，ν 取0.89 ×10-4m2/s，根据潮流资料，水流流速采用V=1.1m/s，根据现行《港口工程荷载规范》，系泊船舶方型系数Cb取0.825，b 取0.009。

计算得出:Re=VLb/ν=3.1 ×105

又船舶吃水线以下的表面积S=1.7LT+CbLB=6115m2

计算得出船舶受潮流作用产生的纵向水流力:

船舶受潮流作用产生的横向分力Fxc=Cxcρ/2·V2B=33.9KN。

⑶船舶系缆力及锚链拉力计算。受锚地平面尺度的限制，最不利船舶系缆力的水平夹角为24°。

由浮筒处力系平衡，计算得到浮筒单侧最大锚链拉力为387.8KN。

考虑到系缆力较大，浮筒下锚链近似按直线考虑，锚链长度采用41.2m，锚链的水平夹角为20.0°。

在浮筒出口处锚链拉力最大:

试选φ64 有档锚链锚链，其破断拉力Nφ64=1560KN

计算出锚链的安全系数K1=Nφ64/Fm=1560/412.7=3.8 ＞3

故选用的φ64 有档船用锚链满足规范要求。

4.2 沉锤设计

根据沉锤处力系平衡计算，沉锤处水平力为387.8KN，垂直拉力为132.6KN。按照海港工程设计手册关于锚重计算的规定，锚抓力系数K=1.1/2.3，由此可得，水下锚重应大于387.8(1.12.3)=810.9KN。进而计算出钢筋混凝土沉锤体积

沉锤设计采用钢筋混凝土结构，采用上边长为2.5m，下边长为7.5m，高度为2.5m 的正棱台，重量达159t。为了增加沉锤与地面的粘着力，沉锤底部设边长4m，高0.2m 的凹槽。

经计算得，实际采用沉锤V=64.8m3＞60.1m3，符合要求。

4.3 系船浮筒的选型

业主已由专业厂家购置了两个系泊浮筒，为圆形钢质浮筒，型号为XF5.5-D1，浮筒直径5.5m，筒体总高3.0m，浮力31.2t。经复核能够满足使用要求。

5 结束语

大型船舶及在水域宽度受到限制、对泊稳条件较高时，多采用双点系泊锚地，在港区水中过驳锚地常亦采用此形式。双点系泊锚地设计的要点包括:(1)锚地的平面布置时锚地的走向应尽量接近水流流向和常风向及强风向;(2)通过各种工况条件船舶的风流力计算和组合，以及最不利浮筒的分析，计算出最不利浮筒受到的水平系泊力;(3)锚块的计算与锚链拉力、沉锤埋置方式等因素有关，设计时应根据实际情况确定。

［1］海港总体设计规范(JTS165-2013).

［2］港口工程荷载规范(JTS144-1-2010).

［3］交通部第一航务工程勘察设计院编，海港工程设计手册(中册)，人民交通出版社，1997(4).