打桩船锚泊系统改装方案试验研究

黄宣军，李泽，孙运佳，莫忠璇

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

1 研究背景

智利圣文森特国际码头位于智利首都圣地亚哥以西约108 km，距离智利第二大城市康赛普西翁西北侧13 km。2010年智利康塞普西翁发生里氏8.8级地震，致使圣文森特国际码头结构及堆场受到了一定程度的损坏，影响到码头的正常运营，工程项目除了修复在地震中被损坏的码头泊位及基础设施外，还将新建一个码头泊位[1]。由于工程附近海域涌浪较多，严重影响了打桩船施工作业的质量和进度。为此需开发适用于涌浪作用下的沉桩工艺及装备，包括利用打桩平台[2]或者改装船舶的锚泊系统，提高船舶在涌浪、中长周期波浪作用下的作业能力。本文研究的打桩船锚泊系统改装方案为四点锚固方案，该方案总体思路是在船体四角的海底沉入4个锚锭，并通过锚链与船体四角液压缸连接，方案示意图如图1所示，通过施加预拉张力增加船舶吃水，增强船体的抗浪性，提高船舶作业能力。本文通过物理模型试验，研究打桩船四点锚固方案在不同波浪作用下6个自由度的动态响应和锚缆力，对该方案的可行性和合理性进行技术论证和综合评估。

图1 四点锚固方案示意图Fig.1 Diagram of four point anchorage scheme

2 物理模型试验研究

1）船型参数

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》等[3-5]有关规定进行设计，模型比尺为1颐50。研究采用的打桩船基本尺寸及模型参数详见表1。

表1 打桩船基本尺寸Table1 The dimensionsof pile driving vessel

2）锚泊方式

船舶自带移船定位液压锚绞车8台，船艏4台，船艉4台，定位锚规格为重量5 175 kg的AC-14大抓力锚，每个锚配备长700 m、直径39 mm的钢丝绳，各锚泊缆绳的初始预张力为10 t；四点锚固用的锚链为链径90 mm的三级无档锚链，锚链拉力试验负荷为255 t，破断试验负荷为510 t[6]，每节长度27.5 m、重量4.45 t，顺浪、横浪下的锚泊方式详见图2。

图2 船舶锚泊方式图Fig.2 Anchoring system of pile driving vessel

3）试验工况

试验工况按4根锚链的预张力分为4种工况，分别是锚链预张力为0 t、90 t、182 t和219 t，不同锚链预张力下船舶的吃水增加值也不同，锚链预张力为90 t、182 t和219 t条件下对应的船舶吃水增加值为0.317 m、0.635 m和0.762 m。

试验波浪分为0毅浪和90毅浪，波浪要素根据工程海域实际波浪特性分为Hs=0.5 m，Tp=12 s、14 s； Hs=0.8 m，Tp=9 s、12 s；Hs=1.0 m，Tp=6 s、9 s；Hs=1.2 m，Tp=6 s。风速为 13.8 m/s（6级风上限），流速为1.2 m/s，风向、流向与浪向相同。

3 试验结果

1） 0毅浪试验

在0毅浪作用下，主要是对船舶的纵移量和纵摇角影响较大，具体试验结果见表2。通过四点锚固装置增加船舶吃水后，船舶的纵摇角明显减小。在试验条件范围内，吃水增加0.317 m，船舶的纵摇角比改造前减小了56%以上；吃水增加0.635 m，船舶的纵摇角比改造前减小了78%以上；吃水增加0.762 m，船舶的纵摇角比改造前减小了80%以上；说明四点锚固方案增强了船舶的稳定性，提高船舶的作业能力，且各锚链预张力为90 t即吃水增加0.317 m时，效果就很明显，随着运动量的减小，各锚缆力总体上也有所减小。

由表1可见，增加四点锚固装置后，满足船舶运动量臆0.5 m、摇角臆2毅的波浪条件是：Hs臆0.5 m，Tp臆12 s；Hs臆0.8 m，Tp臆9 s；Hs臆1.2 m，Tp臆6 s。

2） 90毅浪试验

在90毅浪作用下，主要是对船舶的横移量和横摇角影响较大，通过四点锚固装置增加船舶吃水0.317 m后，船舶横移量和横摇角也明显减小。具体试验结果见表3。在试验条件范围内，吃水增加了0.317 m，船舶的横移量相比改造前减小了17%~29%，船舶的横摇角相比改造前减小了38%~87%。图3为相同波浪作用下，不同船舶吃水增加值条件下船舶横移量和横摇角的变化情况。

表2 0毅浪作用下试验结果Table 2 Test resultsunder the action of waveson 0毅direction

表3 90毅浪作用下试验结果Table3 Test results under the action of waves on 90毅direction

图3 船舶横移量、横摇角随吃水增加值的变化规律Fig.3 The changetrend of the ship'sswaying and rolling with draught increase

从图3中可以看出，相同90毅波浪作用下，通过施加锚链力增加船舶吃水的方法能够明显降低船舶的运动量。但是若满足船舶运动量臆0.5 m、摇角臆2毅的作业条件并未明显改善。

3）增加锚泊缆绳预张力试验

除了增加锚链的预张力外，试验又进行一项增加船舶锚泊缆绳的预张力来提高船舶作业能力的研究。增加后的锚泊缆绳预张力为30 t。试验工况分为原吃水和吃水增加0.635 m两种，试验波浪主要为90毅浪作用。表4为90毅浪作用下，锚泊缆绳预张力由初始10 t增大到30 t后的试验对比结果。由表中可以看出，锚泊缆绳预张力增大后，能够进一步降低船舶的运动量。

表4 不同锚泊缆绳预张力的试验结果Table 4 Test results of different anchor cable pretension

原吃水条件下，在Hs=1.0 m，Tp=6 s的波浪作用下，增大锚泊缆绳预张力船舶的横移量和横摇角分别减小了15%和26%；在Hs=1.0 m，Tp=9 s的波浪作用下，增大锚泊缆绳预张力船舶的横移量和横摇角分别减小了17%和33%。

吃水增加0.635 m后，在Hs=1.0 m，Tp=6 s的波浪作用下，增大锚泊缆绳预张力船舶的横移量和横摇角分别减小了20%和37%；在Hs=1.0 m，Tp=9 s的波浪作用下，增大锚泊缆绳预张力船舶的横移量和横摇角分别减小了21%和33%。此外，满足船舶横移量臆0.5 m、横摇角臆2毅的波浪条件是Hs臆1.0 m，Tp臆6 s。需要说明的是，预张力的增大能有效降低船舶的运动量，但同时也明显增大了船舶的锚泊缆力，现场实际操船过程中可适度增大船舶锚泊缆绳预张力，以达到降低运动量和控制锚泊缆力之间的平衡，条件允许情况下，可适当增大船舶本身的锚缆系统，增强船舶的抗浪作业能力。

4 结语

如何保证和提高打桩船等施工船舶在外海波浪特别是涌浪作用下的作业能力，是海外工程施工工艺首要考虑的因素之一。本文通过对打桩船四点锚固方案的试验研究得到以下结论：

1）增加锚链的预拉力，增加船舶吃水后，船舶的运动量特别是摇摆角明显减小。

2）在四点锚固方案的基础上，增加船舶锚泊缆绳的预张力能够进一步减小船舶的运动量，提高船舶的作业条件。

3）现场实际操船过程中可适度增大船舶锚泊缆绳预张力，以达到降低运动量和控制锚泊缆力之间的平衡，条件允许情况下，可适当增大船舶本身的锚缆系统，增强船舶的抗浪作业能力。

4）通过本项目研究得到，在锚碇合理计算的基础上，采用四点锚固方案提高船舶的整体稳定性、抗浪性和作业能力是完全可行的。