风浪联合作用下电厂码头驳船系泊试验研究

耿宝磊， 李伟迁2, ，李 焱,3*，高 峰,3

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456; 2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京210098;3.天津大学 建筑工程学院，天津 300072 )

驳船是港口作业和海洋平台的运输与安装等常用的一种工程辅助船，其型线规则，船体肥大，在波浪中的运动幅值与受力较大[1]。码头船舶系泊缆绳的受力是一个非常复杂的问题，在强风大浪的作用下，码头系泊船舶往往缆绳崩断，造成严重的海损事故，这在国内外屡见不鲜。随着港口建设的发展，大型船舶日益增多，对系泊船舶在风浪作用下的系缆力的确定日显重要[2]。刘必劲等[3]通过研究系泊船舶系缆力随波高、周期、波浪入射角度以及船舶特性等要素的变化规律，提出船舶系缆力经验公式，最后通过物理模型试验数据分析，给出完整的系泊船舶系缆力经验公式。王兴刚等[4]通过船舶系泊物模试验，其中试验中考虑了不同潮位下吹拢风、吹开风以及涨落潮流的影响，对系泊状态下LNG船的运动量、系缆拉力、撞击能量和撞击力等进行了分析。李焱等[5-6]以某25万t矿石码头、40万t大型油船为例，研究了不同水位、不同船舶载度、不同浪流夹角，单流、单浪和浪流共同作用时对船舶撞击力和系缆力的影响并且分析了该码头工程护舷和缆绳的布置情况。汤本靖等[7]对风浪联合作用下LNG船舶系泊进行了物模试验分析与对比，研究表明单纯风工况下2种方法(风机法与挂重法)测得的系缆力有所差异，但叠加波浪荷载后这种差异变小且不同位置缆绳受力分配状况也有所改善。

本项目为印度尼西亚S2P公司1×660 MW电厂配套码头工程，计划建设14 000 DWT驳船泊位1座，55 000 DWT散货泊位一座。工程位于印尼爪洼岛Cilacap市东侧，距离市区约10 km。工程海域直接面对印度洋，外海长周期波浪特征明显，为确保本工程建成后，船舶系泊的安全和可靠性，拟通过物理模型试验测定船船在风、波浪、潮流等动力因素不同组合工况下的船舶运动量、缆绳拉力、护舷承受的撞击力，以及船舶靠泊产生的撞击力和撞击能量等，从而确定合理的船舶系缆方式，为工程设计的更加经济、合理提供依据。工程位置及平面布置示意图见图1。

图1 工程位置及平面布置示意图Fig.1 Sketch of project location and layout

1 试验条件

1.1 船型尺度

本次试验为14 000 DWT驳船，船舶装载状态包括满载、半载和压载3种，不同状态下船舶主要尺度与参数见表1。

表1 14 000 DWT驳船主要尺度与参数Tab.1 Main dimensions and parameters of 14 000 DWT barge

1.2 风浪及水位条件

(1)风：主要考虑E向的最不利风向，对应驳船码头为吹开风，与码头夹角为77°，风速取18 m/s；同时考虑SE为常风向，其对驳船码头为吹开风，对系缆不利，故增加SE向风(与码头夹角为58°)对驳船的影响试验，风速取10.8 m/s。

(2)波浪：根据现场波浪条件与码头岸线方向，考虑角度为40°艉来浪作用，波高取0.3～0.8 m，平均周期为12 s。

(3)以工程附近Serayu河河口附近理论最低潮面为基准(平均海平面(MSL)1.208 m)，本次船模试验选用设计高水位为+2.46 m、设计低水位+0.42 m。

1.3 系缆及护舷

缆绳采用尼龙缆，直径Φ=60 mm，破断力520 kN，初始力为破断力的5%～10%，即26～52 kN，考虑到横缆通常受力较大，故其初始力取为26 kN，其它缆绳初始力取为52 kN。护舷选用锥型SCN700两鼓一板标准反力型，设计反力360 kN，设计吸收能量131 kJ。

1.4 系缆布置方式

两种系缆方式均为3:3:2布置，其中系缆方式一艏、艉缆分别系在码头最两端的系船柱上，艏、艉缆与码头前沿的夹角为30°～35°；系缆方式二艏、艉缆分别系在码头两端起算第二个系缆柱上，艏、艉缆与码头前沿的夹角为59°～60°。两种系缆方式见图2，设计高水位、船舶满载情况下，两种系缆方式中的系缆角度和缆绳长度比较见表2。

2-a 方式一2-b 方式二图2 系缆方式示意图Fig.2 Schematic diagram of mooring mode

缆绳缆绳长度/m系缆方式一系缆方式二与码头前沿线水平角/(°)系缆方式一系缆方式二艏缆23.612.33060艏横缆4.04.09090艏艉倒缆13.813.81010艉横缆2.82.89090艉缆16.111.03559

2 模型设计与制作

2.1 模型比尺选择

本模型为风、浪两种动力条件综合作用下的船舶系泊物理模型，遵照试验规程应采用正态整体物理模型，当有船舶模型置于其中时，模型长度比尺不应大于80的原则。综合试验目的及要求，结合试验场地和设备，确定模型几何比尺为1：50。

2.2 船舶模拟

船模按重力相似设计，在几何相似中使模型船与原型船保持线性尺度相似；在静力相似中，采用配重方法，在适当位置放置适当的重物，使其符合不同载重时的重量及其分布要求，并保证重心的纵向和垂向位置相似；在动力相似中，对船模的质量惯性矩进行校准，保证其横摇及纵摇周期符合相似条件。

2.3 缆绳模拟

缆绳模拟时，长度按照自船上绞车经带揽孔至码头上带缆钩间的总长度进行模拟，船与岸相对位置固定后，长度自动满足几何相似。模型系缆系统由线绳和弹性钢片复合而成，其中缆绳用杜邦Kevlar线制作，其本身不具备弹性，而缆绳的弹性变形则采用弹性钢片组模拟，使其受力-变形曲线满足相似。

由于不同系缆方式、不同载度和不同水位时的缆绳长度不同，缆绳需要重新模拟和率定。此外在缆绳模拟时，将一组缆绳合并成一根进行其受力-变形曲线的模拟。图3给出了系缆方式一、船舶满载、高水位时系泊缆绳的模拟结果，从中可知模拟效果较好。

图3 14 000 DWT驳船满载、高水位时系泊缆绳模拟结果(系缆方式一)Fig.3 Simulation results of mooring line at full load and high water level for 14 000 DWT barge (mooring mode 1)

2.4 护舷模拟

护舷模型主要模拟护舷的反力-变形曲线相似。本试验模拟了可能与船舶碰触的13个护舷，两鼓一板合并模拟，模拟结果见图4。

3 系泊安全标准

(1)运动量标准。国际航运协会(PIANC)[8]于 1995 年推荐了可接受的船舶最大运动量值供参考，本次试验研究主要以PIANC(1995)年推荐允许值作为依据，即：纵移不超过 2.0 m、横移均不超过 10 m，横摇不超过 6.0°，纵摇与回转均不超过 2.0°。

(2)系缆力标准。根据石油公司国际海事论坛(OCIMF)[9]相关规定，对于尼龙缆(polyamide rope)，其缆绳所受拉力不应大于其最小破断力的 45%，如超过则认为缆绳直径不满足安全系泊要求。因此对于14 000 DWT驳船单根缆绳的最大受力应小于Φ60 mm的尼龙缆的最小破断力(520 kN)的45%，为234 kN，才可满足系泊要求。

(3)护舷标准。对于护舷的撞击力和撞击能量，当实测撞击力和撞击能量超过护舷的设计撞击力和撞击能量时，则认为护舷型号不满足要求。

4 试验结果与分析

4.1 系缆方式一

(1)系泊力和撞击力。

试验结果表明，在系缆方式一中，横缆的受力较大，尤其是艏横缆的受力最大，艏、艉缆的受力则较小，主要原因是波浪为近乎45°的斜浪，而艏艉缆的缆绳长度为艏艉横缆长度的5～8倍，与码头前沿线的夹角约30°～35°，造成艏、艉缆和艏、艉横缆之间的受力不均匀，即艏艉缆分担的横缆力不充分；斜浪作用下，船头和船尾处的几个护舷所受撞击力比中间的护舷受力要大。

系缆方式一单根系缆力的最大值和锥型SCN700两鼓一板护舷所受的撞击力及撞击能量的最大值见表3，从中可知：

表3 两种系缆方式的单根系缆力、撞击力和撞击能量最大值Tab.3 Single root cable force, impact force and the maximum impact energy of two mooring modes

注：波高单位为m，力的单位为kN，能量单位kJ。

(2)运动量。

4.2 系缆方式二

(1)系泊力和撞击力。

由于系缆方式二的艏、艉缆的缆绳长度比系缆方式一减小(约为系缆方式一的0.52～0.68倍)，与码头前沿线的夹角从30°～35°增大至59°～60°，故分担了部分横缆受力，使得横缆受力有所减小，艏、艉缆和艏、艉横缆绳受力更为均匀些。船舶3个载度中，满载时缆绳的受力最大，半载次之，压载最小，两个水位条件下的系缆力相差不大，其中设计低水位时的最大横缆力略大于设计高水位。

斜浪作用下，船头和船尾处的几个护舷所受撞击力比中间的护舷受力要大，船舶3个载度中，满载时的撞击力和撞击能量最大，半载次之，压载最小；两个水位条件下的撞击力和撞击能量相差不大。

系缆方式二单根系缆力的最大值和锥型SCN700两鼓一板护舷所受的撞击力及撞击能量的最大值见表3，从中可知：

(2)运动量。

4.3 靠泊试验

根据试验技术要求，测定了14 000 DWT驳船满载、静水条件下靠泊时对护舷的撞击力和撞击能量，船舶靠泊角度5°，靠泊速度为0.20 m/s。试验时，当船舶牵引离护舷2～3 cm时，关闭牵引动力，让船模依惯性撞击护舷(护舷编号从船头～船尾为1#～13#，见图5)，同步测量撞击力和撞击能量。

船舶以5°角靠泊时，一般船首端先靠上1#护舷，此时1#护舷所受到的撞击力最大，撞击能量也最大，随着1#护舷的变形，2#护舷受到撞击，然后整个船体靠上，但船首受1#护舷的反作用力，使得船尾处的13#护舷往往会先受力，因此，船舶靠泊时，首、尾两端护舷的受力最大，其它护舷的受力很小。驳船靠泊撞击力过程曲线见图6，从靠泊过程中最大受力护舷撞击受力的整个过程曲线可以看出护舷的撞击力瞬间突变衰减。当靠泊速度为0.20 m/s，试验测得护舷所受最大撞击力为712 kN，最大撞击能量为176 kJ。

图5 14 000 DWT驳船靠泊试验照片Fig.5 14 000 DWT barge berthing test photo图6 14 000 DWT驳船靠泊撞击力过程线图Fig.6 14 000 DWT barge berthing impact force process chart

5 结语

对于14 000 DWT驳船，采用Φ60 mm尼龙缆和锥型SCN700两鼓一板护舷时：

(1)由于系缆方式二的艏、艉缆的缆绳长度比系缆方式一减小(约为系缆方式一的0.52～0.68倍)，与码头前沿线的夹角从30°～35°增大至59°～60°，故分担了部分横缆受力，使得横缆受力有所减小，艏、艉缆和艏、艉横缆绳受力更为均匀些。而且采用系缆方式二后，船舶的六自由度运动量数值同系缆方式一的结果略有变化，但相差不大，主要原因是两种系缆方式提供的横向刚度变化较小，但由于改变了艏艉横缆的长度，从而使各个缆绳间的缆力更为均衡，因此系缆方式二对系泊更为有利。(2)对于系缆方式二，当港内波浪周期在12 s时，船舶系缆力的限制波高为H4%≤0.5 m；船舶运动量的限制波浪工况为H4%≤0.6 m；设计护舷要求的限制波浪工况为：H4%<0.8 m。(3)当船舶靠泊角度5°，靠泊速度0.20 m/s，锥型SCN700两鼓一板护舷所受最大撞击力为712 kN，小于SCN700两鼓一板护舷的设计反力(360×2=720 kN)，最大撞击能量为176 kJ，小于SCN700两鼓一板护舷的设计吸能量(131×2=262 kJ)；因此，护舷选型可满足船舶以小于等于0.2 m/s靠泊速度时的靠泊要求。