船载框架式整平器扫浅性能分析

周丙浩，朱时茂，焦 鹏，郑金龙

(中港疏浚有限公司，上海 200136)

随着疏浚工程向大型化、精细化发展，基床平整度要求越来越高[1-2]。基于长江南京以下12.5 m深水航道二期工程，荆雷等[3]对于梯形空心构件安装基床 进行了船载挖机水下自动化基床整平系统的设计；程茂林等[4]基于水下抛石基床，形成浮式智能控制水下基床整平施工工法；为解决沉管隧道建设难题，广州打捞局联合中船集团第708所、华南船舶机械有限公司及天津水运工程研究院研发全智能水下3D碎石整平清淤船，并预计于2020年6月建成投产[5-6]。

自航式耙吸挖泥船在疏浚施工过程中，受环境影响以及自身性能的制约，所疏浚的海底河床经常会出现高低不平的垄、沟、浅点。为扫除这些浅区，达到工程的设计要求，仅靠耙吸式挖泥船，耗时多、成本高，扫浅效果差。本文基于莱州14.3 m深水航道工程，引入船载框架式整平船舶——“航工301”整平船(图1)。针对船载框架式整平器的扫浅性能，本文建立CFD仿真模型，分析船载框架式整平器各浪向下的水动力性能，并进行海上试验，以提高工程后期的扫浅效率，提升工程整体效益，减本降耗。

图1 “航工301”整平船

1 计算原理与模型

1.1 运动方程

根据动力学方程和牛顿第二定律，本文研究的船载框架式整平器的运动方程为:

(1)

(2)

1.2 模型参数

1.2.1总体布置

如图2所示，整平船主体由拖轮、船载框架式整平器、A字架、单饼滑车、顶牵索、起升钢丝绳、牵引钢丝绳等设备构成。通过绞缆机收放拖缆，使整平器垂直升降，以控制整平器底面高程。借助拖轮航行拖力，依靠整平器自重及前部的切削刀口进行破土、消除浅点，并填至超深区域。

图2 总体布置

船载框架式整平器(图3)，宽12.53 m(船宽方向)，长3.8 m(船长方向)，高0.925 m(主体)，自质量约22 .5 t，可配重约至300 kN，提升系统的额定提升力为400 kN，最大工作水深为25 m，最大复合应力140 MPa；拖带钢丝绳2根，左右两舷各配置1根，一端配闭式索具，用卸扣连接整平器拖带眼板，另一端为眼环，连接到主甲板艏部两舷的双带缆桩，型号44-6×36WS-IWRC 1960 B ZS，直径φ44 mm，长度56 m，破断力1 350 kN；每根拖索各配置1根回收绳;起升钢丝绳2 根，型号44-6×36WS-IWRC 1960 B ZS，直径φ44 mm，长度100 m；A 字架2台，由2根顶部连接的钢管构成，下端与船体上的眼板铰接，主管顶部设顶牵索眼板，下部设滑车眼板；顶牵索2 根，型号60-6×36WS-IWRC 1960 B ZS，一端与A 字架主管顶部的眼板相连，另一端与船体主甲板上的眼板相连，直径φ60 mm，长度10.3 m，破断力2 520 kN。

图3 船载框架式整平器

1.2.2水动力模型

选用船舶专用仿真软件AQWA对整平船进行水动力模拟分析计算，取模型水下部分，换算微小杆件的相对力和力矩，不计外形的影响，简化后的模型如图4所示。利用混合型面网格对模型进行网格划分，网格尺寸取0.5 m，网格数为9 193个。

图4 AQWA计算模型

2 海上试验

2.1 项目背景

莱州港2#港池及5万吨级航道工程，界河口—石虎嘴为冲刷的平原砂质海岸，岸线呈NE～SW走向；石虎嘴—三山岛附近为稳定的平原砂质海岸，岸线呈NNE～WSW走向，岸线向西延伸至刁龙嘴。刁龙嘴西北莱州浅滩地形复杂，其上分布有众多的砂脊沟槽，主要为复羽式砂嘴、砂坝环绕的泻湖所构成的海滩、泻湖平原。港区岸段为稳定的平原砂质海岸，岸线较顺直，岸滩平坦。水下等深线基本呈SW～NE走向，-5 m等深线以内有两列砂坝相间。-5、-8、-10 m等深线距岸分别为600～800、1 000～1500、7 000 m。

2.2 试验工况

图5 站点分布

表1 颗粒分析

2.3 工艺参数

莱州港航道设计水深14.3 m，最高潮位约1.8 m，最低潮位约0.8 m，为充分发挥整平器的作用，扫浅整平作业中须控深14.3 m，保证起吊钢丝绳垂直牵引钢丝绳受力，牵引钢丝绳最佳计算长度为41.1 m。由于船舶条件限制，通过在缆桩上挽套牵引钢丝绳，将牵引钢丝绳长度设定为41.6 m。扫浅整平作业中根据潮位变化每半小时调整起吊钢丝绳长度，独立浅点沿2个方向过线一次基本保证消除，浅点集中区域，以S形走线结合多方向过线，由浅至深逐段扫浅，保持双车前进2(940 rmin)，船速1.03～1.54 ms。

3 结果与分析

3.1 数据分析

莱州5万吨级航道全长26.4 km，设计水深14.3 m。根据表2可知，57 078个测点中，浅点总数4 978个，主要分布在W0+000～W14+692区段，北半槽浅点率较高，最高可达14.28%，最浅水深13.9 m，平均浅点率6.1%，平整度最低为0.15,W0+000～W4+000、W4+000～W9+000、W9+000～W14+692剩余土方量分别为3 992、6 791.6、15 594 m3。

表2 水深测图分析

3.2 水动力性能

幅值响应算子RAO是反映船舶运动响应的重要参数，由于整平器位于海底，运动响应可忽略不计，本文只分析整平器作用下船舶的运动响应情况。计算时取水深为14 m，船舶吃水为2.8 m，计算频域为0～3 rads，计算步长为0.1 rads。根据船舶的对称性，取0°、45°、90° 3个方向进行水动力计算。图6所示为3个方向下、船舶6个自由度的频率响应曲线。

图6 频率响应曲线

如图6所示，船舶横荡和纵荡的运动响应幅值相对较大，且随着频率的增加，呈逐渐减小的趋势；由于整平器拖曳力的影响，45°浪向下，垂荡的运动响应幅值远大于0°和90°浪向下的响应幅值；随着浪向的变化，船舶纵摇和艏摇运动的变化趋势发生改变；0°浪向下，船舶所受纵向力较大、横向力较小，相应纵摇幅值较大、横摇幅值较小；90°浪向下，船舶所受横向力较大、纵向力较小，相应横摇幅值较大、纵摇幅值较小；45°浪向下，船舶所受侧向力较大，相应艏摇幅值较大；总体上，在整平器的作用下，船舶的运动幅值响应算子较小，船舶稳定性较高。

3.3 扫浅效果

本次实船试验风浪较小，作业精度与质量主要受潮位影响，根据潮位仪读数计算最佳整平深度，并实时调整。图7所示为船舶走线与过线后的轨迹与水深图，船载框架式整平器在重力作用下，通过2条垂向钢丝绳、2条拖带钢丝绳与船长近似形成直角三角形，控制整平深度并限制整平器漂移。由图7a)可知，独立浅点沿2个方向过线一次基本保证消除，但整平器单边受力时，受力不稳，导致舵向难以掌控、易偏向，此时须多向过线；浅点集中区域，以S形走线结合多方向过线，由浅至深逐段扫浅，再根据水深测图，消除零星浅点。经业主验收，最终水深测图显示，浅点扫除率达100%，效果显著。

图7 施工效果图

3.4 经济性

“航工301”轮于莱州港共计施工16 d，主机运转时间161 h，施工时间137.3 h。总计0#油耗53.3 t，淡水消耗31.5 t。同比4 000 m3舱容的“航浚4009”轮耙吸挖泥船，预计扫浅施工工期9 d，以黄骅港施工一周油水消耗平均值计算(180#油耗9.82 td，4#油耗7.56 td，淡水16 td)，需180#油耗88.38 t，4#油耗68.04 t，淡水144 t。综上，可节省燃油约103 t、淡水约112.5 t，另考虑管理、船舶折旧、人工等成本，“航工301”轮优势显著。

4 结论

1)在整平器的作用下，船舶的运动幅值响应算子总体较小，船舶稳定性较好；船舶横荡和纵荡的运动响应幅值相对较大，且随着频率的增加，呈逐渐减小的趋势；45°浪向下，垂荡的运动响应幅值远大于0°和90°浪向下的响应幅值；随着浪向的变化，船舶的运动幅值变化较大，相应主浪向下的船舶纵摇、横摇、艏摇运动幅值最大。

2)船载框架式整平器在重力作用下，通过2条垂向钢丝绳、2条拖带钢丝绳与船长近似形成直角三角形，根据潮位仪读数计算最佳整平深度，并实时调整，控制整平深度，独立浅点沿2个方向过线，单边受力时，须多向过线；浅点集中区域。以S形走线结合多方向过线，由浅至深逐段扫浅。

3)施工周期内同比耙吸式挖泥船，燃油节省约103 t、淡水节省约112.5 t，浅点扫除率达100%，效果显著。