相邻泊位船舶同时在泊时船舶系泊试验研究

张万威，陈国平，严士常*，杨 越

(1.海岸灾害及防护教育部重点实验室(河海大学)，南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098；3.上海滩涂海岸工程技术研究中心，上海 200061)

近年来，我国的港口建设事业迎来了新的发展，需要相关技术人员用多种手段来确保港口工程的安全。船舶系泊时缆绳受力情况和船舶状态都十分复杂，受到波浪、风、流、船舶自身等众多因素影响，系泊船舶运动幅度过大会影响泊位正常作业，缆绳受力过大会导致断缆，造成严重损失[1]。因此我国现行规范指出需要通过物理模型试验并结合数值模拟试验的方式来确定系泊船舶在风、浪、流共同作用下的综合运动情况[2]。众多研究人员对船舶系泊试验开展了各种类型的研究并取得了众多的成果[3-8]，但研究重点大多为外界环境荷载对于单艘船舶系泊的影响，国内对于相邻泊位系泊船舶之间影响研究较少。当码头的泊位设计满足多种吨级的船舶组合停靠要求时，同一停泊水域的相邻泊位之间停靠的船舶称为相邻泊位系泊船舶。郭科等[9]通过整体物理模型试验，比较了两艘超过5万t级货船同时停靠泊位作业和它们单独停靠泊位时各自的船舶运动状态及系缆力大小，得出同时停靠的两船之间总体上受彼此的影响较小。

关于双船系泊系统研究较多，孔友南等[10]通过Optimoor数值分析软件，从泊位长度、缆绳数量及平面布置等角度对某浮式LNG泊位双船系泊项目进行分析，得出受风流影响为主的泊位一般在满载时内档船舶倒缆受力最大，可通过增加FSRU艏舰缆数量、适当加大泊位长度并将艏舰缆系缆墩前移来改善倒缆受力状态。沈嘉炜[11]通过数值模拟试验，以6 900 t远洋货船和1 600 t沿海货船作为研究对象，分别完成了波浪作用下船体固定、重力方向上船体自由垂荡和船体进行垂荡-横摇双自由度耦合运动的数值模拟。但以上的研究均是针对双浮体并靠且共用一个泊位的情况，与本文指出的相邻泊位船舶同时在泊时的船舶系泊情况并不相同。

随着港口深水化、船舰大型化，对于许多停泊水域有限的港口，船舶相邻停靠的现象很普遍，但船舶相邻停靠时两船相互影响以及对泊位的影响是个复杂的问题，对于此问题的研究很有必要。本次研究通过船舶系泊物理模型试验，对工程泊位的系泊船舶在船舶相互影响及风、波浪、水流作用下，对不同水位、不同装载状态时的运动量以及缆绳的系缆力进行了试验研究，可为设计和运营提供参考。

1 物理模型

1.1 试验设备及测量仪器

试验在河海大学波浪港池中进行，港池长60 m、宽40 m、深1.2 m。港池的四周设置消浪缓坡，来消除波浪二次反射影响，港池内配有可移动式造波机，可产生试验所要求的两个方向的不规则波浪。试验中波高采用电阻式波高仪测量，船舶运动量采用六自由度运动测量仪测量，系缆力和护舷挤靠力分别通过缆力传感器和护舷传感器(图1)测量，采集频率均为100 Hz。

图1 护舷传感器

1.2 模型布置及试验船型

试验遵循JTS/T231-2021《水运工程模拟试验技术规范》[12]采用正态模型，按重力相似设计，模型比尺为1：58，物理模型整体布置如图2所示，本试验泊位为2#泊位，布置在新建防波堤内测，与防波堤平行布置。防波堤主要由堤心石和护面块体组成，泊位结构由有机玻璃进行模拟，通过往护舷传感器底部增加木板使得护舷的重心高程与原型相似，通过调整橡胶成分和护舷传感器顶部重物质量使模型护舷的力学性能曲线与原型相似，缆绳模型将相同的缆绳合并采用一根缆绳模拟，采用基本无弹性(本次试验测力范围内)的钢丝与多级弹簧钢片的组合体模拟，通过改变弹簧钢片的长度来模拟不同的拉力-伸长曲线，以达到拉力-伸长相似。同时，缆绳的长度、系缆位置以及系缆角度也与原型相似。船舶模型采用玻璃钢制作，与原型保持几何相似。对船舶的不同载重状况分别采用铁制砝码压载配重，使船舶模型满足吃水、重量、重心位置、质量惯性矩和自振周期等与原型相似。

图2 模型布置图

1#泊位停泊30万t级油船，2#泊位停泊5万t、30万t级油船。30万t级油船缆绳采用直径Ф 44 mm纤维芯钢缆,每根缆绳配11 m Φ 96 mm尼龙尾缆，缆绳布置采用4:2:2:2方式，共计20根缆绳，5万t级油船缆绳采用直径Ф 28 mm纤维芯钢缆, 每根缆绳配11 m Φ 60 mm尼龙尾缆，缆绳布置采用2:2:2:2方式，共计16根缆绳。30万t级油船单根缆绳初始拉力调整为100 kN，5万t级油船单根缆绳初始拉力调整为60 kN。2#泊位30万t级油船系缆布置如图3所示。外侧靠船墩橡胶护舷规格为两鼓一板SUC2500H鼓型标准反力橡胶护舷，内侧靠船墩橡胶护舷规格为一鼓一板SUC2500H鼓型标准反力橡胶护舷。

图3 2#泊位30万t级油船系缆布置图

1.3 试验组次

不规则波波谱采用JONSWAP谱，谱峰因子γ取值为3.3,水流荷载和风荷载模拟均满足重力相似，试验时采用按原型分别计算水流和风对船舶的作用力，再将其换算成模型值，采用挂重物的方法模拟。试验分别测量了2#泊位的两种船型在表1的不同组合工况下缆绳系缆力、船舶运动量，总计46组，特别注明1#泊位和2#泊位没有船舶停靠时分别在各自泊位前放置若干浪高仪来采集波高，测点布置图如图2所示。为保证试验的可靠性，试验时每种工况重复3次，取3次测量数据的平均值为最终结果。本文所呈现的试验结果数据均是通过试验测量值乘以模型比尺因子换算得到的原型值，1#泊位30万t船舶载度为半载，试验俯拍图如图4所示。

2 试验结果与分析

2.1 2#泊位船舶停靠对1#泊位前沿波高的影响

对18组不同组合工况下1#泊位前沿波高数据进行分析，并将2#泊位船舶有无停靠时的1#泊位前沿波高进行对比，得到1#泊位前沿相对波高对比图(图5)。其中，2#泊位没有船舶停靠时1#泊位前沿有效波高为H1，有船舶停靠时为H2，其中图中标注所示的船舶载度和吨级均为2#泊位前停泊的船舶，1#泊位前停泊的船舶均为半载、30万t级油船，故在图中不标识。

结合图5-a～图5-c，在波向SSW时，在高水位时，在相同的波浪情况下，当2#泊位前停泊5万t或30万t船舶时，1#泊位前沿每一排的测点相对波高呈现不同的变化规律，靠近口门的1～3这一排测点，呈现相对波高随着越远离泊位先变大后减小的规律，处于泊位中间的4～6这一排测点，呈现相对波高随着越远离泊位先变小后变大的规律，处于靠近1#泊位的7～9这一排测点，呈现相对波高越远离泊位越小的规律，并且在相同工况时，压载时同一测点的相对波高基本都比满载时要大。这是因为通过防波堤绕射进入泊位的波浪与2#泊位上停泊的船舶所反射的波浪在泊位1#相互叠加，靠近2#泊位的测点受反射波浪影响大，靠近堤头的测点受绕射波浪影响大，而船舶压载与满载相比，船舶在相同情况下压载时的横摇比满载大，对波浪的扰动影响更明显导致反射的波浪也越大。结合图5-a～图5-b,在波向SSW时，在高水位和相同的波浪情况下，同一载度的不同吨级船舶的相对波高进行比较，30万t级船舶对1#泊位前的波浪影响要比5万t级船舶的大，这是因为大吨级的船舶尺寸更大，相当于波浪通过船舶反射的位置更加靠近1#泊位。

5-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为30万t 5-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为5万t

结合图5-d～图5-f，在波向W时，1#泊位前沿各测点相对波高大于1的数量要大于波向SSW，这是因为波向W时两个泊位基本没有受到防波堤的掩护从而2#泊位的船舶正面受到波浪的作用，使反射到1#泊位的波浪更大，而波向SSW时2#泊位的船舶侧面受到波浪的作用，使得反射到1#泊位的波浪较少。在波向W时，在同一船型、同一工况时，船舶压载时与满载时的同一测点相对波高互有大小，在2#泊位为30万t船时，虽然船舶压载与满载相比，船舶在相同情况下压载时的横摇比满载大，但由于船型尺寸大带来的波浪反射大占主导因素，在2#泊位为5万t船时，在船型尺寸不大的情况下，船舶在相同情况下压载时的横摇比满载的大而造成靠近2#泊位的7～9测点的相对波高也是压载时的大。

为了进一步探究2#泊位船舶停靠对1#泊位前一倍船宽前水域波高的影响，计算并汇总每种工况下1～9测点有效波高的平均值，记作为1#泊位平均有效波高，具体值见表2。

表2 各组工况下1#泊位平均有效波高汇总表

从表2可知，在浪向SSW时，2#泊位船舶停靠会使得1#泊位前平均有效波高略有减小，减少幅度最大可达9.9%，在同一船型、同一工况时，船舶满载时的1#泊位平均有效波高要小于压载时的1#泊位平均有效波高，在同一载度、同一工况时，5万t级船舶的1#泊位平均有效波高要小于30万t级船舶的1#泊位平均有效波高，在浪向W时，2#泊位船舶停靠基本会使得1#泊位前平均有效波高增大，增大幅度最大可达8.5%，在同一船型、同一工况时，船舶满载时的1#泊位平均有效波高依然小于压载时的平均有效波高。总体上看，波高增减幅不大，大部分波高变幅约5%，仅个别组次变幅较大。

2.2 1#泊位船舶停靠对2#泊位船舶系缆力的影响

对36组不同组合工况下2#泊位船舶系缆力数据进行对比分析，得到2#泊位船舶系缆力最大值对比图(图6)，特别说明本文中的各组系缆力均是单根缆绳的系缆力。系缆力分布不均匀是引起船舶系泊状态下造成缆绳断缆的原因之一，因此需要选择合适的系缆方式使得各缆绳拉力分布尽量均匀，定义各缆绳拉力标准差与均值的比值为缆绳拉力不均匀系数，计算各组工况下缆绳拉力不均匀系数、每一工况下缆绳拉力最大值及其出现的位置，统计结果汇总见表3、表4。

表3 浪向为SSW时各组工况下缆绳拉力相关值汇总表

表4 浪向为W时各组工况下缆绳拉力相关值汇总表

结合图6-a～图6-f可知，在同等工况下，1#泊位无船与有船靠泊时2#泊位船舶各缆绳的系缆力互有大小且相差不大。同等工况下,不同水位的缆绳系缆力分布情况相似，船舶压载与满载时的缆绳系缆力分布情况不同。这是因为该试验两个水位相差不大，相同工况下模拟风荷载所用重物质量相同，低水位时模拟水流荷载所用的重物比高水位的稍重一些，各缆绳长度与系缆角度随着水位不同发生的变化也带来了系缆力的些许不同。在压载时风的影响程度比水流大，在满载时水流的影响程度比风大，在采用《系泊设备指南》计算风荷载和水流荷载时，风荷载主要与船舶吃水线以上的受力面积有关，而水流荷载主要与船舶吃水线以下的受力面积有关，这造成了两者在不同载度时对于系泊系统的影响程度不同。

6-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为30万t 6-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为5万t

不同波向对系缆力的影响有较大差异。由以往文献得知[11]，一般情况下，相同波高、周期作用下，横浪作用下的系缆力要比顺浪和斜浪大很多。结合图6-a～图6-f可知，在SSW与W两个浪向作用下，2#泊位船舶各缆绳的系缆力分布情况完全不同，SSW向主要受力由艏倒缆、艉横缆承担，而W向主要受力由艏横缆、艉横缆承担。

由表3、表4可知，1#泊位船舶停靠对2#泊位船舶系缆力最大值出现的位置基本没有影响，系缆力最大值互有大小且相差不大。当浪向为SSW时，同等工况下，船舶压载时1#泊位船舶停靠会使得2#泊位船舶缆绳拉力不均匀系数增大，而船舶满载时缆绳拉力不均匀系数减小，这是因为船舶压载时运动量比满载时大，对外界的环境变化更敏感，当1#泊位有船舶停靠时，有部分绕过口门的波浪在经过1#泊位船舶时再次发生反射和绕射，部分减小了到达2#泊位的波浪，起到了遮蔽作用。当浪向为W时，同等工况下，1#泊位船舶停靠会使得2#泊位船舶缆绳拉力不均匀系数可能增大也可能减小，但总体的变化趋势是增大，这是因为在1#泊位没有船舶停靠时，2#泊位近似于受到横浪的作用，船舶缆绳系缆力前后分布较为对称，但在1#泊位有船泊停靠时，入射波浪在经过1#泊位船舶时发生反射和绕射，达到2#泊位处时相当于有斜向波浪的作用，使得船舶缆绳系缆力前后分布对称性有所改变。

2.3 1#泊位船舶停靠对2#泊位船舶运动量的影响

对36组不同组合工况下2#泊位船舶运动量数据进行对比分析，得到图7和图8，特别说明本文中的横移为0至最大值，其他均为正负最大值。

7-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为30万t 7-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为5万t 7-c SSW向,1.5 m,6 s,2#泊位为5万t

结合图7-a～图7-f可知，在相同工况、同一船舶吨级及载度下，1#泊位无船与有船靠泊时2#泊位船舶横移、纵移和升沉互有大小且相差不大。试验时同一船舶在两个水位同种工况下得到的船舶横移、纵移和升沉互有大小且相差不大。不同波向对船舶横移、纵移和升沉的影响有较大差异。在SSW浪向作用下，相同工况下船舶横移、纵移和升沉三者大小关系为纵移大于横移大于升沉，在W浪向作用下，相同工况下船舶横移、纵移和升沉三者大小关系为横移大于升沉大于纵移或升沉大于横移大于纵移，这是因为在斜向波浪作用下，船舶以纵向运动为主，在90°横向波浪作用下，船舶随着波浪往码头方向来回上下运动，船舶以横向和升沉运动为主。

结合图8-a～图8-f可知，在相同工况、同一船舶吨级及载度下，1#泊位无船与有船靠泊时2#泊位船舶横摇、纵摇、回旋互有大小且相差不大。试验时同一船舶在两个水位同种工况下得到的船舶横摇、纵摇、回旋互有大小且相差不大。整体上在相同工况下船舶的横摇值要大于纵摇值和回旋值，尤其是船舶为压载状态时特别明显。

8-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为30万t 8-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位为5万t 8-c SSW向,1.5 m,6 s,2#泊位为5万t

3 结论

(1)在浪向SSW时，总体上可得出2#泊位船舶停靠会使得1#泊位前平均有效波高略有减少，在浪向W时，2#泊位船舶停靠基本上会使得1#泊位前平均有效波高略有增大。在同一船型、同一工况时，船舶满载时的1#泊位平均有效波高均小于压载时的平均有效波高。总体上看，波高增减幅不大，大部分波高变幅约5%，仅个别组次变幅较大。

(2)在同一浪向、同一水位、同一波浪、同一船舶吨级及载度下，1#泊位无船与有船靠泊时，2#泊位船舶各缆绳的系缆力和船舶运动量互有大小且相差不大。

(3)该试验的1#泊位与2#泊位有一定角度，W、SSW向波浪对泊位船舶系缆力和运动量有较大影响且不同浪向的影响有较大差异。

(4)该试验时同一船舶在两个水位同种工况下得到的船舶系缆力、运动量互有大小且相差不大。这是因为该试验两个水位相差不大，相同工况下模拟风荷载所用重物的质量相同，低水位时模拟水流荷载所用的重物比高水位的稍重一些，各缆绳长度与系缆角度随着水位不同发生的变化也带来了系缆力的些许不同。

(5)相邻泊位船舶同时在泊时，由于船舶对波浪的反射、绕射和船体摆动等多种因素的影响，会改变泊位前波高分布，从而引起船舶系缆力和运动量的变化，在本文所述的工程布局下，相邻泊位船舶同时在泊时总体影响较小，不会在本质上改变船舶的系泊安全。