系船浮筒锚碇沉块计算方法对比与分析

卢满红

（上海中北航务勘察设计有限公司，上海 201114）

系船浮筒是一种设置在水上的浮式系船设施，通常设置在锚地、港池、河港江心或海上，供船舶待泊、防台、消磁、熏蒸、编解队等系泊使用。船舶系于浮筒安全省事，占用停泊面积较小，且不妨碍其他船舶航行，因此，系船浮筒在相关水域的应用越来越被推广。

系船浮筒锚泊系统由浮筒—水下锚链—锚锭沉块系统组成。浮筒顶部设有钢质卸扣，供系带船舶之用，并通过水下锚链与锚碇沉块连接。浮筒的水下锚链下端与锚碇沉块相连，上端的末端卸扣穿过浮筒搁置在浮筒上，通过浮筒限制末端卸扣向下的自由度；船用锚链（缆绳）则与水下锚链顶端的末端卸扣相连，因此，船舶系泊力直接通过水下锚链传递至锚碇沉块。系船浮筒的受力体系示意图见图1。

图1 系船浮筒受力体系示意图

锚碇沉块是通过锚链固定系船浮筒的锚碇结构，通常采用混凝土沉块、钢筋混凝土沉块或铸铁沉块，其外形应能使锚碇抓力增大，且便于施工。锚碇沉块可直接抛置于海床泥面或埋设于海床泥面下一定深度以提高其锚碇力，确保沉块不会沿海底滑动发生倾覆或从海底被拉起。

在整个受力体系中，船舶在风、浪、流等作用下的荷载，最终会传递到锚碇沉块，因此，锚碇沉块是系船浮筒设计的关键性节点。

目前关于锚碇沉块的计算，国内现行设计规范有两处可供参考，本文将对国内现行的不同规范、相关参考文献及国外规范关于锚碇沉块的计算方法进行对比分析。

1 国内现行规范锚碇沉块的计算方法及比对

1.1 国内现行规范计算方 法

1.1.1 《码头结构设计规范》[1]（JTS 167-2018）关于浮码头趸船锚抓力的计算方法

根据《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）附录U，趸船用锚应根据趸船的工作性质、水文及地质条件等，按锚链拉力的水平分力和所采用锚型的抓力系数确定锚的质量。锚的质量可按下式计算：

式中，G—锚的质量（kg）；T—锚链拉力的水平分力（kN）；η—锚的抓力系数，根据规范表格U.0.6选取，锚抓力系数η 取值表见表1；

表1 锚抓力系数η 取值表

②表中数值均适用于土壤中等密实状况，当土壤松散时，数值可减少10%～25%，密实时可增加10%～25%，但带★号数值不应减少，带★★数值不应增加。

该公式给出了锚体质量G 与锚链水平分力T 之间的关系式，锚抓力系数η 随不同的土质及埋设情况选取不同数值。经分析，该公式仅考虑了锚链水平分力，未考虑锚链竖向分力对锚碇力的不利影响，对锚体竖向抗拉力未做验算。因此，该方法较适用于锚体仅承受水平拉力的情况，即锚链曲线在水底的切线为水平向或锚链有适量的拖地长度，类似于《海港锚地设计规范》[2]中的悬链线锚腿系泊方式。此外，该公式中锚抓力系数也未能反映出锚碇力与埋深之间的变化规律。

1.1.2 《海港锚地设计规范》[2]（JTS/T 177-2021）关于锚碇沉块计算方法

根据《海港锚地设计规范》（JTS/T 177-2021），系船浮筒按受力特点可分为悬链线锚腿系泊和单锚腿系泊两种形式。锚地系船浮筒宜采用单锚腿系泊形式，该系泊方式假定在船舶系缆力作用下锚链处于直线的静力简化模型。悬链线锚腿系泊示意图见图2，单锚腿系泊示意图见图3。

图2 悬链线锚腿系泊示意图

图3 单锚腿系泊示意图

对于单锚腿系泊形式，锚碇沉块应进行抗拔、抗滑稳定验算；埋入土中的锚碇沉块，覆盖土重可按倒梯形体计算，锚碇沉块计算图示见图4。

图4 锚碇沉块计算图示

锚碇沉块底面为正方形时，抗拔、抗滑稳定按下列公式计算：

式中，YF—锚链拉力分项系数，系泊状态取1.40，非系泊状态取1.50；

F—锚链拉力标准值（kN）；

YA—结构抗拔调整系数，取1.5；

YG—自重力分项系数，取1.0；

G—锚碇块覆盖土重力标准值（kN）；

W—锚碇块浮重力标准值（kN）；

YB—结构抗滑调整系数，取1.15；

H—锚碇块摩擦力设计值（kN）；

f—锚碇块与地基摩擦系数；

Y—覆盖土重度（kN/m3）；

h—覆盖土厚度（m）；

b—破土面边长；

a—锚碇块底面边长；

该计算方法给出了埋入式锚碇沉块的浮重W 及覆盖土的重力G 与锚链拉力F 之间的关系式，从设计应用的角度，计算参数取值明确，具有良好的操作性。但是，该规范公式抗拔验算未考虑沉块上部覆盖土体的剪切力，也未考虑底部凹型的埋入式沉块实际上具有很大的“吸力”（尤其是黏性土）的有利因素；抗滑验算也未考虑埋入式沉块侧面土体的摩擦力（或黏结力）以及沿滑动方向土体产生阻挡的有利作用，总体上较保守。

1.2 国内现行规范锚碇沉块计算对比分析

1.2.1 放置于海床表面的锚碇沉块

以砂性土海床为例，对比《码头结构设计规范》和《海港锚地设计规范》的计算公式不难发现，对于放置于海床表面的锚碇沉块，《码头结构设计规范》钢筋混凝土蛙锚抓力系数取1.5，即锚抓力可达到沉块质量的1.5 倍；而《海港锚地设计规范》则按重力式构件进行抗滑验算，对砂性土抗滑系数取0.6，而沉块水下重量（即浮重力）约为水上重量的0.6 倍，由此可推算出沉块抗滑稳定作用的水平锚抓力仅为沉块质量的0.36 倍。

1.2.2 埋入式锚碇沉块

对于埋入式锚碇沉块，无法直接从两本规范的公式看出二者之间计算结果的差异，因此，结合某文献提到的10 万吨级系船浮筒案例的受力情况（仅引用该案例锚链受力大小及土质情况），采用两本规范进行验算和对比分析。

案例中10 万吨级锚地系船浮筒的锚链拉力为2590kN，水平力为2421kN，竖向分力为921kN。锚碇沉块为钢筋混凝土埋入式沉块，呈棱台形，地质条件为砂性土。根据此设计条件，分别进行锚碇沉块试算。

1.2.2.1 《码头结构设计规范》计算方法

置于砂性土的埋入式沉块，锚抓力系数取3.0。根据水平分力与锚抓力系数关系，计算埋入式沉块质量需80.7t（重量807kN），即沉块尺寸选取底边长5.5m、顶边长2.5m，高2.0m 可满足受力需求。

1.2.2.2 《海港锚地设计规范》计算方法

根据规范试算，锚碇块覆土高度按沉块高度的2 倍选取，锚碇块尺寸按底边长9.0m、顶边长4.0m，高3.0m选取，沉块质量需332.5t（重量3325kN）方可满足抗滑、抗拔要求，其中抗滑稳定为控制因素。

1.2.3 结果对比分析

（1）经对比，不管是放置海床表面的锚碇沉块，还是埋设于海床泥面下的埋入式沉块，按《码头结构设计规范》锚抓力系数方法计算所需的锚碇沉块质量，均小于《海港锚地设计规范》的抗拔、抗滑验算方法计算所需的锚碇沉块质量，且差异较大。

（2）国内现行两本规范关于锚链水平分力的验算原理各不相同，前者采用经验锚抓力系数方法，后者采用类似于重力式构件的抗滑稳定验算方法；按其计算原理，《码头结构设计规范》计算方法适用于悬链线锚腿形式，《海港锚地设计规范》适用于单锚腿形式。但是，悬链线锚腿和单锚腿两种形式的区别，仅在于系船浮筒和锚碇点两个位置处锚链拉力的计算方法和计算结果的差异，而锚碇沉块锚抓力的大小则取决于沉块的重量及与土体间的相互作用，与锚链形式并不相关，二者关于锚抓力计算结果存在的较大差异，给设计人员带来了困惑。

2 相关文献提出的计算方法

2.1 典型文献提出的计算方法

文献《水下嵌入式混凝土锚体锚碇力试验研究》[3]《工程力学》第24 卷第11 期（2007年11月）（以下文献[3]）基于物理模型试验，采用正交试验设计分析方法，定量地研究了土质、埋深、拉力角度、锚型等因素对水下嵌入式混凝土锚体锚碇力的影响程度和规律，在此基础上提出了一套水下埋入式沉块锚碇力计算公式。

式中，G—锚体稳定水上重量（kN）；kH—水平抗拉力安全系数，取kH=2.0；k1—混凝土锚体水上重量和水下重量的比值；kV—竖向抗拉力安全系数，取kV=1.5；η—锚抓力系数，定义为锚体在土中的水平极限抗拉力与锚体水上自重的比值，与锚体埋置深度、土质有关；由物理模型试验得出锚抓力系数η 与埋深倍数n 的关系式：

V—锚体承受的竖向分力（kN），当计算V ＜0 时，取V ＝0：

V1—土对混凝土锚体底面的黏结力或吸附力：V1=Ap

V0—埋置锚块上覆土重：

式中，T—锚链拉力设计值（kN）；α—拉力角度，即锚链在泥面处仰起角；γ—覆土重度(kN/ m3)；A—锚碇块体底面积（m2）；h—锚体高度（m）；p—土与混凝土面间单位面积上的黏结力或吸附力（kN/m2）。

从该公式表现形式看，其括号内第一项与《码头结构设计规范》锚抓力公式基本相同，其括号内第二项为考虑沉块抗拔验算。该经验公式具有以下优点：

（1）表达形式简单，物理意义明确；

（2）同时考虑了水平和竖直方向稳定所需的锚体重量，取大值作为锚碇重量的设计值；

（3）对于水平抗拉力采用传统的锚抓力系数，且锚抓力系数能够反映埋深倍数、土质等不同因素的影响；

（4）对竖向抗拉力采用理论解析法，为锚碇块体上覆土重和黏性土对锚体底面黏结力之和。

2.2 文献[3]计算结果对比分析

2.2.1 计算结果

仍以1.2.2 中的案例为例，采用文献[3]计算方法进行试算：锚碇沉块按照覆土高度为2 倍沉块高度，锚抓力系数为n=3*3=9，水平抗滑安全系数kH 取2.0，沉块尺寸选取底边长5.0m、顶边长2.0m，高1.6m，即沉块重量约需58.5t（重量585kN）可满足抗滑、抗拔要求。

2.2.2 结果分析

该结果与《码头结构设计规范》计算值相对较为接近，但由于上述经验公式仅出自文献[3]，锚抓力系数值与其物理模型实验的条件息息相关，其正确性和权威性尚需进一步验证，目前尚不能作为推广应用的计算公式。因此，在实际工程应用时，建议对该方法计算得出的结果仅作为参考或复核之用。

3 国外相关标准计算方法

3.1 英国标准《海工建筑物》[4]（BS6349）计算方法

3.1.1 计算方法

英国标准《海工建筑物》第六分册《近岸锚泊和浮式建筑物设计》（BS 6349-6），关于锚效率计算，表达式如下：

按BS 6349-6 中表6，给出了不同锚型的锚效率大概变化范围。对于重块式锚，锚效率为0.3～0.5；无杆锚为2.0～5.0，有杆锚为5.0～10.0，大抓力锚为10.0～30.0。

该计算方法，与交通运输部《码头结构设计规范》锚抓力计算方法类似，存在同样的缺陷。对于混凝土沉块锚体，锚效率仅给出锚体沉放与水底泥面的情况，对于埋入式锚体，没有给出建议值，更不能反映出土质、埋深等不同锚效率的变化规律。

3.1.2 与国内规范对比

对于重块式锚，锚效率为0.3～0.5；《海港锚地设计规范》放置于海床表面的锚碇沉块抗滑验算结果与其基本接近。

对于有杆锚，锚效率为5.0～10.0；《码头结构设计规范》单抓锚抓力系数取值与其亦基本一致。

3.2 日本港口设施技术标准[5]

3.2.1 计算方法

日本的港口设施技术标准对混凝土块体锚体的锚碇力计算规定如下：

当土质为黏性土时，锚体的水平方向抗拉力为混凝土块体底面和侧面的土壤黏结力加上被动土压力与主动土压力之差值；锚体的竖直方向抗拉力为混凝土块体的水下重量与覆盖土的水下重量之和。

当土质为砂性土时，锚体的水平方向抗拉力为混凝土块体底面的土壤摩擦力加上被动土压力与主动土压力之差值；锚体的竖直方向抗拉力为混凝土块体水下重量与覆土的水下重量之和；并指出锚碇块体锚碇力安全系数不小于1.2。

该标准比较全面提出了混凝土块体锚碇力的计算理论，考虑了水平和竖直方向的抗拉力；在该标准中同时强调了现场试验的重要性。

3.2.2 与国内规范对比

《海港锚地设计规范》抗拔抗滑验算总体思路基本与日本港口设施技术标准一致。但《海港锚地设计规范》并未区分砂性土和黏性土，统一按照摩擦力考虑，仅考虑沉块上部覆盖土体的重量，总体上偏保守。

4 总结及建议

4.1 分析总结

（1）目前国内外规范、文献关于系船浮筒锚碇沉块的计算，基本上分为两种计算方法，即经验锚抓力系数方法和类似于重力式构件的抗滑稳定验算方法，抑或是两种方法的结合。

（2）不同计算方法之间的差异，主要为锚抓力系数取值、沉块上部覆盖土重量计算方法和是否考虑沉块与周边土体的有利因素等方面，导致各方法的计算结果存在较大差异。

4.2 相关建议

通过上述对锚碇沉块计算的对比分析，提出以下几点建议：

（1）鉴于目前国内不同规范计算结果差异较大，设计人员在规范和参数选取时，需根据具体工程合理论证。对于大型或超大型船舶的系泊浮筒，倘若沉块一旦走锚带来的风险和损失较大，因此，埋入式沉块锚碇力取值至关重要。为确保工程安全和结构可靠，建议设计人员采用不同方法进行验算，同时满足《码头结构设计规范》和《海港锚地设计规范》相关规定的要求；必要时建议采用有限元数值模拟的方法做补充验证。

（2）《海港锚地设计规范》埋入式沉块抗滑验算仅考虑沉块底部摩擦力，未考虑沉块侧面摩擦力和正面土体抵抗力及沉块底部凹型构造增加的“吸力”等有利因素，结果总体偏于保守。鉴于埋入式沉块与土体之间相互作用机理尚难以完全通过静力学方式模拟，建议后续规范修订时，参照日本标准，经充分研究论证后，抗滑验算补充考虑侧面土体的有利作用。

（3）《码头结构设计规范》和《海港锚地设计规范》关于锚链水平分力的验算，方法存在差异，前者采用经验锚抓力系数方法，后者采用类似于重力式构件的抗滑稳定验算方法。实际上，悬链线锚腿和单锚腿两种形式的区别，仅在于浮筒和锚碇点两个位置锚链拉力计算方法和计算结果的差异，对于埋入式沉块锚抓力的大小，二者理应相同。因此，作为同一行业内两本不同规范，建议后续规范修订时，统一两本规范关于锚碇验算的计算方法，避免出现不同规范之间结果差异较大的情况，给设计人员应用规范带来困惑。