福州港羅源灣港區可門作業區1#泊位港池燈浮標設計

■劉賓

（福建省交通規劃設計院，福州　350004）

福州港羅源灣港區可門作業區1#泊位港池燈浮標設計

■劉賓

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

運用浮標的靜力分析方法，對福州港羅源灣港區可門作業區1#泊位港池的具體自然條件進行分析，確定燈浮標的結構及材料。明確燈浮標的設計思路，保證了工程設計的嚴謹性及安全性。

燈浮標靜力分析一階波浪力錨鏈張力

近年來，隨著航運事業的發展，港口數量增多，港池水域受限，錨泊事故頻發。燈浮標作為標示港池水域邊界范圍，保證船舶通航安全的重要設施，其漂浮半徑及錨塊穩定性對于船舶順利進出港具有至關重要的作用。

由于目前規范中對于燈浮標受力計算及沉塊選用多采用經驗式條文，并未提供具體計算方案。本工程中海床底質為中風化巖，且港池與礁盤距離較近，對燈浮標回旋半徑有限制要求，需進行相應計算，在保證浮標穩定的情況下，減少回旋半徑，保證船舶在港池水域內的錨泊安全。

1　工程概況

1.1碼頭建設規模

福州港羅源灣港區可門作業區1#泊位程建設規模為4萬噸級多用途泊位，水工主體結構按兼靠10萬噸級船舶設計。

1.2港池及回旋水域總平面布置

碼頭前沿停泊水域寬度取65m，設計底高程為-16.0m。回旋水域按圓形布置，半徑250m，設計底高程-14.5m，部分與羅源灣進港航道重疊。

古鼎嶼礁盤位于港池邊界東側，目前港池內的礁盤已開炸至-16.0m，港池外礁盤仍保持原地貌。

2　自然條件

2.1工程地理位置

福州港羅源灣港區南岸可門作業區位于福州市連江縣境內，港區地理位置坐標為：東經119°46′，北緯26°23′。

2.2風況

據連江縣實測資料統計：多年平均風速為2.2m/s，最大風速為40m/s，全年10～11月常風向以東北風為主，其余各月常風向都是以東南及東南偏南風為主，頻率13%，強風向為西北偏西，最大風速為40m/s，全年≥7級風日數平均31.3d，以7月份為最多，平均5.1d。影響本處的臺風以7～9月為最多，臺風引起的最大增水為0.5～1.0m。

2.3水文

羅源灣海區屬于強潮型海灣，該海區潮汐屬于正規半日潮。設計水位如下：

設計高水位：6.99m（高潮累積頻率10%）設計低水位：0.64m（低潮累積頻率90%）極端高水位：8.50m（50年一遇）極端低水位：-0.46m（50年一遇）

2.4波浪

根據工程需要，福建海洋研究所對本工程碼頭前沿A點進行了波浪分析計算，其計算點位置及計算結果如圖1、表1所示。

表1　　A點波浪要素計算成果表

2.5工程區域流態

本工程對排洪溝入海口（包括深排結構）、碼頭前沿和取水口附近水域共布設了66個測點進行流速流向的分層測定，漲潮期間最大流速為0.81m/s，落潮期間最大流速為1.00m/s。

2.6工程地質

本工程航標設計的地質勘察范圍位于港池炸礁區域，據現場調查和鉆孔揭露，場地地層按巖土性質自上而下可分為3個工程地質層，現分述如下：

（1）泥質碎石：灰黑色，飽和，流塑，淤泥含量約40%～50%，碎石含量約50%～60%。

（2）強風化凝灰巖：灰白色，以長石、石英為主，原巖結構形態清晰可辨，巖芯呈碎塊狀結構。

（3）中風化凝灰巖：雜色，以長石、石英、云母為主。晶屑凝灰結構，節理面出現此生礦物。巖心呈短柱狀，RQD≈51%。

3　方案設計

鑒于本工程1#泊位距離東側的古鼎嶼較近，為確保安全，在古鼎嶼北側設置北方位標。考慮到本工程海床底質為中風化巖，沉塊選擇5t雙沉塊，鏈長51.72m。詳見圖2。

4　燈浮標靜力分析

燈浮標受到的水平荷載有風荷載，水流荷載及波浪荷載（見圖3）。

4.1風荷載

作用于燈浮標上的風荷載可參考 《海上移動平臺入級規范（2012）》。

P=0.613×10-3V2

式中：V為設計風速（m/s）

作用于燈浮標上的風力F應按下式計算：

F=CkCsSP

式中：P為風壓（kPa）；S為浮標在正浮或傾斜狀態時，受風構件的正投影面積（m2）；Ck為高度系數；Cs為形狀系數。

4.2水流荷載

作用于燈浮標上的水流荷載可參考 《海上移動平臺入級規范（2012）》。

式中：CD為流拖拽力系數；ρ為海水的密度（t/m3），對海水ρ=1.025t/m3；為水流速度；為船舶吃水線以下的橫向投影面積（m2）。

4.3波浪荷載

作用在浮標上的波浪力主要有一階波浪力和二階波浪力。一階波浪力使浮標系統產生一個波頻運動，二階波浪力對浮標系統起重要作用的是漂移力。在規則波中，波浪會對浮標產生一個定常漂移力，而在不規則波中產生的是一個慢變漂移力，這會使浮標系統產生一個低頻運動。

在實際工程應用中，相對于二階波浪力，一階波浪力在量值上要大得多，故在本工程靜力分析中主要以一階波浪力的計算為主。

對于一階波浪力可采用莫里森公式：

式中：F為小尺度構件垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力；FD單位長度上的曳力；FI為單位長度上的慣性力；ρW為海水密度；A為單位長度構件在垂直于矢量（u-x.）為曳力系數；CA為附連質量系數；CM為慣性力系數，CM= CA+1；V為單位長度構件的體積，u為垂直于構件軸線水質點速度分量，當海流與波浪聯合作用時，u為波浪水質點的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構件方向上的分量；u.為垂直于構件軸線水質點加速度分量；x.為垂直于構件軸線構件速度分量；x¨為垂直于構件軸線構件加速度分量。

4.4錨鏈拉力

錨鏈配置長度與水深基本是成正比的。一般港內的燈浮標（浮標），其錨鏈一般為水深的2～4倍。但考慮到古鼎嶼與港池邊界距離較近，為避免燈浮標回旋半徑過大撞到礁石，取錨鏈長度為51.72m。

錨鏈曲線為一懸線，實用上可用二次拋物線來代替，足夠準確。時，則曲線在水底的切線為水平，當時，則曲線在水底的切線不為水平，錨除受水平力外還承受豎向上拔力的作用。

故錨鏈曲線在水底無拖地長度，錨鏈曲線的方程式為：

錨鏈曲線的長度為：

A點錨鏈與水平線的交角：

該點的錨鏈拉力及其垂直分力均可由下列兩式求出：

海床底質為中風化巖，沉塊為鋼筋混凝土結構，故取摩擦系數為0.60。選取錨塊重量為 10t，水下重量為56.84kN。計算得摩擦力設計值為f=40.92kN，大于水平拉力設計值P=38.45kN，保證了錨塊的穩定性。

根據規范《浮標錨鏈 JT/T 100-2005》，推薦選用鏈徑為38mm的錨鏈，錨鏈拉力標準值為F=48kN，小于374.4kN的拉力試驗負荷，保證了錨鏈不會發生裂紋和斷裂現象。

5　結語

燈浮標作為保證船舶通航安全的重要輔助設施，其穩定性及耐久性設計至關重要。尤其本工程遠期靠泊船型為30萬噸級散貨船，對于港池邊界的控制顯得尤為重要。本文從規范及航標處相關標準入手，參考船舶錨泊系統的計算方法，明確了燈浮標的靜力分析計算，為本工程燈浮標的選型提供了明確的依據，保證了工程的安全性，為遠期靠泊30萬噸級散貨船提供了良好安全的靠泊環境。

［1］JTS 165-2013，海港總體設計規范［S］.

［2］JTS 145-2015，港口與航道水文規范［S］.

［3］JTS 144-1-2010，港口工程荷載規范［S］.

［4］JT/T 100-2005，浮標錨鏈［S］.

［5］GB 4696-1999，中國海區水上助航標志［S］.

［6］交通部第一航務工程勘察設計院.海港工程設計手冊［M］.

［7］BEARTUAX H O.浮標工程［M］.北京：科學出版社，1980.

［8］肖越，王言英.浮體錨泊系統計算分析［J］.大連理工大學學報，2005，45（5）：682-686.

［9］中國船級社.海上移動平臺入級規范（2012）［EB/OL］.［2013-09-10］.［10］張繼明，范秀濤，張樹剛，萬曉正，孫金偉.海洋資料浮標錨泊系統的系泊力計算［J］.山東科學，2014，27（2）：19-24.