涌浪及長周期波作用下打樁船動態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)研究

黃宣軍 ，賈朝琿 ，黃明漢 ，莫忠璇

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 概述

近年來，隨著我國港口工程建設(shè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的港口碼頭工程也逐步由近岸海域走向深、遠(yuǎn)海水域，港口工程建設(shè)區(qū)域也由國內(nèi)走向海外，特別是亞洲、非洲和拉丁美洲的一些國家。工程的施工離不開工程船舶，然而外海的涌浪、長周期波對工程船舶的安全作業(yè)帶來相當(dāng)大的困難。

涌浪是風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)后所形成的波浪或者風(fēng)區(qū)里的風(fēng)停息后所遺留下來的波浪，長周期波是指波周期比涌浪更大的波浪。國際航運(yùn)協(xié)會的《在港系泊船舶運(yùn)動量標(biāo)準(zhǔn)》（1995年）給出典型涌浪的周期為10～25 s，其對長周期波的定義為周期是0.5～5 min。英國規(guī)范BS 6349-1-2000《海上建筑物通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施規(guī)程》[1]對長周期波的描述為“周期數(shù)分鐘，波高通常小于1 m”；日本規(guī)范《港灣設(shè)施技術(shù)基準(zhǔn)》將30～300 s的周期定義為長周期波。涌浪及長周期波在海上是難以發(fā)覺的，僅在靠近海岸的地方才能覺察出來，由于其波長較長、波浪傳播速度較快，具有相當(dāng)大的能量，對海上施工船舶或港內(nèi)系泊船舶的運(yùn)動帶來較大影響。K Ohshima等[2]認(rèn)為30～300 s的長周期波通常會引起長時間的港內(nèi)水面振蕩，從而干擾港口的正常裝卸作業(yè)并造成纜繩的損壞。K Murakami等[3]在1999年通過實(shí)地觀測和數(shù)值計(jì)算的方法研究了長周期波引起的海港振蕩和船舶運(yùn)動之間的關(guān)系。楊憲章等[4]在上世紀(jì)80年代針對毛里塔尼亞友誼港系泊船舶的斷纜問題，進(jìn)行了長周期波特性及對系泊船舶動態(tài)特性影響的研究[3]。以上文獻(xiàn)都是針對港內(nèi)系泊船舶的研究，本文將以涌浪為主，長周期波為輔，研究打樁船施工船舶在涌浪及長周期波作用下的動態(tài)響應(yīng)。

2 物理模型試驗(yàn)

研究采用的打樁船總長64.14 m、型寬26.0 m、型深4.5 m，樁架高93.5 m，船上共設(shè)置移船定位液壓錨絞車8臺，布置在上甲板中部，左舷和右舷各布置4臺。錨纜采用的是直徑42 mm的鋼纜，破斷力約為100 t[5]，錨絞車的核定拉力為40 t，支持最大拉力100 t。施工作業(yè)時的錨纜長度約300 m，錨泊方式為艏艉外八字纜，左右舷內(nèi)八字纜，船舶錨泊方式見圖1所示。

圖1 打樁船錨泊方式圖Fig.1 Anchoring system of piling ship

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》等[6-8]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型比尺為1∶50。模型基本參數(shù)見表1，船舶模型見圖2所示。

表1 打樁船基本尺寸（比尺1∶50）Table 1 The dimensions of piling ship(test scaleis 1∶50)

圖2 打樁船模型圖Fig.2 Model of piling ship

試驗(yàn)水深為30 m，波浪條件分為風(fēng)浪作用和涌浪長周期波作用兩部分，其中風(fēng)浪作用采用的是不規(guī)則波，波浪頻譜采用JONSWAP譜，不規(guī)則波試驗(yàn)的波浪周期為5～10 s；涌浪長周期波作用采用的是規(guī)則波，規(guī)則波試驗(yàn)的波浪周期為10～30 s，詳見表2。

表2 試驗(yàn)波浪條件Table2 Test wave conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不規(guī)則波作用下

由于是90°橫浪作用，船舶的橫移量和橫搖角較大，縱移量和縱搖角較小。隨著波浪周期的增加，船舶的橫移量、橫搖角及錨纜力逐漸增大。在試驗(yàn)波浪要素范圍內(nèi)，波高相同時，波浪周期T=10 s時的橫搖角最大。波浪周期相同時，船舶的橫移量隨波高呈現(xiàn)出指數(shù)分布的變化趨勢，船舶的橫搖角隨波高呈現(xiàn)出對數(shù)分布的變化趨勢，詳見圖3和圖4。

3.2 規(guī)則波作用下

試驗(yàn)結(jié)果顯示在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，船舶橫移量隨著波浪周期增加先增大后減小，為了充分反映這一規(guī)律，試驗(yàn)將原有5個波浪周期（10 s、12 s、18 s、25 s、30 s）增加到 10 個波浪周期（8 s、10 s、12 s、14 s、16 s、18 s、20 s、22 s、25 s、30 s），進(jìn)行系列試驗(yàn)。

圖3 不規(guī)則波作用下船舶橫移量隨波高的變化趨勢Fig.3 The change trend of the ship's swaying with wave height in irregular waves

圖4 不規(guī)則波作用下船舶橫搖角隨波高的變化趨勢Fig.4 The change trend of the ship's rolling with wave height in irregular waves

系列試驗(yàn)的結(jié)果顯示，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，船舶橫移量隨著波浪周期增加先增大后減小，在波浪周期T=20 s時，船舶橫移量達(dá)到最大值，在T=18 s和22 s時達(dá)到次最大值，在T=14 s、16 s、25 s和30 s時相差不大。經(jīng)測試與分析，在錨泊系統(tǒng)下，船舶運(yùn)動的自振周期在20 s左右，當(dāng)波浪周期接近錨泊系統(tǒng)的自振周期時，船舶橫移量較大。詳見圖5。

圖5 規(guī)則波作用下船舶橫移量隨波高的變化趨勢Fig.5 The change trend of the ship's swaying with wave height in regular waves

圖6 為船舶橫搖角隨波浪周期的變化趨勢，從圖中可以看出，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，船舶橫搖角隨波浪周期的增大呈現(xiàn)雙峰狀，其中在波浪周期T=10 s時為第1個峰值，在T=20 s時出現(xiàn)第2個峰值。波高H=1.0 m時，在T=10 s和T=20 s的橫搖角分別為4.66°和2.09°，分析原因，主要是打樁船在帶樁狀態(tài)下的橫搖自振周期接近10 s，而在錨泊系統(tǒng)下船舶運(yùn)動的自振周期在20 s左右是造成橫搖角出現(xiàn)第2個峰值的主要原因。試驗(yàn)過程中考慮到船舶橫搖幅度可能造成測試儀器的損壞，故取消了T=10 s、H=1.2 m的測試。

圖6 規(guī)則波作用下船舶橫搖角隨波周期的變化趨勢Fig.6 The change trend of the ship's rolling with wave period in regular waves

從不規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同波高作用下，橫搖角隨波周期的增大而增大，在周期T=10 s時達(dá)到最大值；從系列周期的規(guī)則波試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同波高作用下，橫搖角也是隨波周期的增大而增大，當(dāng)波浪周期T=10 s接近船舶橫搖自振周期時，船舶的橫搖角達(dá)到最大值，然后橫搖角有所減小，當(dāng)波浪周期T=20 s接近船舶錨泊系統(tǒng)的自振周期時，橫搖角又出現(xiàn)次最大值。因此在外海施工作業(yè)時，應(yīng)盡量避免波浪周期接近船舶橫搖自振周期和船舶錨泊系統(tǒng)自振周期。

4 結(jié)語

涌浪、長周期波下的海上作業(yè)是國際上公認(rèn)的難題，針對涌浪長周期波工況條件下海上施工，尚沒有成熟的方法和裝備預(yù)控，類似海域如毛里塔尼亞友誼港、印度尼西亞Adipala港等工程都遭受到一定程度的損失才完成施工。因此，研究打樁船等施工船舶在涌浪長周期波作用下的作業(yè)能力顯得尤為重要。通過對打樁船在不同波浪作用下的動態(tài)響應(yīng)研究，得到當(dāng)波浪周期接近船舶橫移自振周期或錨泊系統(tǒng)自振周期時，船舶的運(yùn)動量特別是橫搖角明顯增大。此外，若控制打樁船作業(yè)時運(yùn)動量橫移量不能超過0.5 m，橫搖角不超過3°，相應(yīng)不規(guī)則波條件為H13%≤1.0 m、T≤5 s或H13%≤0.8 m、T≤6 s；相應(yīng)的規(guī)則波條件為H≤0.5 m、25 s≤T≤30 s或者H≤1.0 m、T ≤8 s。因此，建議施工前對施工船舶錨泊系統(tǒng)的橫移及橫搖等周期進(jìn)行計(jì)算分析，施工窗口期的波浪條件應(yīng)偏離其本身系統(tǒng)的橫移周期或橫搖周期，必要時結(jié)合工程海域的實(shí)測波浪要素合理編制施工方案。