淺水沉管船的錨泊定位系統設計

郭 宇 潘方豪 李 璐

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

深中通道項目位于珠江中游核心區域，起于深圳市沿江高速公路機場互通立交，向西跨越珠江口，在中山市馬鞍島登陸。該項目需要在目標海域底部鋪設沉管從而組成隧道，而工程船將安裝船和沉管運輸到作業海域后，需要先拋錨定位。鑒于作業海域海況復雜、河道可作業區域有限，同時下方沉管對接作業時精度要求高等原因，因此能夠設計出滿足項目實際需要的錨泊定位系統是項目成功實施的重要一環。

1 作業海域和限制條件

1.1 作業海域

如下頁圖1所示，深中通道沉管船的主要作業區域及用途主要包括三方面：一是位于船廠船塢的深水港池內進行浮潛作業，主要用于鋼殼沉管隧道的澆注作業；二是在珠江航道內被拖航，主要用于鋼殼沉管隧道等裝置的內河運輸任務，拖航范圍為船塢的深水港池內至深中通道輔機；三是位于珠江航道內、靠近深中通道處、開挖的深水下潛坑內進行浮潛作業，主要目的是將鋼殼沉管隧道等裝置轉移到其他浮運水道進行對接。

本文主要針對第三個作業過程，在C處的浮船塢下潛坑進行錨泊定位分析。待托運工程船撤走以后，作業過程分為兩步，第一步是2艘安裝船和沉管一起浮于水面處，第二步是將沉管逐漸下放直至海底實現精準對接。本文需分別針對這兩種作業狀態展開錨泊計算分析，以設計出滿足要求的錨泊定位系統。

圖1 工程船作業航道全程

1.2 限制條件

從圖2可以看出，雖然下潛坑深22 m，但是下潛坑尺寸只比安裝船尺寸略大，錨泊定位系統的水下部分需要布置到下潛坑外的水底，而周圍水域水深僅為7.5 m。同時為保證所有錨點都布置在水深7.5 m的航道中，因此各錨索底部錨點距船舯的橫向距離y要滿足以下限制條件：

2 錨泊系統定位能力及強度分析研究

2.1 主尺度和環境條件

安裝船主要技術參數如表1所示。

圖2 安裝船錨泊定位處航道圖

表1 安裝船的主尺度參數

沉管的標準管節為近長方體，尺寸165 m×46 m×10.6 m，自重73 000 t。

該船所處珠江航道在正常作業時環境參數如下頁表2所示，風、浪、海流同向。正常作業風、浪、流角為 0°～ 90°。

在進行系泊定位分析計算時，頻譜形式為JONSWAP譜，形狀參數為1.0，風采用1 min定常風，流采用定常流。風、浪、流方向的定義如圖3所示。

表2 環境條件參數

圖3 環境載荷的作用方向

2.2 錨泊系統時域耦合分析方法

安裝船及其系泊系統總體運動方程為：

式中：M為浮體質量矩陣；c為阻尼矩陣；k為剛度矩陣；Fs為靜態力、Fwf為波頻力、Fsv為低頻慢漂力、Fm為系泊力、Fy為立管力，單位均為kN。耦合分析是將安裝船和錨泊系統看成一個整體，使這兩個系統完全被模擬在一個模型中，考慮風浪流的聯合作用。本文所研究的系統沒有立管力，風力和流力按照后文2.6和2.7節的相關公式計算得出。

二階波浪力的近場解可以表示為：

2.3 設計衡準

本船錨泊系統根據ABS相關規范和美國石油學會API-RP-2SK 進行設計。規范對于動態分析下錨索校核需要的安全系數作了規定，安全系數是指錨索破斷強度與所受最大張力之比。當采用動力分析法時，錨索張力的安全系數應不小于表3的規定值。

張力安全系數F規定為：

式中：FMBL為錨索的最小破斷強度，kN；Fmax為錨索的最大張力，kN。

表3 極限張力和安全系數

2.4 錨泊系統布置形式

安裝船錨泊定位作業時共有8根錨索，分為4組，每組2根，布置關于X軸和Y軸均對稱。每組內一根錨索與中縱剖面的夾角為45°，另一根錨索與中縱剖面的夾角為135°。安裝船錨泊定位錨索的編號從1號至8號變化，如下頁圖4所示。

圖4 錨泊系統布置圖

考慮到安裝船的作業環境和經濟成本，錨泊定位系統采用懸鏈線式，每根錨索由全鋼絲繩組成，鋼絲繩的參數如表4所示。錨索1號至8號拋出長度為180 m，預張力為250 kN。此時需查看初始狀態下的錨泊系統典型橫剖面的單根錨索，在預張力的作用下時在下潛坑和附近水底過渡處的位置，Z向是接近水線的，Y向是符合限制的，不會松繩或存在干擾情況。

表4 鋼絲繩參數

2.5 水動力性能計算

采用HYDROD軟件計算安裝船的頻域水動力性能。其中，遭遇浪向為0～180°，中間間隔15°，頻率為0.02～2.0 rad/s，中間間隔0.02 rad/s。根據船體型線圖建立的面元模型如圖5、圖6所示：

圖5 安裝船吊重吃水7 m初始狀態

圖6 安裝船吊重吃水7 m下放狀態

計算出的波浪力包括一階波頻力、二階低頻力和二階平均波浪漂移力。選取部分有代表性的低頻波浪力隨頻率的變化曲線展示如圖7和圖8所示。

圖7 0°浪向下X方向低頻波浪力

圖8 90°浪向下Y方向低頻波浪力

2.6 風載荷計算

風載荷作為定常力，作用在船體水線以上部分。參照API規范對首向和側向風載荷的計算的經驗公式：

式中：Cs為形狀系數；Ch為高度系數；Ai為每個受風面的垂向投影面積，m2；Vw為設計風速，m·s-1。

2.7 流風載荷計算

在工程設計中，為簡化起見，常將海流和潮流看作是穩定的流動，對安裝船的作用力僅是拖曳力。參照API規范，方形船船體首向或尾向的海流力計算公式如下：

式中：Fc為首向或尾向海流力，N；S為按船體幾何形狀計算的除迎流面以外的水下部分濕表面積，m2；A為迎流面垂向投影面積，m2；Cf為摩擦阻力系數，取（1.5～2）Ns2·m-4；Cs為迎流阻力系數，Ns2·m-4。迎流面為平面時，Cs= 1.0，迎流面為半圓形時，Cs= 0.5；Vc為設計流速，m·s-1。

最終計算出的環境載荷對系統產生的靜態作用力如表5、下頁表6所示。

表5 初始狀態環境條件下的風、浪、流載荷kN

從表中所示的環境力可以看出，雖然下放狀態階段的安裝船和沉管總體的受流面積更大，但是因為下放狀態的流速為1.03 m/s，小于初始狀態的流速1.30 m/s，因此最后總的流力反而是小于初始狀態的，且此時風力也相應減少，最后總的環境力也是小于初始狀態的，因此只需校核相對危險的初始狀態的受力即可。

2.8 錨泊定位分析結果

在SEASAM-DEEPC軟件中，分別就所要求的環境條件下以及完整工況和單纜破斷工況下，0°、30°、45°、60°和 90°這 5 個環境方向下的系統受力和偏移進行計算。并提取其中最危險的工況展示如表7所示。參照所需滿足的設計規范要求，定位分析結果表明，無論是完整狀態還是單纜破斷狀態，安裝船的最大偏移和錨索最大張力均能滿足規范要求。

表6 下放狀態環境條件下的風、浪、流載荷kN

表7 安裝船的偏移和錨索張力最大值的統計結果

3 結 語

工程船的作業區域多數集中在淺水海域，且作業海域海況復雜多變，實際的限制條件眾多。本文通過深中通道沉管船的實際案例對淺水工程船的錨泊定位系統進行設計計算，給出一套符合規范要求和項目實際需要的錨泊定位系統，可供項目順利作業，并為類似系統設計提供參考。