長周期波浪影響下連片式碼頭系泊布置優化

張 志，孔友南，程培軍

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

連片式碼頭是港口工程中最為常見的一種碼頭平面布置形式，尤其是對于集裝箱、散貨等專用碼頭來說，考慮到裝卸作業的便捷性，碼頭一般采用連片式布置。當碼頭采用連片式布置時，碼頭上系船設施一般布置于碼頭前沿位置，有別于蝶型平面布置。當船舶系泊時，由于船舶與碼頭距離較近，系泊布置的橫纜較短；當泊位受長周期波浪影響時，由于船舶對波浪響應幅度增大，往往橫纜纜繩張力無法滿足要求，易發生斷纜事故，影響系泊安全。

國內眾多學者均對長周期波浪對船舶的作用進行了深入研究，史憲瑩[1]以物理模型試驗為主,結合數值模擬計算研究了長周期波浪、脈動風等諸因素作用下系泊船舶運動響應問題；李越[2]依托系泊物理模型試驗，結合數值模擬計算研究了不同波周期、波高對于船舶系纜力及運動量的影響；宋偉華等[3]結合實際工程案例，利用系泊分析軟件，系統分析了長周期波浪作用下周期、波高、入射波角度等對系泊穩定的影響。但目前針對如何提高長周期波浪作用下系泊穩定性，尤其是針對連片式碼頭的研究相對較少，因此對長周期波浪影響下連片式碼頭系泊布置進行研究是十分必要的。某工程泊位泊穩條件受長周期波浪影響較為明顯，為降低長周期波對泊穩條件的影響、提高泊位可作業天數，本文結合工程區波浪環境特點，利用OPTIMOOR系泊分析軟件，分析長周期波作用下船舶纜繩張力、船舶運動量的特點，并針對性地提出系泊布置優化措施，定量分析優化措施對系泊穩定的改善效果，通過系泊優化，在不采取工程措施的條件下即可實現提高泊位泊穩條件。

1 工程概況

新建港區擬建設2個5萬噸級多用途泊位、1個5萬噸級散貨泊位，本文系泊分析以1#散貨泊位為例。設計代表船型為散貨船，5萬噸級，總長223 m，型寬32.3，型深17.9 m，滿載吃水12.8 m，壓載吃水7.0 m。 1#泊位總長277 m，碼頭軸線130°～310°，碼頭采用沉箱岸壁式結構，面高程6.00 m，港池底高程-14.00 m。

2 環境條件

影響系泊的主要環境條件包括風、浪、流、潮位等，工程區潮差較小，設計高水位1.89 m，設計低水位0.40 m。泊位區流速整體較小，均小于0.1 ms。港區常風向為S、SSW、SE、E向，風速較小，年平均風速2.0 ms，年最大風速12.3 ms。1#泊位處50 a一遇設計波要素為：設計高水位，H1%=2.86 m，Hs=2.07 m，Tm=15.0 s。顯然工程區風、流條件相對較好，波浪條件是影響系泊穩定的關鍵性環境因素。

根據工程區外海波浪連續觀測資料，工程區常浪向為SSW、SW向，頻率為91.2%，實測有效波高Hs主要集中在0.6～1.6 m，平均波周期Tm主要集中在5～10 s，平均波周期Tm≥8 s頻率53.2%。按外海實測波要素推算1#泊位處對應波要素，并分級統計其波高、波周期的聯合概率分布見表1。Hs=0.6 m(H4%≈0.8 m)、Tm=8 s的保證頻率約46%，Hs=0.6 m(H4%≈0.8 m)、Tm=10 s的保證頻率約90%。即有效波高小于0.6 m，且平均波周期小于8 s的頻率約占46%；有效波高小于0.6 m，且平均波周期小于10 s的頻率約占90%。

工程區波浪條件有較明顯的長周期波特性。長周期波浪具有較大的能量，即使極小的波浪亦可能導致系泊不穩定[4]，因此長周期波浪影響下的碼頭，尤其是連片式碼頭的系泊穩定性應特別加以關注。

表1 實測波浪推算1#泊位處波高、波周期聯合概率分布 %

3 長周期波浪對系泊穩定影響分析

系船柱規格為 1 000 kN；護舷采用1450 H鼓型護舷，一鼓一板，標準反力型。系船柱及護舷均按間距15.1 m布置。

根據系纜參數分析統計資料[5]，船上配置的纜繩一般可分為鋼纜、高分子量聚乙烯纜(HMPE)以及如尼龍纜的其它纖維纜，其中鋼纜、HMPE纜均屬剛性纜。5萬噸級船的纜繩配置數量為8～18根，具有85%保證率的5萬噸級船上配置16根纜繩。纜繩破斷力(MBL)為367～950 kN，具有85%保證率的5萬噸級船上配置的MBL為740 kN。

系泊布置時，各纜繩布置應以船中為軸大致對稱，提供同樣功能的各纜繩長度應大致相同。按此原則，并結合5萬噸級船的分析統計資料，初擬系泊布置方案采用常規的422對稱帶纜布置，即艏艉纜各4根、艏艉橫纜各2根、艏艉倒纜各2根，帶纜布置見圖1，由于船體離系船柱較近，艏艉橫纜、倒纜孔至系船柱的長度僅約10 m。初擬系泊布置方案纜繩采用φ32 mm鋼纜，MBL為740 kN，鋼纜極限伸長率約1.5%。由于鋼纜彈性小，系泊時須配置較好彈性的尼龍尾纜，以適應船舶運動量。尾纜采用φ72 mm尼龍尾纜，尾纜纜繩破斷力應提高25%，MBL為920 kN，按常規配置尾纜長度11 m。

圖1 初擬方案系泊布置(單位：m)

長周期波浪作用下，船舶運動對波浪的響應加劇，當波浪周期與船舶運動的固有自振周期接近時，波浪對船舶運動量的激勵效應最為明顯。JTS 165—2013《海港總體設計規范》中規定對于5萬噸級散貨船的允許波周期為8 s，允許作業波高橫浪H4%為0.8 m、順浪H4%為1.0 m。在本系泊案例中，為定量分析波周期對系泊纜力、船舶運動量的影響，利用OPTIMOOR系泊分析軟件，分析在允許作業波高及不同波周期下纜繩張力、船舶運動量的結果，計算結果見表2～5。

計算結果表明：1)在橫浪(船浪夾角90°)作用下，纜繩張力及船舶運動量均隨波周期的增大而增大。根據OCIMF-MEG3—2008規定，對鋼纜纜繩張力允許值為纜繩破斷力的55%，HMPE纜允許值為50%，其它纖維纜允許值為45%。當平均波周期小于8s時，纜繩張力及船舶運動量均在允許范圍內，當波周期達10 s時，艏艉橫纜受力超標，纜繩受力達纜繩破斷力的80%；當波周期達12 s時，橫纜受力達纜繩破斷力的100%，發生斷纜事故；當波周期15 s時，所有纜繩受力均超標。當波周期12 s時船舶橫移運動量超標，當波周期15 s時船舶橫移運動量、升沉運動量超標。2)在順浪(船浪夾角0°)作用下，纜繩張力及船舶運動量亦隨波周期的增大而增大，當平均波周期小于12 s時;纜繩張力及船舶運動量均在允許范圍內;當波周期達15 s時，艏艉纜、艏艉倒纜受力超標，纜繩受力達纜繩破斷力的71%，船舶運動量均在允許范圍內。

綜上，長周期橫向浪對系泊穩定的影響相對顯著，當橫向作用波浪周期大于8 s時，系泊船舶在波浪作用下的纜繩張力、船舶運動量顯著增加，橫向浪作用下，纜繩受力最先出現超標的是橫纜，尤其當橫纜長度較短時，纜繩張力增加尤其明顯。

表2 橫浪波周期對纜繩張力的影響對比

注：允許值為55%。

表3 橫浪波周期對船舶運動量的影響對比

表4 順浪波周期對纜繩張力的影響對比

注：允許值為55%。

表5 順浪波周期對船舶運動量的影響對比

4 系泊優化方案

一般認為，纜繩對于限制長周期波浪作用下船舶的運動量的作用是十分有限的，因此纜繩應能適應船舶運動。系泊布置時若選用剛性較大的纜繩，如鋼纜或HMPE纜，鋼纜極限變形約1.5%,HMPE纜極限變形約3%。由于纜繩破斷時纜繩變形較小，尤其當纜繩長度較短時，極易出現纜繩受力超標的情況，因此長周期波作用下的系纜布置宜避免采用完全剛性纜繩。尼龍纜有較好的彈性，極限變形約25%，但其強度相對較低，纜繩破斷力相同時，尼龍纜繩直徑相對較大。

若要改善長周期波作用下連片式碼頭的泊穩條件，需考慮的關鍵因素在于系泊體系應能與長周期波浪作用下船舶的運動量相適應，系泊體系應有一定的彈性，以便吸收船舶的動能。可采取的系泊優化措施包括：優化帶纜布置、增加帶纜長度、更換纜繩材質、加長艉纜。據此擬定相應的系泊優化方案如下：1)優化方案1。通過在碼頭設置滾柱倒纜器，纜繩通過滾柱導纜器帶至鄰近系船柱上，增加纜繩長度，纜繩規格同初擬方案。2)優化方案2。纜繩為HMPE纜，纜繩直徑φ32 mm，MBL為740 kN，艉纜及帶纜布置同優化方案1。3)優化方案3。艉纜長度由11 m 更改為22 m，纜繩及帶纜布置同優化方案2。4)優化方案4。纜繩均為尼龍纜，纜繩直徑φ64 mm，MBL為740 kN。具體帶纜布置見圖2。

圖2 優化方案系泊布置(單位：m)

在相同典型工況即橫向波浪作用下(H4%=0.8 m，Tm=10 s)，比較5種系泊布置方案的系纜力、船舶運動量，以評判各系泊優化措施對改善系泊穩定的效果，見表6～7。可以看出，本例通過滾柱導纜器增加橫纜長度有限，僅可在一定幅度減小纜繩張力，纜繩張力降低8%；更換為HMPE纜，由于HMPE纜繩與鋼纜同屬于剛性纜，纜繩彈性略好，纜繩張力略有降低，降低約4%；通過增加艉纜長度，大幅提高系泊體系的彈性，可極大增加纜繩對船舶運動量的適應性，大幅減小纜繩張力，降低約29%；更換為尼龍纜，由于尼龍纜彈性好，纜繩對船舶運動量的適應性最好，纜繩張力降低約32%。本系泊對比分析中，僅考慮波浪作用，以上系泊優化措施對船舶的運動量基本沒有影響。

通過對比分析典型工況下系泊優化方案的纜繩張力、船舶運動量可以看出，所有纜繩更換為尼龍纜，對降低長周期波影響下纜繩張力的效果最佳，增加剛性纜配置的尼龍艉纜長度也可顯著降低長周期波影響下纜繩張力。綜合分析，宜根據船上配置纜繩的類型選擇合適的改善泊穩條件的系泊優化措施，若船上配置的為剛性纜，如HMPE纜，可增加尼龍艉纜長度，由常規的11 m更換為22 m長度的尼龍艉纜，并通碼頭面設置的滾柱導纜器，加強橫纜，適當增加橫纜長度的系泊優化措施，即優化方案3；亦可所有系泊纜繩均采用尼龍纜的系泊優化措施，但須進一步復核在風流等環境條件作用下船舶運動量，即優化方案4。

表6 典型工況下系泊優化方案對纜繩張力影響對比

表7 典型工況下系泊優化方案對船舶運動量影響對比

上述優化措施僅針對波浪單環境因素條件進行的系泊優化，在風、浪、流共同作用下，在不同水位、不同裝載度條件組合下，系泊穩定性均應能滿足要求。結合工程區環境要素，泊位可作業天數的要求(大于300 d)以及1#泊位波要素分級統計結果，波浪要素選取具有90%保證率的波要素，擬定系泊計算工況見表8，相應的計算結果見表9、10。計算結果表明，不同的工況下纜繩張力，船舶運動量均在允許范圍內，護舷壓縮最大變形0.44 m，最大系船柱受力660 kN，系泊穩定滿足，系泊優化措施可達到改善長周期波作用下連片式碼頭系泊布置優化的目的。

表8 擬定系泊計算工況

表9 纜繩張力計算結果

表10 船舶運動量計算結果

5 結論

1)連片式碼頭由于船舶離碼頭較近，一般橫纜布置較短，應特別注意長周期波浪對船舶系泊穩定性的影響。隨著波周期的增大，系泊船舶纜繩張力、船舶運動量均會相應增大，長周期波橫向作用時尤其明顯，特別是橫纜最易出現纜繩張力超標情形。

2)改善長周期波浪作用下船舶的系泊穩定性，系泊優化的關鍵在于提高系泊體系與長周期波浪作用下船舶運動量的適應性，增加系泊體系的彈性以便吸收船舶的動能，可采取優化帶纜布置、增加纜繩長度、更換纜繩材質、增加剛性纜繩尼龍艉纜長度等措施。

3)若須改善長周期波浪作用下船舶的系泊穩定性，宜根據船舶配置纜繩的類型選擇適宜的系泊優化措施，完全采用彈性較好的尼龍纜繩進行系泊布置效果最佳，采用剛性纜并適當增加尼龍艉纜的長度效果次之，通過系泊優化增加纜繩長度也可在一定程度改善系泊穩定性。長周期波作用下的系纜布置宜避免采用完全剛性纜繩的布纜方式。

4)本工程通過采用碼頭面增設滾柱導纜器增加橫纜長度，纜繩更換配置為HMPE纜并增加艉纜長度至22 m，或完全采用尼龍纜繩系泊，均可有效提高系泊船舶在長周期波作用下的系泊穩定性，減少長周期波浪對本工程系泊穩定性的影響，達到系泊優化的目的。