船載框架式整平器掃淺性能分析

周丙浩，朱時(shí)茂，焦 鵬，鄭金龍

(中港疏浚有限公司，上海 200136)

隨著疏浚工程向大型化、精細(xì)化發(fā)展，基床平整度要求越來越高[1-2]。基于長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程，荊雷等[3]對(duì)于梯形空心構(gòu)件安裝基床 進(jìn)行了船載挖機(jī)水下自動(dòng)化基床整平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；程茂林等[4]基于水下拋石基床，形成浮式智能控制水下基床整平施工工法；為解決沉管隧道建設(shè)難題，廣州打撈局聯(lián)合中船集團(tuán)第708所、華南船舶機(jī)械有限公司及天津水運(yùn)工程研究院研發(fā)全智能水下3D碎石整平清淤船，并預(yù)計(jì)于2020年6月建成投產(chǎn)[5-6]。

自航式耙吸挖泥船在疏浚施工過程中，受環(huán)境影響以及自身性能的制約，所疏浚的海底河床經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高低不平的壟、溝、淺點(diǎn)。為掃除這些淺區(qū)，達(dá)到工程的設(shè)計(jì)要求，僅靠耙吸式挖泥船，耗時(shí)多、成本高，掃淺效果差。本文基于萊州14.3 m深水航道工程，引入船載框架式整平船舶——“航工301”整平船(圖1)。針對(duì)船載框架式整平器的掃淺性能，本文建立CFD仿真模型，分析船載框架式整平器各浪向下的水動(dòng)力性能，并進(jìn)行海上試驗(yàn)，以提高工程后期的掃淺效率，提升工程整體效益，減本降耗。

圖1 “航工301”整平船

1 計(jì)算原理與模型

1.1 運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程和牛頓第二定律，本文研究的船載框架式整平器的運(yùn)動(dòng)方程為:

(1)

(2)

1.2 模型參數(shù)

1.2.1總體布置

如圖2所示，整平船主體由拖輪、船載框架式整平器、A字架、單餅滑車、頂牽索、起升鋼絲繩、牽引鋼絲繩等設(shè)備構(gòu)成。通過絞纜機(jī)收放拖纜，使整平器垂直升降，以控制整平器底面高程。借助拖輪航行拖力，依靠整平器自重及前部的切削刀口進(jìn)行破土、消除淺點(diǎn)，并填至超深區(qū)域。

圖2 總體布置

船載框架式整平器(圖3)，寬12.53 m(船寬方向)，長(zhǎng)3.8 m(船長(zhǎng)方向)，高0.925 m(主體)，自質(zhì)量約22 .5 t，可配重約至300 kN，提升系統(tǒng)的額定提升力為400 kN，最大工作水深為25 m，最大復(fù)合應(yīng)力140 MPa；拖帶鋼絲繩2根，左右兩舷各配置1根，一端配閉式索具，用卸扣連接整平器拖帶眼板，另一端為眼環(huán)，連接到主甲板艏部?jī)上系碾p帶纜樁，型號(hào)44-6×36WS-IWRC 1960 B ZS，直徑φ44 mm，長(zhǎng)度56 m，破斷力1 350 kN；每根拖索各配置1根回收繩;起升鋼絲繩2 根，型號(hào)44-6×36WS-IWRC 1960 B ZS，直徑φ44 mm，長(zhǎng)度100 m；A 字架2臺(tái)，由2根頂部連接的鋼管構(gòu)成，下端與船體上的眼板鉸接，主管頂部設(shè)頂牽索眼板，下部設(shè)滑車眼板；頂牽索2 根，型號(hào)60-6×36WS-IWRC 1960 B ZS，一端與A 字架主管頂部的眼板相連，另一端與船體主甲板上的眼板相連，直徑φ60 mm，長(zhǎng)度10.3 m，破斷力2 520 kN。

圖3 船載框架式整平器

1.2.2水動(dòng)力模型

選用船舶專用仿真軟件AQWA對(duì)整平船進(jìn)行水動(dòng)力模擬分析計(jì)算，取模型水下部分，換算微小桿件的相對(duì)力和力矩，不計(jì)外形的影響，簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。利用混合型面網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸取0.5 m，網(wǎng)格數(shù)為9 193個(gè)。

圖4 AQWA計(jì)算模型

2 海上試驗(yàn)

2.1 項(xiàng)目背景

萊州港2#港池及5萬噸級(jí)航道工程，界河口—石虎嘴為沖刷的平原砂質(zhì)海岸，岸線呈NE～SW走向；石虎嘴—三山島附近為穩(wěn)定的平原砂質(zhì)海岸，岸線呈NNE～WSW走向，岸線向西延伸至刁龍嘴。刁龍嘴西北萊州淺灘地形復(fù)雜，其上分布有眾多的砂脊溝槽，主要為復(fù)羽式砂嘴、砂壩環(huán)繞的瀉湖所構(gòu)成的海灘、瀉湖平原。港區(qū)岸段為穩(wěn)定的平原砂質(zhì)海岸，岸線較順直，岸灘平坦。水下等深線基本呈SW～NE走向，-5 m等深線以內(nèi)有兩列砂壩相間。-5、-8、-10 m等深線距岸分別為600～800、1 000～1500、7 000 m。

2.2 試驗(yàn)工況

圖5 站點(diǎn)分布

表1 顆粒分析

2.3 工藝參數(shù)

萊州港航道設(shè)計(jì)水深14.3 m，最高潮位約1.8 m，最低潮位約0.8 m，為充分發(fā)揮整平器的作用，掃淺整平作業(yè)中須控深14.3 m，保證起吊鋼絲繩垂直牽引鋼絲繩受力，牽引鋼絲繩最佳計(jì)算長(zhǎng)度為41.1 m。由于船舶條件限制，通過在纜樁上挽套牽引鋼絲繩，將牽引鋼絲繩長(zhǎng)度設(shè)定為41.6 m。掃淺整平作業(yè)中根據(jù)潮位變化每半小時(shí)調(diào)整起吊鋼絲繩長(zhǎng)度，獨(dú)立淺點(diǎn)沿2個(gè)方向過線一次基本保證消除，淺點(diǎn)集中區(qū)域，以S形走線結(jié)合多方向過線，由淺至深逐段掃淺，保持雙車前進(jìn)2(940 rmin)，船速1.03～1.54 ms。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

萊州5萬噸級(jí)航道全長(zhǎng)26.4 km，設(shè)計(jì)水深14.3 m。根據(jù)表2可知，57 078個(gè)測(cè)點(diǎn)中，淺點(diǎn)總數(shù)4 978個(gè)，主要分布在W0+000～W14+692區(qū)段，北半槽淺點(diǎn)率較高，最高可達(dá)14.28%，最淺水深13.9 m，平均淺點(diǎn)率6.1%，平整度最低為0.15,W0+000～W4+000、W4+000～W9+000、W9+000～W14+692剩余土方量分別為3 992、6 791.6、15 594 m3。

表2 水深測(cè)圖分析

3.2 水動(dòng)力性能

幅值響應(yīng)算子RAO是反映船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的重要參數(shù)，由于整平器位于海底，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可忽略不計(jì)，本文只分析整平器作用下船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況。計(jì)算時(shí)取水深為14 m，船舶吃水為2.8 m，計(jì)算頻域?yàn)?～3 rads，計(jì)算步長(zhǎng)為0.1 rads。根據(jù)船舶的對(duì)稱性，取0°、45°、90° 3個(gè)方向進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算。圖6所示為3個(gè)方向下、船舶6個(gè)自由度的頻率響應(yīng)曲線。

圖6 頻率響應(yīng)曲線

如圖6所示，船舶橫蕩和縱蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值相對(duì)較大，且隨著頻率的增加，呈逐漸減小的趨勢(shì)；由于整平器拖曳力的影響，45°浪向下，垂蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值遠(yuǎn)大于0°和90°浪向下的響應(yīng)幅值；隨著浪向的變化，船舶縱搖和艏搖運(yùn)動(dòng)的變化趨勢(shì)發(fā)生改變；0°浪向下，船舶所受縱向力較大、橫向力較小，相應(yīng)縱搖幅值較大、橫搖幅值較小；90°浪向下，船舶所受橫向力較大、縱向力較小，相應(yīng)橫搖幅值較大、縱搖幅值較小；45°浪向下，船舶所受側(cè)向力較大，相應(yīng)艏搖幅值較大；總體上，在整平器的作用下，船舶的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子較小，船舶穩(wěn)定性較高。

3.3 掃淺效果

本次實(shí)船試驗(yàn)風(fēng)浪較小，作業(yè)精度與質(zhì)量主要受潮位影響，根據(jù)潮位儀讀數(shù)計(jì)算最佳整平深度，并實(shí)時(shí)調(diào)整。圖7所示為船舶走線與過線后的軌跡與水深圖，船載框架式整平器在重力作用下，通過2條垂向鋼絲繩、2條拖帶鋼絲繩與船長(zhǎng)近似形成直角三角形，控制整平深度并限制整平器漂移。由圖7a)可知，獨(dú)立淺點(diǎn)沿2個(gè)方向過線一次基本保證消除，但整平器單邊受力時(shí)，受力不穩(wěn)，導(dǎo)致舵向難以掌控、易偏向，此時(shí)須多向過線；淺點(diǎn)集中區(qū)域，以S形走線結(jié)合多方向過線，由淺至深逐段掃淺，再根據(jù)水深測(cè)圖，消除零星淺點(diǎn)。經(jīng)業(yè)主驗(yàn)收，最終水深測(cè)圖顯示，淺點(diǎn)掃除率達(dá)100%，效果顯著。

圖7 施工效果圖

3.4 經(jīng)濟(jì)性

“航工301”輪于萊州港共計(jì)施工16 d，主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間161 h，施工時(shí)間137.3 h。總計(jì)0#油耗53.3 t，淡水消耗31.5 t。同比4 000 m3艙容的“航浚4009”輪耙吸挖泥船，預(yù)計(jì)掃淺施工工期9 d，以黃驊港施工一周油水消耗平均值計(jì)算(180#油耗9.82 td，4#油耗7.56 td，淡水16 td)，需180#油耗88.38 t，4#油耗68.04 t，淡水144 t。綜上，可節(jié)省燃油約103 t、淡水約112.5 t，另考慮管理、船舶折舊、人工等成本，“航工301”輪優(yōu)勢(shì)顯著。

4 結(jié)論

1)在整平器的作用下，船舶的運(yùn)動(dòng)幅值響應(yīng)算子總體較小，船舶穩(wěn)定性較好；船舶橫蕩和縱蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值相對(duì)較大，且隨著頻率的增加，呈逐漸減小的趨勢(shì)；45°浪向下，垂蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值遠(yuǎn)大于0°和90°浪向下的響應(yīng)幅值；隨著浪向的變化，船舶的運(yùn)動(dòng)幅值變化較大，相應(yīng)主浪向下的船舶縱搖、橫搖、艏搖運(yùn)動(dòng)幅值最大。

2)船載框架式整平器在重力作用下，通過2條垂向鋼絲繩、2條拖帶鋼絲繩與船長(zhǎng)近似形成直角三角形，根據(jù)潮位儀讀數(shù)計(jì)算最佳整平深度，并實(shí)時(shí)調(diào)整，控制整平深度，獨(dú)立淺點(diǎn)沿2個(gè)方向過線，單邊受力時(shí)，須多向過線；淺點(diǎn)集中區(qū)域。以S形走線結(jié)合多方向過線，由淺至深逐段掃淺。

3)施工周期內(nèi)同比耙吸式挖泥船，燃油節(jié)省約103 t、淡水節(jié)省約112.5 t，淺點(diǎn)掃除率達(dá)100%，效果顯著。