基于國外規范的船舶射流作用下重力式碼頭護底設計

黃 建，李 闖

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

20世紀70年代以來，引擎功率的大幅提升推動了船舶大型化的發展，隨之而來的是船舶射流損壞碼頭的問題。西方國家對此關注較早，也推出了許多具有工程指導意義的研究成果，如國際航運協會(PIANC)的設計手冊[1]以及TheRockManual[2]等推薦的相關設計方法。近年來，我國也逐漸意識到了船舶射流對碼頭危害的嚴重性，并開始對螺旋槳射流作用下的拋石穩定進行研究，取得了一定成果[3-7]，但至今國內的港口工程規范仍然缺少射流作用下碼頭護底設計的相關指導，致使國內設計人員在實際項目設計中無據可依。

本文參考國際航運協會(PIANC)的設計手冊以及TheRockManual等文獻，總結了船舶射流作用下重力式碼頭護底塊石設計的相關計算方法，以非洲某港口項目為實例，闡述重力式碼頭護底設計，可為類似工程提供參考。

1 射流引起護底破壞的作用機理

1.1 螺旋槳射流

在不受任何阻礙的水體空間內，螺旋槳射流產生的流場呈現以槳中心為軸線的圓錐形。流場可分為起始段和主體段2個發展階段，見圖1。流場的起始段，靠近螺旋槳平面，槳軸線處受槳轂影響存在低速區，在低速水體的剪切作用下，最大流速出現在槳葉中部；射流繼續發展，槳軸線上水體流速逐漸增加，最大流速位置逐漸移動至槳軸線上，此后射流形態趨于穩定。

圖1 射流流速變化過程

1.2 螺旋槳射流作用下護底塊石的起動

關于塊石起動的機理，最早由Raichlen提出：單個塊石以接觸點為中心，在慣性力、拖曳力、托舉力等共同作用下產生的力矩促使塊石開始起動，其實質是塊石質量與起動流速之間的關系。

隨后國內外學者通過模型試驗和理論推導等方法，得到許多研究成果。其中Izbash公式的認可度較高，公式指出塊石的穩定質量與起動流速的6次方成正比關系，這表明流速在達到一定值后，其小幅增加將導致塊石穩定質量巨增。

在受到碼頭岸壁和護底面的約束影響時，螺旋槳距岸壁和底面位置不同，射流產生的流場呈現出不同的分布特點。研究表明護底表面最大沖刷流速分布規律比較明顯：螺旋槳的位置由低到高，底面的沖刷流速先增大后減小；螺旋槳位置逐漸遠離岸壁，底面的沖刷流速先增大后減小。

當沖刷流速大于護底塊石的起動流速后，將引起護底的破壞，進而影響整個碼頭結構的穩定性。

2 國外規范和文獻的計算方法及比較分析

本文參考國際航運協會(PIANC)的設計手冊PIANCreportNo.180guidelinesforprotectingberthingstructuresfromscourcausedbyships以及TheRockManual等文獻，對重力式碼頭結構護底沖刷流速及塊石粒徑計算總結于表1、2。

表1 國外規范和文獻關于沖刷流速的計算方法

表2 國外規范和文獻關于塊石粒徑的計算方法

針對表1、2公式有幾點分析說明：

1)初始射流速度。無論是主螺旋槳的作用還是側推器的作用，均是基于Albertson方程，再根據試驗結果得出的經驗公式。對于側推器初始射流速度的計算，發動機功率按100%考慮；對于主螺旋槳初始射流速度的計算，根據船型、系泊條件等因素的不同，發動機的功率比例取值不同，例如：集裝箱船可選取5%～15%，散貨船可選取30%等。

2)沖刷流速。PIANC推薦的荷蘭方法和德國方法在初始射流速度的計算上是一致的，但對于沖刷流速則有所不同。荷蘭方法原本是用來估算在沖刷條件下塊石的穩定尺寸；而德國方法是基于一項關于船舶螺旋槳作用下河床保護的長期研究[8]，并考慮船舵的影響，參數選取較為復雜。

TheRockManual只給出了主螺旋槳作用時的推薦算法，且與荷蘭方法一致，同時還考慮了射流受碼頭岸壁結構和護底約束后產生的流場對塊石穩定的不利作用，建議在射流受到結構阻礙時，最大底部流速應增大10%～40%。

船舶側向或尾部有多個螺旋槳時，可按PIANC推薦的方法進行疊加。

3)塊石粒徑計算。PIANC推薦的荷蘭方法與TheRockManual推薦的算法在重力式碼頭護底塊石計算上是一致的，由沖刷流速vb，max直接推算出穩定塊石的中值粒徑D50，只是公式表達不同；而德國方法則是根據D85計算出塊石穩定速度vcrit，與沖刷流速vb，max比較，以確定塊石是否穩定。荷蘭方法是根據常規的塊石穩定性方程(Izbash方程)來估算所需的塊石尺寸；德國方法則是建立在均質土壤或級配土壤沖刷的物理試驗基礎上。

需要特殊說明的是，PIANC手冊中提到荷蘭方法及德國方法，都是基于各自獨立的理論研究。因此，如果在計算沖刷流速時選定了某一種方法后，則不可在塊石粒徑計算過程中再選用另外一種方法，改變計算方法會引發重大錯誤。

3 設計實例

3.1 基本條件

非洲某港口項目集裝箱碼頭結構為重力式沉箱形式，代表斷面見圖2，設計船型為20萬DWT集裝箱船，船長400 m、船寬58.6 m、吃水16.0 m，船首側推器功率3 778 kW，側推器直徑3.43 m，主驅動器功率75 570 kW，主驅動器直徑9.99 m。

3.2 計算公式選用

在相同條件下(船首側推器計算功率為額定功率的100%，主驅動器計算功率按額定功率的10%取值)按照荷蘭方法、德國方法及TheRockManual算法分別計算沖刷流速和塊石粒徑，結果見表3。

圖2 集裝箱碼頭結構斷面(高程：m；尺寸：mm)

表3 不同方法計算沖刷流速和塊石粒徑計算結果

由表3可見，荷蘭方法與TheRockManual算法計算結果一致，而與德國方法的計算結果相差較大。根據本文第2節的研究分析，各方法針對不同的研究對象發展而來，荷蘭方法適用于護底塊石的穩定計算，德國方法則是在均質土壤或級配土壤沖刷問題上有較好的適用性，而TheRockManual推薦的算法本身就是基于荷蘭方法，所以其結果與荷蘭方法保持一致。同時，考慮到荷蘭方法在鹿特丹港基床維護工程中的成功應用，故項目選用荷蘭方法進行設計，具體計算過程如下：

1)船首側推器初始射流速度采用公式(1)計算，其計算功率為額定功率的100%；主驅動器采用公式(2)計算，其計算功率按額定功率的10%取值。

2)在船首側推器作用下護底的沖刷流速采用公式(3)、(4)計算，在主驅動器作用下采用公式(5)計算。

3)塊石粒徑采用公式(10)計算，根據法國海洋和河流技術研究中心建議，(1Bcrit，Iz)2的取值為3。

3.3 設計結果及驗證

按上述公式計算得出的設計結果與國際咨詢公司的審查結果很接近，具體結果及比較見表4。

表4 本文計算結果與國際咨詢公司計算結果對比

從計算結果的比較來看，初始射流速度的計算結果相同，在沖刷流速上略有差別，進而導致塊石粒徑計算結果不同。產生差異的原因在于計算水位及船首側推器出口位置的確定略有不同，并建議在射流受到結構阻礙時，沖刷流速可參考TheRockManual的建議增大10%～40%。

4 結語

1)分析比較了各算法，并在實際國外工程中采用PIANC推薦的荷蘭方法對重力式碼頭護底進行設計。

2)荷蘭方法的提出是基于沖刷條件下塊石穩定的研究，因此對塊石護底的設計較為適用，在護底采用其他材料時應進一步研究其適用性。

3)德國方法的得出是基于一項關于船舶螺旋槳作用下河床保護的長期研究，在均質土壤或級配土壤沖刷問題上有較好的適用性。

4)船舶射流受到重力式碼頭岸壁和護底約束后產生的流場對塊石穩定不利，可適當增加沖刷流速計算值。