印尼某躉船碼頭系泊方案研究

張國權(quán)，曹 煜，張慈珩

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

引言

躉船是一種無動力船，通常靠在岸邊作為浮碼頭使用，供過往船只靠泊。躉船碼頭通常分為獨(dú)立躉船式、斜坡式和高樁墩臺式。獨(dú)立躉船式碼頭通過錨鏈系統(tǒng)或撐桿系統(tǒng)漂浮固定躉船，船岸連接采用浮橋，結(jié)構(gòu)簡便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。斜坡式躉船碼頭對水位變化適應(yīng)性好，在內(nèi)河中普遍使用。高樁墩臺式躉船碼頭對地基承載力要求不高，適用于河道邊坡較陡的情況。躉船的纜繩系到碼頭上的系船柱或者岸上的地牛，靠泊船舶的纜繩系到躉船上的系船柱或者岸上的地牛。對于高樁式碼頭，躉船與碼頭平臺之間需要設(shè)置護(hù)舷，靠泊船與躉船之間也需要設(shè)置護(hù)舷。躉船泊位的系泊本質(zhì)上是一種雙船并靠系泊。隨著躉船碼頭靠泊船型逐漸增大，躉船的系纜力計算分析已經(jīng)不可忽視[1]。

一般工程船舶的系纜力、撞擊力的計算主要依據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》JTS 144-1-2010[2]。躉船碼頭系泊存在著兩套纜繩與兩套護(hù)舷共同作用，相比于傳統(tǒng)的系泊計算更加復(fù)雜。另外，由于躉船系泊的特殊性，規(guī)范中推薦的系纜夾角、系船柱布置通常難以滿足。因此，針對擬定的系泊方案，需要開展相應(yīng)的專項研究，評估系泊方案的可行性。

目前國內(nèi)外關(guān)于碼頭系泊的研究，主要分為物理模型[3]和數(shù)值模型[4]兩大類。物理模型通常存在耗時久，價格高的缺點(diǎn)。數(shù)值模型通常耗時較短，且其精度也在多個工程實(shí)踐中得到充分的驗證。以O(shè)PTIMOOR為代表的系泊分析軟件，在國內(nèi)外諸多工程中得到推廣使用[5][6]。結(jié)合操作人員的工程經(jīng)驗，數(shù)值模型可以比較準(zhǔn)確的反映給定系泊方案下的纜繩受力條件與護(hù)舷反力特征，供設(shè)計人員參考，起到合理布置，優(yōu)化方案的效果。

本文以印尼某躉船碼頭為例，通過OPTIMOOR軟件評估了該碼頭的系泊安全性，供類似工程設(shè)計參考。

1 工程背景

本工程臨近馬魯谷海，擬建一個躉船碼頭，通過躉船將貨物直接卸載至靠岸卡車。工程區(qū)域岸坡坡度大，岸邊水深較淺。通過躉船作為過渡段，可在不增加碼頭平面尺度的情況下將碼頭裝卸作業(yè)區(qū)域延伸至深水區(qū)域，為散貨船的靠泊提供水深條件。躉船碼頭采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)，斷面如圖1所示。碼頭長度140 m，碼頭頂高程4.0 m。碼頭前沿躉船停泊水域區(qū)底高程-3.7 m，散貨船停泊水域底高程-14 m。

圖1 躉船碼頭斷面示意圖

工程區(qū)域附近海浪較小。有效波高大于0.8 m出現(xiàn)的頻率約為5 %，最大有效波高為1.997 m。常浪向為W向，出現(xiàn)頻率為42.74 %，次常浪向為WSW向，出現(xiàn)頻率為17.33 %，碼頭前沿設(shè)計波浪要素如表1所示。

根據(jù)附近幾個氣象站的風(fēng)速資料，工程附近海域風(fēng)速較小，常風(fēng)向為W向，出現(xiàn)頻率為25.02 %，次常風(fēng)向為WSW向，出現(xiàn)頻率為10.15 %。根據(jù)附近氣象站資料得到的風(fēng)玫瑰圖如圖2所示。

圖2 工程區(qū)域附近氣象站風(fēng)玫瑰圖

根據(jù)實(shí)測潮位資料顯示，工程區(qū)域潮差較小。另外在工程附近海域分別進(jìn)行了兩次海流觀測，觀測到的最大流速分別為0.56 m/s和0.64 m/s。

表1 碼頭前沿設(shè)計波浪要素

本工程設(shè)計船型如下表所示，躉船尺度為118 m長，22 m寬，在躉船外側(cè)靠泊最大船型為5.7萬DWT散貨船。

表2 設(shè)計船型主尺度

2 系泊方案設(shè)計

躉船碼頭系泊布置如圖3所示：

圖3 躉船碼頭系泊布置示意圖

本工程一共在岸上設(shè)置4個地牛以輔助系纜，地牛尺寸為6.5 mx6.5 mx2.5 m，地牛上設(shè)置1 000 kN系船柱，地牛平面布置如圖3所示。

5.7 萬DWT散貨船靠泊在躉船上，船用纜繩為直徑80 mm的尼龍纜，纜繩布置采用3-3-1型式。3根艏纜和3根艉纜分別系在最外側(cè)的地牛上，3根艏橫纜和3根艉橫纜分別系在內(nèi)側(cè)的兩個地牛上，倒纜均系在躉船上的系纜柱上。

躉船靠泊在躉船碼頭上，船用纜繩為直徑80 mm的尼龍纜，分別布置2根艏/艉纜，1根艏倒纜和1根艉倒纜。艏/艉纜均系到內(nèi)側(cè)地牛上，倒纜系在碼頭系船柱上。

躉船碼頭上設(shè)置錐形1 000H護(hù)舷。躉船上配備直徑1 m輪胎護(hù)舷。

3 理論分析及模型建立

OPTIMOOR軟件基于OCIMF規(guī)范計算各環(huán)境變量（如風(fēng)、浪和流等）產(chǎn)生的作用在船舶上的荷載。通過迭代尋找滿足系統(tǒng)力和力矩方程的船體位置。對于波浪作用，程序采用反應(yīng)振幅算子方法（Response Amplitude Operator）計算波浪產(chǎn)生的一階和二階波浪力，以及相應(yīng)的船舶運(yùn)動量。

在OPTIMOOR中建立系泊模型如圖4所示。

圖4 系泊數(shù)值模型示意圖

模型中考慮風(fēng)向為常風(fēng)向和任意360°方向，分析不同風(fēng)向?qū)|繩受力的影響。工程區(qū)域設(shè)計高水位1.5 m，對應(yīng)2年一遇波高為1.3 m，周期5.1 s；設(shè)計低水位0.2 m，對應(yīng)2年一遇波高為1.2 m，周期5.1 s。計算分別考慮設(shè)計高水位船舶壓載和設(shè)計低水位船舶滿載兩種工況，分析每根纜繩最大受力情況。

4 結(jié)果分析

工程區(qū)域常風(fēng)向為W向，且出現(xiàn)頻率較高（25.02 %），首先分析常風(fēng)向下纜繩最大受力情況，如圖5、圖6所示。船舶纜繩受力較為均勻，躉船最大纜繩受力為199 kN，占纜繩破斷力22 %，最小纜繩受力為92 kN，占纜繩破斷力10 %。散貨船最大纜繩受力為181 kN，占纜繩破斷力20 %，最小纜繩受力為69 kN，占纜繩破斷力8 %。

圖5 常風(fēng)向下躉船纜繩受力圖

圖6 常風(fēng)向下散貨船纜繩受力圖

進(jìn)一步的，考慮到風(fēng)向的隨機(jī)性，根據(jù)規(guī)范要求，選取任意360°方向風(fēng)進(jìn)行船舶纜繩受力分析。結(jié)果表明，相對于常風(fēng)向單一作用，全風(fēng)向作用下，船舶最大系纜力均有不同程度的增加。躉船最大纜繩受力為215 kN，占纜繩破斷力24 %，相對于常風(fēng)向最大系纜力增加了16 kN；最小纜繩受力為124 kN，占纜繩破斷力14 %。散貨船最大纜繩受力為214 kN，占纜繩破斷力24 %，相對于常風(fēng)向最大系纜力增加了33 kN；最小纜繩受力為108 kN，占纜繩破斷力12 %。所有纜繩最大受力均不超過破斷力的45 %，滿足規(guī)范要求。這表明雖然一些風(fēng)向出現(xiàn)頻率較低，但是對船舶系纜較為不利，尤其是外擋系泊的船舶，全風(fēng)向作用工況下系纜力增加更為顯著。為了船舶系泊的安全考慮，在設(shè)計過程中應(yīng)基于全風(fēng)向風(fēng)荷載進(jìn)行系纜力計算。

圖7 躉船纜繩受力圖

圖8 散貨船纜繩受力圖

船舶最大運(yùn)動量如下表所示。

表3 船舶最大運(yùn)動量

根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》JTS 165-2013[7]，散貨船裝卸作業(yè)允許的船舶運(yùn)動量如下表所示。本項目配備抓斗卸船機(jī)，船舶運(yùn)動量均滿足正常裝卸作業(yè)要求。

表4 裝卸作業(yè)允許船舶運(yùn)動量

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模型分析了散貨船與躉船并靠系泊的平面布置方案與纜繩受力特征。結(jié)果表明，本工程的碼頭尺寸與地牛排布比較合理，滿足躉船與散貨船雙船并靠系泊要求，符合散貨船系泊期間的正常裝卸作業(yè)要求。針對計算結(jié)果中散貨船縱移較大、倒纜受力較大的情況，可考慮增設(shè)散貨船倒纜，起到優(yōu)化系泊的作用。

雙船并靠碼頭的系纜方式與普通的單船系泊方式存在一定的差異，本文以散貨船靠泊躉船為例，簡要分析了雙船靠泊的布置方式與受力特性，為以后類似工程的設(shè)計提供了參考。對于風(fēng)浪流條件較為惡劣的情況，雙船靠泊對系纜布置的要求會更高，屆時通過數(shù)值模型甚至物理模型進(jìn)行試驗研究是必不可少的一環(huán)。