相鄰泊位船舶同時在泊時船舶系泊試驗研究

張萬威，陳國平，嚴士常*，楊 越

(1.海岸災害及防護教育部重點實驗室(河海大學)，南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098；3.上海灘涂海岸工程技術研究中心，上海 200061)

近年來，我國的港口建設事業迎來了新的發展，需要相關技術人員用多種手段來確保港口工程的安全。船舶系泊時纜繩受力情況和船舶狀態都十分復雜，受到波浪、風、流、船舶自身等眾多因素影響，系泊船舶運動幅度過大會影響泊位正常作業，纜繩受力過大會導致斷纜，造成嚴重損失[1]。因此我國現行規范指出需要通過物理模型試驗并結合數值模擬試驗的方式來確定系泊船舶在風、浪、流共同作用下的綜合運動情況[2]。眾多研究人員對船舶系泊試驗開展了各種類型的研究并取得了眾多的成果[3-8]，但研究重點大多為外界環境荷載對于單艘船舶系泊的影響，國內對于相鄰泊位系泊船舶之間影響研究較少。當碼頭的泊位設計滿足多種噸級的船舶組合停靠要求時，同一停泊水域的相鄰泊位之間停靠的船舶稱為相鄰泊位系泊船舶。郭科等[9]通過整體物理模型試驗，比較了兩艘超過5萬t級貨船同時停靠泊位作業和它們單獨停靠泊位時各自的船舶運動狀態及系纜力大小，得出同時停靠的兩船之間總體上受彼此的影響較小。

關于雙船系泊系統研究較多，孔友南等[10]通過Optimoor數值分析軟件，從泊位長度、纜繩數量及平面布置等角度對某浮式LNG泊位雙船系泊項目進行分析，得出受風流影響為主的泊位一般在滿載時內檔船舶倒纜受力最大，可通過增加FSRU艏艦纜數量、適當加大泊位長度并將艏艦纜系纜墩前移來改善倒纜受力狀態。沈嘉煒[11]通過數值模擬試驗，以6 900 t遠洋貨船和1 600 t沿海貨船作為研究對象，分別完成了波浪作用下船體固定、重力方向上船體自由垂蕩和船體進行垂蕩-橫搖雙自由度耦合運動的數值模擬。但以上的研究均是針對雙浮體并靠且共用一個泊位的情況，與本文指出的相鄰泊位船舶同時在泊時的船舶系泊情況并不相同。

隨著港口深水化、船艦大型化，對于許多停泊水域有限的港口，船舶相鄰停靠的現象很普遍，但船舶相鄰停靠時兩船相互影響以及對泊位的影響是個復雜的問題，對于此問題的研究很有必要。本次研究通過船舶系泊物理模型試驗，對工程泊位的系泊船舶在船舶相互影響及風、波浪、水流作用下，對不同水位、不同裝載狀態時的運動量以及纜繩的系纜力進行了試驗研究，可為設計和運營提供參考。

1 物理模型

1.1 試驗設備及測量儀器

試驗在河海大學波浪港池中進行，港池長60 m、寬40 m、深1.2 m。港池的四周設置消浪緩坡，來消除波浪二次反射影響，港池內配有可移動式造波機，可產生試驗所要求的兩個方向的不規則波浪。試驗中波高采用電阻式波高儀測量，船舶運動量采用六自由度運動測量儀測量，系纜力和護舷擠靠力分別通過纜力傳感器和護舷傳感器(圖1)測量，采集頻率均為100 Hz。

圖1 護舷傳感器

1.2 模型布置及試驗船型

試驗遵循JTS/T231-2021《水運工程模擬試驗技術規范》[12]采用正態模型，按重力相似設計，模型比尺為1：58，物理模型整體布置如圖2所示，本試驗泊位為2#泊位，布置在新建防波堤內測，與防波堤平行布置。防波堤主要由堤心石和護面塊體組成，泊位結構由有機玻璃進行模擬，通過往護舷傳感器底部增加木板使得護舷的重心高程與原型相似，通過調整橡膠成分和護舷傳感器頂部重物質量使模型護舷的力學性能曲線與原型相似，纜繩模型將相同的纜繩合并采用一根纜繩模擬，采用基本無彈性(本次試驗測力范圍內)的鋼絲與多級彈簧鋼片的組合體模擬，通過改變彈簧鋼片的長度來模擬不同的拉力-伸長曲線，以達到拉力-伸長相似。同時，纜繩的長度、系纜位置以及系纜角度也與原型相似。船舶模型采用玻璃鋼制作，與原型保持幾何相似。對船舶的不同載重狀況分別采用鐵制砝碼壓載配重，使船舶模型滿足吃水、重量、重心位置、質量慣性矩和自振周期等與原型相似。

圖2 模型布置圖

1#泊位停泊30萬t級油船，2#泊位停泊5萬t、30萬t級油船。30萬t級油船纜繩采用直徑Ф 44 mm纖維芯鋼纜,每根纜繩配11 m Φ 96 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用4:2:2:2方式，共計20根纜繩，5萬t級油船纜繩采用直徑Ф 28 mm纖維芯鋼纜, 每根纜繩配11 m Φ 60 mm尼龍尾纜，纜繩布置采用2:2:2:2方式，共計16根纜繩。30萬t級油船單根纜繩初始拉力調整為100 kN，5萬t級油船單根纜繩初始拉力調整為60 kN。2#泊位30萬t級油船系纜布置如圖3所示。外側靠船墩橡膠護舷規格為兩鼓一板SUC2500H鼓型標準反力橡膠護舷，內側靠船墩橡膠護舷規格為一鼓一板SUC2500H鼓型標準反力橡膠護舷。

圖3 2#泊位30萬t級油船系纜布置圖

1.3 試驗組次

不規則波波譜采用JONSWAP譜，譜峰因子γ取值為3.3,水流荷載和風荷載模擬均滿足重力相似，試驗時采用按原型分別計算水流和風對船舶的作用力，再將其換算成模型值，采用掛重物的方法模擬。試驗分別測量了2#泊位的兩種船型在表1的不同組合工況下纜繩系纜力、船舶運動量，總計46組，特別注明1#泊位和2#泊位沒有船舶停靠時分別在各自泊位前放置若干浪高儀來采集波高，測點布置圖如圖2所示。為保證試驗的可靠性，試驗時每種工況重復3次，取3次測量數據的平均值為最終結果。本文所呈現的試驗結果數據均是通過試驗測量值乘以模型比尺因子換算得到的原型值，1#泊位30萬t船舶載度為半載，試驗俯拍圖如圖4所示。

2 試驗結果與分析

2.1 2#泊位船舶停靠對1#泊位前沿波高的影響

對18組不同組合工況下1#泊位前沿波高數據進行分析，并將2#泊位船舶有無停靠時的1#泊位前沿波高進行對比，得到1#泊位前沿相對波高對比圖(圖5)。其中，2#泊位沒有船舶停靠時1#泊位前沿有效波高為H1，有船舶停靠時為H2，其中圖中標注所示的船舶載度和噸級均為2#泊位前停泊的船舶，1#泊位前停泊的船舶均為半載、30萬t級油船，故在圖中不標識。

結合圖5-a～圖5-c，在波向SSW時，在高水位時，在相同的波浪情況下，當2#泊位前停泊5萬t或30萬t船舶時，1#泊位前沿每一排的測點相對波高呈現不同的變化規律，靠近口門的1～3這一排測點，呈現相對波高隨著越遠離泊位先變大后減小的規律，處于泊位中間的4～6這一排測點，呈現相對波高隨著越遠離泊位先變小后變大的規律，處于靠近1#泊位的7～9這一排測點，呈現相對波高越遠離泊位越小的規律，并且在相同工況時，壓載時同一測點的相對波高基本都比滿載時要大。這是因為通過防波堤繞射進入泊位的波浪與2#泊位上停泊的船舶所反射的波浪在泊位1#相互疊加，靠近2#泊位的測點受反射波浪影響大，靠近堤頭的測點受繞射波浪影響大，而船舶壓載與滿載相比，船舶在相同情況下壓載時的橫搖比滿載大，對波浪的擾動影響更明顯導致反射的波浪也越大。結合圖5-a～圖5-b,在波向SSW時，在高水位和相同的波浪情況下，同一載度的不同噸級船舶的相對波高進行比較，30萬t級船舶對1#泊位前的波浪影響要比5萬t級船舶的大，這是因為大噸級的船舶尺寸更大，相當于波浪通過船舶反射的位置更加靠近1#泊位。

5-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 5-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t

結合圖5-d～圖5-f，在波向W時，1#泊位前沿各測點相對波高大于1的數量要大于波向SSW，這是因為波向W時兩個泊位基本沒有受到防波堤的掩護從而2#泊位的船舶正面受到波浪的作用，使反射到1#泊位的波浪更大，而波向SSW時2#泊位的船舶側面受到波浪的作用，使得反射到1#泊位的波浪較少。在波向W時，在同一船型、同一工況時，船舶壓載時與滿載時的同一測點相對波高互有大小，在2#泊位為30萬t船時，雖然船舶壓載與滿載相比，船舶在相同情況下壓載時的橫搖比滿載大，但由于船型尺寸大帶來的波浪反射大占主導因素，在2#泊位為5萬t船時，在船型尺寸不大的情況下，船舶在相同情況下壓載時的橫搖比滿載的大而造成靠近2#泊位的7～9測點的相對波高也是壓載時的大。

為了進一步探究2#泊位船舶停靠對1#泊位前一倍船寬前水域波高的影響，計算并匯總每種工況下1～9測點有效波高的平均值，記作為1#泊位平均有效波高，具體值見表2。

表2 各組工況下1#泊位平均有效波高匯總表

從表2可知，在浪向SSW時，2#泊位船舶停靠會使得1#泊位前平均有效波高略有減小，減少幅度最大可達9.9%，在同一船型、同一工況時，船舶滿載時的1#泊位平均有效波高要小于壓載時的1#泊位平均有效波高，在同一載度、同一工況時，5萬t級船舶的1#泊位平均有效波高要小于30萬t級船舶的1#泊位平均有效波高，在浪向W時，2#泊位船舶停靠基本會使得1#泊位前平均有效波高增大，增大幅度最大可達8.5%，在同一船型、同一工況時，船舶滿載時的1#泊位平均有效波高依然小于壓載時的平均有效波高。總體上看，波高增減幅不大，大部分波高變幅約5%，僅個別組次變幅較大。

2.2 1#泊位船舶停靠對2#泊位船舶系纜力的影響

對36組不同組合工況下2#泊位船舶系纜力數據進行對比分析，得到2#泊位船舶系纜力最大值對比圖(圖6)，特別說明本文中的各組系纜力均是單根纜繩的系纜力。系纜力分布不均勻是引起船舶系泊狀態下造成纜繩斷纜的原因之一，因此需要選擇合適的系纜方式使得各纜繩拉力分布盡量均勻，定義各纜繩拉力標準差與均值的比值為纜繩拉力不均勻系數，計算各組工況下纜繩拉力不均勻系數、每一工況下纜繩拉力最大值及其出現的位置，統計結果匯總見表3、表4。

表3 浪向為SSW時各組工況下纜繩拉力相關值匯總表

表4 浪向為W時各組工況下纜繩拉力相關值匯總表

結合圖6-a～圖6-f可知，在同等工況下，1#泊位無船與有船靠泊時2#泊位船舶各纜繩的系纜力互有大小且相差不大。同等工況下,不同水位的纜繩系纜力分布情況相似，船舶壓載與滿載時的纜繩系纜力分布情況不同。這是因為該試驗兩個水位相差不大，相同工況下模擬風荷載所用重物質量相同，低水位時模擬水流荷載所用的重物比高水位的稍重一些，各纜繩長度與系纜角度隨著水位不同發生的變化也帶來了系纜力的些許不同。在壓載時風的影響程度比水流大，在滿載時水流的影響程度比風大，在采用《系泊設備指南》計算風荷載和水流荷載時，風荷載主要與船舶吃水線以上的受力面積有關，而水流荷載主要與船舶吃水線以下的受力面積有關，這造成了兩者在不同載度時對于系泊系統的影響程度不同。

6-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 6-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t

不同波向對系纜力的影響有較大差異。由以往文獻得知[11]，一般情況下，相同波高、周期作用下，橫浪作用下的系纜力要比順浪和斜浪大很多。結合圖6-a～圖6-f可知，在SSW與W兩個浪向作用下，2#泊位船舶各纜繩的系纜力分布情況完全不同，SSW向主要受力由艏倒纜、艉橫纜承擔，而W向主要受力由艏橫纜、艉橫纜承擔。

由表3、表4可知，1#泊位船舶停靠對2#泊位船舶系纜力最大值出現的位置基本沒有影響，系纜力最大值互有大小且相差不大。當浪向為SSW時，同等工況下，船舶壓載時1#泊位船舶停靠會使得2#泊位船舶纜繩拉力不均勻系數增大，而船舶滿載時纜繩拉力不均勻系數減小，這是因為船舶壓載時運動量比滿載時大，對外界的環境變化更敏感，當1#泊位有船舶停靠時，有部分繞過口門的波浪在經過1#泊位船舶時再次發生反射和繞射，部分減小了到達2#泊位的波浪，起到了遮蔽作用。當浪向為W時，同等工況下，1#泊位船舶停靠會使得2#泊位船舶纜繩拉力不均勻系數可能增大也可能減小，但總體的變化趨勢是增大，這是因為在1#泊位沒有船舶停靠時，2#泊位近似于受到橫浪的作用，船舶纜繩系纜力前后分布較為對稱，但在1#泊位有船泊停靠時，入射波浪在經過1#泊位船舶時發生反射和繞射，達到2#泊位處時相當于有斜向波浪的作用，使得船舶纜繩系纜力前后分布對稱性有所改變。

2.3 1#泊位船舶停靠對2#泊位船舶運動量的影響

對36組不同組合工況下2#泊位船舶運動量數據進行對比分析，得到圖7和圖8，特別說明本文中的橫移為0至最大值，其他均為正負最大值。

7-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 7-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t 7-c SSW向,1.5 m,6 s,2#泊位為5萬t

結合圖7-a～圖7-f可知，在相同工況、同一船舶噸級及載度下，1#泊位無船與有船靠泊時2#泊位船舶橫移、縱移和升沉互有大小且相差不大。試驗時同一船舶在兩個水位同種工況下得到的船舶橫移、縱移和升沉互有大小且相差不大。不同波向對船舶橫移、縱移和升沉的影響有較大差異。在SSW浪向作用下，相同工況下船舶橫移、縱移和升沉三者大小關系為縱移大于橫移大于升沉，在W浪向作用下，相同工況下船舶橫移、縱移和升沉三者大小關系為橫移大于升沉大于縱移或升沉大于橫移大于縱移，這是因為在斜向波浪作用下，船舶以縱向運動為主，在90°橫向波浪作用下，船舶隨著波浪往碼頭方向來回上下運動，船舶以橫向和升沉運動為主。

結合圖8-a～圖8-f可知，在相同工況、同一船舶噸級及載度下，1#泊位無船與有船靠泊時2#泊位船舶橫搖、縱搖、回旋互有大小且相差不大。試驗時同一船舶在兩個水位同種工況下得到的船舶橫搖、縱搖、回旋互有大小且相差不大。整體上在相同工況下船舶的橫搖值要大于縱搖值和回旋值，尤其是船舶為壓載狀態時特別明顯。

8-a SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為30萬t 8-b SSW向,1.5 m,8 s,2#泊位為5萬t 8-c SSW向,1.5 m,6 s,2#泊位為5萬t

3 結論

(1)在浪向SSW時，總體上可得出2#泊位船舶停靠會使得1#泊位前平均有效波高略有減少，在浪向W時，2#泊位船舶停靠基本上會使得1#泊位前平均有效波高略有增大。在同一船型、同一工況時，船舶滿載時的1#泊位平均有效波高均小于壓載時的平均有效波高。總體上看，波高增減幅不大，大部分波高變幅約5%，僅個別組次變幅較大。

(2)在同一浪向、同一水位、同一波浪、同一船舶噸級及載度下，1#泊位無船與有船靠泊時，2#泊位船舶各纜繩的系纜力和船舶運動量互有大小且相差不大。

(3)該試驗的1#泊位與2#泊位有一定角度，W、SSW向波浪對泊位船舶系纜力和運動量有較大影響且不同浪向的影響有較大差異。

(4)該試驗時同一船舶在兩個水位同種工況下得到的船舶系纜力、運動量互有大小且相差不大。這是因為該試驗兩個水位相差不大，相同工況下模擬風荷載所用重物的質量相同，低水位時模擬水流荷載所用的重物比高水位的稍重一些，各纜繩長度與系纜角度隨著水位不同發生的變化也帶來了系纜力的些許不同。

(5)相鄰泊位船舶同時在泊時，由于船舶對波浪的反射、繞射和船體擺動等多種因素的影響，會改變泊位前波高分布，從而引起船舶系纜力和運動量的變化，在本文所述的工程布局下，相鄰泊位船舶同時在泊時總體影響較小，不會在本質上改變船舶的系泊安全。