系泊系統對甲板駁船運動響應及纜繩張力的影響

左華楠，甘世行

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519082；3.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

國內外優質海岸線逐漸減少，新建港口的海況愈發惡劣，施工期間經常遇到惡劣的波浪條件，給施工船舶帶來了極大挑戰。惡劣海況下施工船舶搖蕩更加劇烈，且容易出現斷纜情況，對工程建設影響非常大，不僅影響施工質量，工期難以保證，還嚴重威脅船機設備和作業人員的安全。因此有必要對工程船舶施工作業過程中的運動響應和系泊纜受力進行研究，在外部環境荷載作用下，系泊纜由于布置形式、角度的差別，各根纜繩受力并不相同，船舶的運動響應也有較大差異。

目前，國內外學者對系泊系統做了大量研究。袁治巍等[1]基于MIKE 21 Mooring Analysis 系泊分析軟件，模擬研究在不同周期和入射角度的不規則波作用下系泊船舶運動。朱奇等[2]通過物理模型試驗，研究風浪流共同作用下系泊船舶的運動量和系纜力，分析泊位長度與系纜方式對系泊船舶的影響。陳奇等[3]基于開敞式碼頭，通過系泊船舶物理模型試驗，在不同纜繩初張力下，針對2 種LNG 船型進行了多種環境載荷下的纜繩張力和船舶運動量研究。宋向群等[4]運用OPTIMOOR 系泊分析軟件，研究了系泊索屬性對開敞式碼頭船舶系泊安全的影響。Shashikala 等[5]利用有限元法對碼頭系泊船舶進行了動力響應分析。沈雨生等[6]基于10 萬噸級散貨船，進行橫向不規則波作用下的系泊模型試驗，在同一波高下變化入射波浪周期，通過系列試驗，分析了波浪周期對系泊船舶橫移、橫搖和升沉運動的影響。宋偉華等[7]分析了長周期波浪作用下周期、波高、入射角度對船舶系泊穩定的影響，得出波高和入射角度對船舶升沉的影響極為明顯，周期對船舶縱移的影響最為明顯。肖鑫等[8]以某碼頭項目為例，通過后報波浪要素分析，得出工程區周期、波高的分布規律，利用MIKE21MA 軟件系統分析長周期波浪作用下周期、波高對船舶系泊穩定的影響。王丹[9]利用了懸鏈線方程，對錨泊設備進行選型、獲得水深、水平外力、懸鏈張力等參數之間的變化關系。肖力旗等[10]利用AQWA 軟件對系泊集裝箱船進行頻域水動力分析和時域耦合分析，分析不同裝載狀態下，集裝箱船運動響應的變化，評估裝卸作業下碼頭系泊安全。史憲瑩等[11]采用物理模型試驗方法，對橫向較大周期波浪作用下的一艘大型系泊（LNG）船舶運動響應特性進行了研究。

國內外對系泊系統的研究大多集中在貨船靠泊時的系泊分析、海洋工程單點系泊分析，鮮有對工程船舶施工作業時系泊系統的研究。本研究以3 850 DWT 甲板駁船為對象，基于水動力分析軟件AQWA，考慮纜繩動力學，應用時域分析模塊建立系泊分析模型，針對惡劣海況下，工程船舶施工時的張緊式系泊，研究不同船舶擺位、系泊形式、系泊半徑、系泊張開角度和系泊點數對工程船舶運動響應及纜繩張力的影響。

1 分析模型

1.1 船舶主要參數

港口工程施工中，甲板駁船由于具有通用性好，可選擇性強和保有量高等特點，在水下開挖、拋石和強夯等作業中應用廣泛，綜合考慮船舶穩性、載重量和吃水等特性，3 000~5 000 t 甲板駁船應用較多。

以3 850 DWT 甲板駁船為研究對象，其設計為近海航區，主要用于沿海港口載運工程輔料、塊狀石料及礦物質，設計航速約為8.0 kn，船體主尺度見表1。

表1 甲板駁船主尺度Table 1 Principal dimension of deck barge

1.2 船舶水動力建模

利用海洋工程勢流分析軟件AQWA 進行水動力建模和分析，依據船舶的形線圖，生成不同斷面的橫斷面結構，通過蒙皮生成船舶三維面模型，以水線面為界面劃分水上和水下2 部分，模型按網格單元最大長度2 m、特征容差1 m 的規格劃分網格，生成9 352 個面網格，并設置對應的船舶排水量、重心坐標和轉動慣量，獲得船舶的水動力模型。

1.3 船舶幅值響應算子RAO

為了獲得該船運動的RAO（幅值響應算子，是浮體對應自由度運動幅值與波幅的比）對該船開展頻域分析，表征是在線性波浪作用下浮體的運動響應特征，本質上描述的是線性條件下入射波幅與浮體運動幅值的關系，頻域分析是后續時域分析的必要條件。在AQWA 中添加環境參數、船體重心坐標和轉動慣量，頻域分析取波浪周期為2~30 s（57 個波浪周期），波浪方向取-180°~180°（25 個波浪方向）。波面云圖如圖1 所示。

圖1 甲板駁船在波浪中的波面云圖Fig.1 Wave surface cloud chart of deck barge in waves

1.4 船舶系泊分析

為了獲得船舶的系泊纜繩張力和運動響應隨時間的變化，需要對船舶進行時域分析。工程船舶在施工作業時，通常纜繩都是處于張緊狀態，設定張緊式系泊與海底呈一定角度，系泊纜保持張緊狀態，系泊系統的恢復剛度來源于纜繩的軸向剛度。

對于5 000 t 以下的甲板駁船，當浪高大于1 m 時，船舶的橫搖、垂蕩等運動響應較為明顯，對開挖、拋石和強夯等水上作業影響較大，當浪高大于2 m 時，大部分水上作業都很難進行。基于隨機波浪JONSWAP 波浪譜，以1 m 有效波高、8 s 譜峰周期為基準，分析不同系泊方式對船舶運動響應及系泊纜張力的影響，再對比5 種典型波高周期組合，分析不同波高周期組合對船舶運動響應和系泊纜張力的影響。

系泊系統的物理參數和各工況參數見表2。添加φ40 mm 鋼絲繩的材料參數，采用非線性懸鏈線法進行系泊分析，分別輸入導纜孔坐標和錨點坐標，連接并設置系泊纜（見圖2），進行時域分析，時域分析時間為3 600 s。

圖2 系泊系統設置Fig.2 Mooring system setup

表2 不同系泊方式計算工況表Table 2 Calculation condition table for different mooring methods

2 系泊系統對運動響應的影響分析

船舶任意時刻的運動分為縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖，其中對工程船施工影響最大的是橫搖、縱搖和垂蕩，是工程船舶運動響應分析的主要關注參數。

2.1 船舶擺位的影響

分析波浪荷載對船舶擺位的影響，設置船舶為4 點八字式的張緊系泊，船舶擺位與浪向的夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，不同擺位下系泊纜繩張力和船體運動響應見圖3。

圖3 不同波浪方向船舶運動響應和系泊纜張力Fig.3 Ship motion response and mooring cable tension in different wave directions

圖3 中纜力變化結果表明，波浪方向對船體的系泊纜張力影響重要，系泊纜力變化幅值隨著浪向角的增加而增加。運動響應結果表明，船體縱搖在45°浪向最大，但最大角度均小于2°，因此浪向對縱搖影響不大。對于垂蕩和橫搖，其均隨著浪向角的增大而增大。在水工作業中，工程船舶對橫搖的敏感度最高，在波浪方向大于45°時，船舶橫搖角急劇增大，90°浪向角中，達到最大橫搖4.9°，接近工程船舶施工限制5°。

2.2 系泊形式的影響

較為常見的工程船舶系泊布置方式有八字式、人字式和交叉式，為了獲得不同系泊形式對系泊纜力和船舶運動響應的影響，以4 點八字式系泊系統為對比工況，分別對比人字式和交叉式對系泊纜動力和船舶運動響應的影響，不同系泊形式的分析結果見圖4。

圖4 不同系泊布置方式船舶運動響應和系泊纜張力Fig.4 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring layout

圖4 中不同系泊形式下船舶運動響應和系泊纜張力結果表明，3 種系泊布置形式中，交叉式系泊剛度較大，其系泊纜力變化幅值最大；人字式系泊剛度較小，系泊纜力變化幅度最小。3 種系泊布置形式下，船體的垂蕩、橫搖、縱搖響應結果無明顯差異。

2.3 系泊半徑的影響

為了獲得不同系泊半徑對系泊性能的影響，以4 點八字式系泊系統為基礎，分別對比150 m、175 m 和200 m 的系泊半徑對系泊纜力和船舶運動響應的影響，不同系泊半徑的分析結果如圖5所示。

圖5 不同系泊半徑船舶運動響應和系泊纜張力Fig.5 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring radius

圖5 中結果表明，系泊纜力和船舶運動響應幅度都隨著系泊半徑增加而逐漸減少，主要原因是纜繩長度增加降低了整體系泊剛度。在系泊系統選型中，可以通過調整系泊纜繩長度改變系泊力的大小，進而改善系泊系統的性能。3 種系泊半徑下，船體的垂蕩、橫搖和縱搖響應結果無明顯差異。

2.4 系泊張開角度的影響

在相同的外部條件下，考慮系泊纜的不同張開角度對系泊系統和系泊動力響應的影響，在4點八字式系泊系統的基礎上，分別將系泊纜繩張開角度改為30°、45°和60°，分析張開角度變化對系泊系統運動性能和系泊纜動力性能的影響，分析結果見圖6。

圖6 不同張開角度船舶運動響應和系泊纜張力Fig.6 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring open angles

圖6 中結果表明，隨著系泊張開角度的增加，垂蕩、橫搖和縱搖的運動響應結果影響不大；但纜力變化幅度隨之增加，主要原因是張開角度的增大，增加了波浪方向的系泊剛度，進而減小了船舶各自由度的運動響應，同時，增加了系泊纜力的幅值。

2.5 系泊點數的影響

為了獲得不同系泊點數對系泊纜力和船舶運動響應的影響，分別以4 點、6 點和8 點張緊式系泊系統為研究對象，分析不同系泊點數工況下系泊系統性能和船舶運動響應的影響，系泊系統布置和計算結果見圖7。

圖7 不同系泊點數船舶運動響應和系泊纜張力Fig.7 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring points

圖7 中結果表明，隨著系泊系統點數增加，系泊纜力變化幅度顯著減少，因為更多系泊纜分擔了浮體所受到的環境荷載。船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運動響應差別不大。

2.6 不同波高周期組合的影響

為了獲得不同波高周期組合對系泊纜力和船舶運動響應的影響，以4 點八字式系泊系統為基礎，分別對比5 種典型波高周期組合，H1=0.5 m，T1=6 s；H2=1 m，T2=7 s；H3=1 m，T3=8 s；H4=1.5 m，T4=8 s；H5=2 m，T5=9 s。

不同波高周期組合的船舶運動響應和系泊纜張力分析結果如圖8 所示。

圖8 不同波浪組合船舶運動響應和系泊纜張力Fig.8 Ship motion response and mooring cable tension in different wave combination

圖8 中結果表明，隨著波高和周期的增加，系泊纜力變化幅度增大，船體垂蕩、橫搖和縱搖運動響應也隨之增大。同波高下，周期越大，系泊纜力和船體的運動響應越大；同周期下，波高越大，系泊纜力和船體的運動響應越大，這是由于波高的大小反映了波浪的能量，并且長周期波比短周期波也具有更大的能量。

3 成果應用案例

揭陽大南海海洋放流管工程是大南海石化工業園區配套輔助設施工程之一，建設排海規模為3.4 萬m3/d 的尾水排放管道。放流管作為第一階段的尾水排放設施，尾水主要有2 股來水：中石油污水處理廠尾水和石化區綜合污水處理廠近期第一階段尾水。

揭陽大南海海洋放流管工程，地處揭陽南端近海區域，施工海況條件惡劣，涌浪頻繁，施工船舶橫搖響應幅值較大，對施工船舶水下作業產生嚴重的影響，針對揭陽區域的惡劣海況，通過對船舶擺位、系泊形式、系泊半徑等研究，根據現場的風浪情況，優化系泊布置方式，有效減小了甲板駁船的橫搖運動響應，大大提高了甲板駁船海上作業的施工效率和精度，提前1 個月完成揭陽市政府要求的施工節點。

4 結語

本文以3 850 DWT 甲板駁船為例，利用水動力分析軟件AQWA，分析了工程船舶施工時的張緊式系泊狀態下，不同船舶擺位、系泊形式、系泊半徑、系泊張開角度和系泊點數對船舶運動響應及纜繩張力的影響，主要結論如下：

1） 甲板駁船對橫搖的敏感度最高，在波浪方向大于45°時，船舶橫搖響應幅值迅速變大，90°浪向角時橫搖響應幅值達到最大。

2） 交叉式系泊剛度較大，其系泊纜力變化幅值最大。人字式系泊剛度較小，系泊纜力變化幅度最小。系泊布置形式下，船體的垂蕩、橫搖、縱搖響應結果無明顯差異。

3） 隨著系泊張開角度的增加，船舶的垂蕩、橫搖和縱搖等運動響應結果影響不大，但纜力變化幅度隨之增加。系泊纜力和船舶運動響應幅度都隨著系泊半徑增加而逐漸減少，施工時可通過調整系泊纜繩長度改變系泊力的大小，進而改善系泊系統的性能。

4） 隨著系泊系統點數增加，系泊纜力變化幅度顯著減少，船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運動響應差別不大，施工時依據現場風浪條件選擇系泊點數。

5） 同波高下，周期越大，系泊纜力和船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運動響應越大；同周期下，波高越大，系泊纜力和船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運動響應越大，波高和周期的大小反映了波浪的能量大小。