耿寶磊， 李偉遷2, ，李 焱,3*，高 峰,3

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456; 2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京210098;3.天津大學 建筑工程學院，天津 300072 )

駁船是港口作業(yè)和海洋平臺的運輸與安裝等常用的一種工程輔助船，其型線規(guī)則，船體肥大，在波浪中的運動幅值與受力較大[1]。碼頭船舶系泊纜繩的受力是一個非常復雜的問題，在強風大浪的作用下，碼頭系泊船舶往往纜繩崩斷，造成嚴重的海損事故，這在國內外屢見不鮮。隨著港口建設的發(fā)展，大型船舶日益增多，對系泊船舶在風浪作用下的系纜力的確定日顯重要[2]。劉必勁等[3]通過研究系泊船舶系纜力隨波高、周期、波浪入射角度以及船舶特性等要素的變化規(guī)律，提出船舶系纜力經驗公式，最后通過物理模型試驗數(shù)據(jù)分析，給出完整的系泊船舶系纜力經驗公式。王興剛等[4]通過船舶系泊物模試驗，其中試驗中考慮了不同潮位下吹攏風、吹開風以及漲落潮流的影響，對系泊狀態(tài)下LNG船的運動量、系纜拉力、撞擊能量和撞擊力等進行了分析。李焱等[5-6]以某25萬t礦石碼頭、40萬t大型油船為例，研究了不同水位、不同船舶載度、不同浪流夾角，單流、單浪和浪流共同作用時對船舶撞擊力和系纜力的影響并且分析了該碼頭工程護舷和纜繩的布置情況。湯本靖等[7]對風浪聯(lián)合作用下LNG船舶系泊進行了物模試驗分析與對比，研究表明單純風工況下2種方法(風機法與掛重法)測得的系纜力有所差異，但疊加波浪荷載后這種差異變小且不同位置纜繩受力分配狀況也有所改善。

本項目為印度尼西亞S2P公司1×660 MW電廠配套碼頭工程，計劃建設14 000 DWT駁船泊位1座，55 000 DWT散貨泊位一座。工程位于印尼爪洼島Cilacap市東側，距離市區(qū)約10 km。工程海域直接面對印度洋，外海長周期波浪特征明顯，為確保本工程建成后，船舶系泊的安全和可靠性，擬通過物理模型試驗測定船船在風、波浪、潮流等動力因素不同組合工況下的船舶運動量、纜繩拉力、護舷承受的撞擊力，以及船舶靠泊產生的撞擊力和撞擊能量等，從而確定合理的船舶系纜方式，為工程設計的更加經濟、合理提供依據(jù)。工程位置及平面布置示意圖見圖1。

圖1 工程位置及平面布置示意圖Fig.1 Sketch of project location and layout

1 試驗條件

1.1 船型尺度

本次試驗為14 000 DWT駁船，船舶裝載狀態(tài)包括滿載、半載和壓載3種，不同狀態(tài)下船舶主要尺度與參數(shù)見表1。

表1 14 000 DWT駁船主要尺度與參數(shù)Tab.1 Main dimensions and parameters of 14 000 DWT barge

1.2 風浪及水位條件

(1)風：主要考慮E向的最不利風向，對應駁船碼頭為吹開風，與碼頭夾角為77°，風速取18 m/s；同時考慮SE為常風向，其對駁船碼頭為吹開風，對系纜不利，故增加SE向風(與碼頭夾角為58°)對駁船的影響試驗，風速取10.8 m/s。

(2)波浪：根據(jù)現(xiàn)場波浪條件與碼頭岸線方向，考慮角度為40°艉來浪作用，波高取0.3～0.8 m，平均周期為12 s。

(3)以工程附近Serayu河河口附近理論最低潮面為基準(平均海平面(MSL)1.208 m)，本次船模試驗選用設計高水位為+2.46 m、設計低水位+0.42 m。

1.3 系纜及護舷

纜繩采用尼龍纜，直徑Φ=60 mm，破斷力520 kN，初始力為破斷力的5%～10%，即26～52 kN，考慮到橫纜通常受力較大，故其初始力取為26 kN，其它纜繩初始力取為52 kN。護舷選用錐型SCN700兩鼓一板標準反力型，設計反力360 kN，設計吸收能量131 kJ。

1.4 系纜布置方式

兩種系纜方式均為3:3:2布置，其中系纜方式一艏、艉纜分別系在碼頭最兩端的系船柱上，艏、艉纜與碼頭前沿的夾角為30°～35°；系纜方式二艏、艉纜分別系在碼頭兩端起算第二個系纜柱上，艏、艉纜與碼頭前沿的夾角為59°～60°。兩種系纜方式見圖2，設計高水位、船舶滿載情況下，兩種系纜方式中的系纜角度和纜繩長度比較見表2。

2-a 方式一2-b 方式二圖2 系纜方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of mooring mode

纜繩纜繩長度/m系纜方式一系纜方式二與碼頭前沿線水平角/(°)系纜方式一系纜方式二艏纜23.612.33060艏橫纜4.04.09090艏艉倒纜13.813.81010艉橫纜2.82.89090艉纜16.111.03559

2 模型設計與制作

2.1 模型比尺選擇

本模型為風、浪兩種動力條件綜合作用下的船舶系泊物理模型，遵照試驗規(guī)程應采用正態(tài)整體物理模型，當有船舶模型置于其中時，模型長度比尺不應大于80的原則。綜合試驗目的及要求，結合試驗場地和設備，確定模型幾何比尺為1：50。

2.2 船舶模擬

船模按重力相似設計，在幾何相似中使模型船與原型船保持線性尺度相似；在靜力相似中，采用配重方法，在適當位置放置適當?shù)闹匚?，使其符合不同載重時的重量及其分布要求，并保證重心的縱向和垂向位置相似；在動力相似中，對船模的質量慣性矩進行校準，保證其橫搖及縱搖周期符合相似條件。

2.3 纜繩模擬

纜繩模擬時，長度按照自船上絞車經帶攬孔至碼頭上帶纜鉤間的總長度進行模擬，船與岸相對位置固定后，長度自動滿足幾何相似。模型系纜系統(tǒng)由線繩和彈性鋼片復合而成，其中纜繩用杜邦Kevlar線制作，其本身不具備彈性，而纜繩的彈性變形則采用彈性鋼片組模擬，使其受力-變形曲線滿足相似。

由于不同系纜方式、不同載度和不同水位時的纜繩長度不同，纜繩需要重新模擬和率定。此外在纜繩模擬時，將一組纜繩合并成一根進行其受力-變形曲線的模擬。圖3給出了系纜方式一、船舶滿載、高水位時系泊纜繩的模擬結果，從中可知模擬效果較好。

圖3 14 000 DWT駁船滿載、高水位時系泊纜繩模擬結果(系纜方式一)Fig.3 Simulation results of mooring line at full load and high water level for 14 000 DWT barge (mooring mode 1)

2.4 護舷模擬

護舷模型主要模擬護舷的反力-變形曲線相似。本試驗模擬了可能與船舶碰觸的13個護舷，兩鼓一板合并模擬，模擬結果見圖4。

3 系泊安全標準

(1)運動量標準。國際航運協(xié)會(PIANC)[8]于 1995 年推薦了可接受的船舶最大運動量值供參考，本次試驗研究主要以PIANC(1995)年推薦允許值作為依據(jù)，即：縱移不超過 2.0 m、橫移均不超過 10 m，橫搖不超過 6.0°，縱搖與回轉均不超過 2.0°。

(2)系纜力標準。根據(jù)石油公司國際海事論壇(OCIMF)[9]相關規(guī)定，對于尼龍纜(polyamide rope)，其纜繩所受拉力不應大于其最小破斷力的 45%，如超過則認為纜繩直徑不滿足安全系泊要求。因此對于14 000 DWT駁船單根纜繩的最大受力應小于Φ60 mm的尼龍纜的最小破斷力(520 kN)的45%，為234 kN，才可滿足系泊要求。

(3)護舷標準。對于護舷的撞擊力和撞擊能量，當實測撞擊力和撞擊能量超過護舷的設計撞擊力和撞擊能量時，則認為護舷型號不滿足要求。

4 試驗結果與分析

4.1 系纜方式一

(1)系泊力和撞擊力。

試驗結果表明，在系纜方式一中，橫纜的受力較大，尤其是艏橫纜的受力最大，艏、艉纜的受力則較小，主要原因是波浪為近乎45°的斜浪，而艏艉纜的纜繩長度為艏艉橫纜長度的5～8倍，與碼頭前沿線的夾角約30°～35°，造成艏、艉纜和艏、艉橫纜之間的受力不均勻，即艏艉纜分擔的橫纜力不充分；斜浪作用下，船頭和船尾處的幾個護舷所受撞擊力比中間的護舷受力要大。

系纜方式一單根系纜力的最大值和錐型SCN700兩鼓一板護舷所受的撞擊力及撞擊能量的最大值見表3，從中可知：

表3 兩種系纜方式的單根系纜力、撞擊力和撞擊能量最大值Tab.3 Single root cable force, impact force and the maximum impact energy of two mooring modes

注：波高單位為m，力的單位為kN，能量單位kJ。

(2)運動量。

4.2 系纜方式二

(1)系泊力和撞擊力。

由于系纜方式二的艏、艉纜的纜繩長度比系纜方式一減小(約為系纜方式一的0.52～0.68倍)，與碼頭前沿線的夾角從30°～35°增大至59°～60°，故分擔了部分橫纜受力，使得橫纜受力有所減小，艏、艉纜和艏、艉橫纜繩受力更為均勻些。船舶3個載度中，滿載時纜繩的受力最大，半載次之，壓載最小，兩個水位條件下的系纜力相差不大，其中設計低水位時的最大橫纜力略大于設計高水位。

斜浪作用下，船頭和船尾處的幾個護舷所受撞擊力比中間的護舷受力要大，船舶3個載度中，滿載時的撞擊力和撞擊能量最大，半載次之，壓載最?。粌蓚€水位條件下的撞擊力和撞擊能量相差不大。

系纜方式二單根系纜力的最大值和錐型SCN700兩鼓一板護舷所受的撞擊力及撞擊能量的最大值見表3，從中可知：

(2)運動量。

4.3 靠泊試驗

根據(jù)試驗技術要求，測定了14 000 DWT駁船滿載、靜水條件下靠泊時對護舷的撞擊力和撞擊能量，船舶靠泊角度5°，靠泊速度為0.20 m/s。試驗時，當船舶牽引離護舷2～3 cm時，關閉牽引動力，讓船模依慣性撞擊護舷(護舷編號從船頭～船尾為1#～13#，見圖5)，同步測量撞擊力和撞擊能量。

船舶以5°角靠泊時，一般船首端先靠上1#護舷，此時1#護舷所受到的撞擊力最大，撞擊能量也最大，隨著1#護舷的變形，2#護舷受到撞擊，然后整個船體靠上，但船首受1#護舷的反作用力，使得船尾處的13#護舷往往會先受力，因此，船舶靠泊時，首、尾兩端護舷的受力最大，其它護舷的受力很小。駁船靠泊撞擊力過程曲線見圖6，從靠泊過程中最大受力護舷撞擊受力的整個過程曲線可以看出護舷的撞擊力瞬間突變衰減。當靠泊速度為0.20 m/s，試驗測得護舷所受最大撞擊力為712 kN，最大撞擊能量為176 kJ。

圖5 14 000 DWT駁船靠泊試驗照片F(xiàn)ig.5 14 000 DWT barge berthing test photo圖6 14 000 DWT駁船靠泊撞擊力過程線圖Fig.6 14 000 DWT barge berthing impact force process chart

5 結語

對于14 000 DWT駁船，采用Φ60 mm尼龍纜和錐型SCN700兩鼓一板護舷時：

(1)由于系纜方式二的艏、艉纜的纜繩長度比系纜方式一減小(約為系纜方式一的0.52～0.68倍)，與碼頭前沿線的夾角從30°～35°增大至59°～60°，故分擔了部分橫纜受力，使得橫纜受力有所減小，艏、艉纜和艏、艉橫纜繩受力更為均勻些。而且采用系纜方式二后，船舶的六自由度運動量數(shù)值同系纜方式一的結果略有變化，但相差不大，主要原因是兩種系纜方式提供的橫向剛度變化較小，但由于改變了艏艉橫纜的長度，從而使各個纜繩間的纜力更為均衡，因此系纜方式二對系泊更為有利。(2)對于系纜方式二，當港內波浪周期在12 s時，船舶系纜力的限制波高為H4%≤0.5 m；船舶運動量的限制波浪工況為H4%≤0.6 m；設計護舷要求的限制波浪工況為：H4%<0.8 m。(3)當船舶靠泊角度5°，靠泊速度0.20 m/s，錐型SCN700兩鼓一板護舷所受最大撞擊力為712 kN，小于SCN700兩鼓一板護舷的設計反力(360×2=720 kN)，最大撞擊能量為176 kJ，小于SCN700兩鼓一板護舷的設計吸能量(131×2=262 kJ)；因此，護舷選型可滿足船舶以小于等于0.2 m/s靠泊速度時的靠泊要求。