雙浮筒系泊能力的計算分析

翁森毅 福建省港航勘察設計院，福建 福州 350002

漳灣作業區大洋臨時碼頭系泊錨地主要為滿足2 萬噸級散貨船安全錨泊、水上裝卸作業需要而建設的。根據港口生產要求、自然條件、水文特性、水域條件和船型等因素采用雙浮筒系泊。在錨地總平面設計時，依據現行《海港總平面設計規范》進行布置。

1 雙點系泊錨地設計程序

確定設計條件、錨地平面布置、系泊力計算、錨鏈拉力計算、沉錘設計、錨地設備選擇。

2 設計條件

2.1 風況

風況:根據三都澳氣象站的實測資料統計:常風向為東南向，次常風向南向及西南向，南風向出現頻率達17.5%。每年秋季至翌年的初春多為偏北風，風力較大，最大風速28m/s。夏季多東南風，風力較小，最大風速10m/s。

2.2 潮流

根據實測資料，最大漲潮流速0.58 米/秒，流向為東西向，最大落潮流速0.64 米/秒，流向為西東向。回旋水域處最大漲潮流速0.78米/秒，流向為東西向，最大落潮流速1.1 米/秒，流向為西東向。

2.3 波浪

三都澳港區屬半封閉海灣，灣口牛角坡至大嶼水域寬度3km 左右，口門偏東南向開敞。港內大小島嶼星羅棋布，四周陸域均為海拔300m以上的山脈所環抱，外海波浪難以從口門直接傳入灣內，是公認的天然避風良港。根據規范用小風區法推算漳灣公用作業區50 年一遇波要素:H1%=1.83 米，T=3.80 秒，波向為NW 向。

2.4 潮位

根據三都澳多年實測潮位統計資料，本工程特征潮位和設計潮位見下(基準面為1956 黃海平均海平面)。

累計最高潮位:5.25m

累計最低潮位:-4.34m

平均高潮位:3.08m

平均低潮位:-2.27m

最大潮差:8.38m

最小潮差:1.94m

平均潮差:5.35m

2.5 地質

由本工程地質勘察報告揭示，擬設系浮筒位置處底質為淤泥層，土層呈灰色，總體較純，偶見貝殼碎屑及局部間夾薄層細砂，土體粘性及滑感強，切面較光滑，具腥味，干強度低，韌性低，搖震反應慢，海積成因。流塑，飽和。該土層屬高壓縮性土，力學強度低，工程性能差。

3 錨地平面布置

3.1 系泊船型

本工程系泊錨地主要為滿足2 萬噸級散貨船水上裝卸作業要求。

3.2 系泊水域的尺度

根據《海港總體設計規范》(JTS165-2013)，由于本工程水域寬度受到限制、對泊穩條件較高，故錨地采用雙浮筒系泊方式，錨地水域為長方形布置，其平面尺度按下式計算:

式中:r——由潮差引起的浮筒水平偏位(m);每米潮差可按1m 計算;

l——系纜的水平投影長度(m);

B——設計船寬。

計算得，S=241.0，α=100，取S=320，α=106(考慮浮筒位置距離臨時碼頭回旋區域較近，適當放大)。錨地平面見下圖。

錨地平面布置圖

3.3 系泊水域的水深

根據現行《海港總平面設計規范》相關規定，港內錨地水深不宜小于碼頭前沿設計水深，本工程錨地設計底高程與大洋臨時碼頭一致，取-9.8m。

根據本工程實測水深地形圖，系船錨地水域的水深滿足規范要求。

4 系船浮筒系船能力分析

4.1 系泊力計算

本錨地主要為大洋臨時碼頭水上裝卸作業使用，根據相關規范要規定，碼頭六級風時應停止作業，故本錨地按六級風(13.8m/s)為計算風速，計算流速取最大落潮流速1.1m/s，流向為239°。海上波浪雖然對船舶有較大的瞬時沖擊力，但是大型船舶系泊時，系船浮筒錨鏈及系纜繩均會起到明顯的緩沖作用，且H1%=1.83m，對大型船舶作用較小，可不予考慮。

⑴作用在船舶上的風壓力。船體水面上縱向受風面積較橫向受風面積小得多，故當系泊船舶受橫向風時，風壓作用下的船舶系纜力最大。

⑵作用在船舶上的水流力。本錨地平面布置的走向與水流流向接近，根據《港口工程荷載規范》(JTS144-1-2010)，系泊船舶與潮向偏角0°～15°時水流縱向力:

式中:Fyc——水流對船舶作用產生的水流力縱向分力(KN);Cyc——水流力縱向分力系數;ρ——水的密度(t/m3);V——水流速度(m/s);S——船舶吃水線以下的表面積(m2)。

式中:Re——水流對船舶作用雷諾數，Re=VLb/ν

ν——水的運動粘性系數(m2/s)

b——系數

該水域海水溫度取25℃，ν 取0.89 ×10-4m2/s，根據潮流資料，水流流速采用V=1.1m/s，根據現行《港口工程荷載規范》，系泊船舶方型系數Cb取0.825，b 取0.009。

計算得出:Re=VLb/ν=3.1 ×105

又船舶吃水線以下的表面積S=1.7LT+CbLB=6115m2

計算得出船舶受潮流作用產生的縱向水流力:

船舶受潮流作用產生的橫向分力Fxc=Cxcρ/2·V2B=33.9KN。

⑶船舶系纜力及錨鏈拉力計算。受錨地平面尺度的限制，最不利船舶系纜力的水平夾角為24°。

由浮筒處力系平衡，計算得到浮筒單側最大錨鏈拉力為387.8KN。

考慮到系纜力較大，浮筒下錨鏈近似按直線考慮，錨鏈長度采用41.2m，錨鏈的水平夾角為20.0°。

在浮筒出口處錨鏈拉力最大:

試選φ64 有檔錨鏈錨鏈，其破斷拉力Nφ64=1560KN

計算出錨鏈的安全系數K1=Nφ64/Fm=1560/412.7=3.8 ＞3

故選用的φ64 有檔船用錨鏈滿足規范要求。

4.2 沉錘設計

根據沉錘處力系平衡計算，沉錘處水平力為387.8KN，垂直拉力為132.6KN。按照海港工程設計手冊關于錨重計算的規定，錨抓力系數K=1.1/2.3，由此可得，水下錨重應大于387.8(1.12.3)=810.9KN。進而計算出鋼筋混凝土沉錘體積

沉錘設計采用鋼筋混凝土結構，采用上邊長為2.5m，下邊長為7.5m，高度為2.5m 的正棱臺，重量達159t。為了增加沉錘與地面的粘著力，沉錘底部設邊長4m，高0.2m 的凹槽。

經計算得，實際采用沉錘V=64.8m3＞60.1m3，符合要求。

4.3 系船浮筒的選型

業主已由專業廠家購置了兩個系泊浮筒，為圓形鋼質浮筒，型號為XF5.5-D1，浮筒直徑5.5m，筒體總高3.0m，浮力31.2t。經復核能夠滿足使用要求。

5 結束語

大型船舶及在水域寬度受到限制、對泊穩條件較高時，多采用雙點系泊錨地，在港區水中過駁錨地常亦采用此形式。雙點系泊錨地設計的要點包括:(1)錨地的平面布置時錨地的走向應盡量接近水流流向和常風向及強風向;(2)通過各種工況條件船舶的風流力計算和組合，以及最不利浮筒的分析，計算出最不利浮筒受到的水平系泊力;(3)錨塊的計算與錨鏈拉力、沉錘埋置方式等因素有關，設計時應根據實際情況確定。

［1］海港總體設計規范(JTS165-2013).

［2］港口工程荷載規范(JTS144-1-2010).

［3］交通部第一航務工程勘察設計院編，海港工程設計手冊(中冊)，人民交通出版社，1997(4).