涌浪及長周期波作用下打樁船動態響應試驗研究

黃宣軍 ，賈朝琿 ，黃明漢 ，莫忠璇

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 概述

近年來，隨著我國港口工程建設的不斷發展，傳統的港口碼頭工程也逐步由近岸海域走向深、遠海水域，港口工程建設區域也由國內走向海外，特別是亞洲、非洲和拉丁美洲的一些國家。工程的施工離不開工程船舶，然而外海的涌浪、長周期波對工程船舶的安全作業帶來相當大的困難。

涌浪是風浪離開風區后所形成的波浪或者風區里的風停息后所遺留下來的波浪，長周期波是指波周期比涌浪更大的波浪。國際航運協會的《在港系泊船舶運動量標準》（1995年）給出典型涌浪的周期為10～25 s，其對長周期波的定義為周期是0.5～5 min。英國規范BS 6349-1-2000《海上建筑物通用標準的實施規程》[1]對長周期波的描述為“周期數分鐘，波高通常小于1 m”；日本規范《港灣設施技術基準》將30～300 s的周期定義為長周期波。涌浪及長周期波在海上是難以發覺的，僅在靠近海岸的地方才能覺察出來，由于其波長較長、波浪傳播速度較快，具有相當大的能量，對海上施工船舶或港內系泊船舶的運動帶來較大影響。K Ohshima等[2]認為30～300 s的長周期波通常會引起長時間的港內水面振蕩，從而干擾港口的正常裝卸作業并造成纜繩的損壞。K Murakami等[3]在1999年通過實地觀測和數值計算的方法研究了長周期波引起的海港振蕩和船舶運動之間的關系。楊憲章等[4]在上世紀80年代針對毛里塔尼亞友誼港系泊船舶的斷纜問題，進行了長周期波特性及對系泊船舶動態特性影響的研究[3]。以上文獻都是針對港內系泊船舶的研究，本文將以涌浪為主，長周期波為輔，研究打樁船施工船舶在涌浪及長周期波作用下的動態響應。

2 物理模型試驗

研究采用的打樁船總長64.14 m、型寬26.0 m、型深4.5 m，樁架高93.5 m，船上共設置移船定位液壓錨絞車8臺，布置在上甲板中部，左舷和右舷各布置4臺。錨纜采用的是直徑42 mm的鋼纜，破斷力約為100 t[5]，錨絞車的核定拉力為40 t，支持最大拉力100 t。施工作業時的錨纜長度約300 m，錨泊方式為艏艉外八字纜，左右舷內八字纜，船舶錨泊方式見圖1所示。

圖1 打樁船錨泊方式圖Fig.1 Anchoring system of piling ship

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》等[6-8]有關規定進行設計，模型比尺為1∶50。模型基本參數見表1，船舶模型見圖2所示。

表1 打樁船基本尺寸（比尺1∶50）Table 1 The dimensions of piling ship(test scaleis 1∶50)

圖2 打樁船模型圖Fig.2 Model of piling ship

試驗水深為30 m，波浪條件分為風浪作用和涌浪長周期波作用兩部分，其中風浪作用采用的是不規則波，波浪頻譜采用JONSWAP譜，不規則波試驗的波浪周期為5～10 s；涌浪長周期波作用采用的是規則波，規則波試驗的波浪周期為10～30 s，詳見表2。

表2 試驗波浪條件Table2 Test wave conditions

3 試驗結果

3.1 不規則波作用下

由于是90°橫浪作用，船舶的橫移量和橫搖角較大，縱移量和縱搖角較小。隨著波浪周期的增加，船舶的橫移量、橫搖角及錨纜力逐漸增大。在試驗波浪要素范圍內，波高相同時，波浪周期T=10 s時的橫搖角最大。波浪周期相同時，船舶的橫移量隨波高呈現出指數分布的變化趨勢，船舶的橫搖角隨波高呈現出對數分布的變化趨勢，詳見圖3和圖4。

3.2 規則波作用下

試驗結果顯示在試驗條件范圍內，船舶橫移量隨著波浪周期增加先增大后減小，為了充分反映這一規律，試驗將原有5個波浪周期（10 s、12 s、18 s、25 s、30 s）增加到 10 個波浪周期（8 s、10 s、12 s、14 s、16 s、18 s、20 s、22 s、25 s、30 s），進行系列試驗。

圖3 不規則波作用下船舶橫移量隨波高的變化趨勢Fig.3 The change trend of the ship's swaying with wave height in irregular waves

圖4 不規則波作用下船舶橫搖角隨波高的變化趨勢Fig.4 The change trend of the ship's rolling with wave height in irregular waves

系列試驗的結果顯示，在試驗條件范圍內，船舶橫移量隨著波浪周期增加先增大后減小，在波浪周期T=20 s時，船舶橫移量達到最大值，在T=18 s和22 s時達到次最大值，在T=14 s、16 s、25 s和30 s時相差不大。經測試與分析，在錨泊系統下，船舶運動的自振周期在20 s左右，當波浪周期接近錨泊系統的自振周期時，船舶橫移量較大。詳見圖5。

圖5 規則波作用下船舶橫移量隨波高的變化趨勢Fig.5 The change trend of the ship's swaying with wave height in regular waves

圖6 為船舶橫搖角隨波浪周期的變化趨勢，從圖中可以看出，在試驗條件范圍內，船舶橫搖角隨波浪周期的增大呈現雙峰狀，其中在波浪周期T=10 s時為第1個峰值，在T=20 s時出現第2個峰值。波高H=1.0 m時，在T=10 s和T=20 s的橫搖角分別為4.66°和2.09°，分析原因，主要是打樁船在帶樁狀態下的橫搖自振周期接近10 s，而在錨泊系統下船舶運動的自振周期在20 s左右是造成橫搖角出現第2個峰值的主要原因。試驗過程中考慮到船舶橫搖幅度可能造成測試儀器的損壞，故取消了T=10 s、H=1.2 m的測試。

圖6 規則波作用下船舶橫搖角隨波周期的變化趨勢Fig.6 The change trend of the ship's rolling with wave period in regular waves

從不規則波試驗結果可以看出，相同波高作用下，橫搖角隨波周期的增大而增大，在周期T=10 s時達到最大值；從系列周期的規則波試驗結果可以看出，相同波高作用下，橫搖角也是隨波周期的增大而增大，當波浪周期T=10 s接近船舶橫搖自振周期時，船舶的橫搖角達到最大值，然后橫搖角有所減小，當波浪周期T=20 s接近船舶錨泊系統的自振周期時，橫搖角又出現次最大值。因此在外海施工作業時，應盡量避免波浪周期接近船舶橫搖自振周期和船舶錨泊系統自振周期。

4 結語

涌浪、長周期波下的海上作業是國際上公認的難題，針對涌浪長周期波工況條件下海上施工，尚沒有成熟的方法和裝備預控，類似海域如毛里塔尼亞友誼港、印度尼西亞Adipala港等工程都遭受到一定程度的損失才完成施工。因此，研究打樁船等施工船舶在涌浪長周期波作用下的作業能力顯得尤為重要。通過對打樁船在不同波浪作用下的動態響應研究，得到當波浪周期接近船舶橫移自振周期或錨泊系統自振周期時，船舶的運動量特別是橫搖角明顯增大。此外，若控制打樁船作業時運動量橫移量不能超過0.5 m，橫搖角不超過3°，相應不規則波條件為H13%≤1.0 m、T≤5 s或H13%≤0.8 m、T≤6 s；相應的規則波條件為H≤0.5 m、25 s≤T≤30 s或者H≤1.0 m、T ≤8 s。因此，建議施工前對施工船舶錨泊系統的橫移及橫搖等周期進行計算分析，施工窗口期的波浪條件應偏離其本身系統的橫移周期或橫搖周期，必要時結合工程海域的實測波浪要素合理編制施工方案。