打樁船錨泊系統改裝方案試驗研究

黃宣軍，李澤，孫運佳，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）

1 研究背景

智利圣文森特國際碼頭位于智利首都圣地亞哥以西約108 km，距離智利第二大城市康賽普西翁西北側13 km。2010年智利康塞普西翁發生里氏8.8級地震，致使圣文森特國際碼頭結構及堆場受到了一定程度的損壞，影響到碼頭的正常運營，工程項目除了修復在地震中被損壞的碼頭泊位及基礎設施外，還將新建一個碼頭泊位[1]。由于工程附近海域涌浪較多，嚴重影響了打樁船施工作業的質量和進度。為此需開發適用于涌浪作用下的沉樁工藝及裝備，包括利用打樁平臺[2]或者改裝船舶的錨泊系統，提高船舶在涌浪、中長周期波浪作用下的作業能力。本文研究的打樁船錨泊系統改裝方案為四點錨固方案，該方案總體思路是在船體四角的海底沉入4個錨錠，并通過錨鏈與船體四角液壓缸連接，方案示意圖如圖1所示，通過施加預拉張力增加船舶吃水，增強船體的抗浪性，提高船舶作業能力。本文通過物理模型試驗，研究打樁船四點錨固方案在不同波浪作用下6個自由度的動態響應和錨纜力，對該方案的可行性和合理性進行技術論證和綜合評估。

圖1 四點錨固方案示意圖Fig.1 Diagram of four point anchorage scheme

2 物理模型試驗研究

1）船型參數

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[3-5]有關規定進行設計，模型比尺為1頤50。研究采用的打樁船基本尺寸及模型參數詳見表1。

表1 打樁船基本尺寸Table1 The dimensionsof pile driving vessel

2）錨泊方式

船舶自帶移船定位液壓錨絞車8臺，船艏4臺，船艉4臺，定位錨規格為重量5 175 kg的AC-14大抓力錨，每個錨配備長700 m、直徑39 mm的鋼絲繩，各錨泊纜繩的初始預張力為10 t；四點錨固用的錨鏈為鏈徑90 mm的三級無檔錨鏈，錨鏈拉力試驗負荷為255 t，破斷試驗負荷為510 t[6]，每節長度27.5 m、重量4.45 t，順浪、橫浪下的錨泊方式詳見圖2。

圖2 船舶錨泊方式圖Fig.2 Anchoring system of pile driving vessel

3）試驗工況

試驗工況按4根錨鏈的預張力分為4種工況，分別是錨鏈預張力為0 t、90 t、182 t和219 t，不同錨鏈預張力下船舶的吃水增加值也不同，錨鏈預張力為90 t、182 t和219 t條件下對應的船舶吃水增加值為0.317 m、0.635 m和0.762 m。

試驗波浪分為0毅浪和90毅浪，波浪要素根據工程海域實際波浪特性分為Hs=0.5 m，Tp=12 s、14 s； Hs=0.8 m，Tp=9 s、12 s；Hs=1.0 m，Tp=6 s、9 s；Hs=1.2 m，Tp=6 s。風速為 13.8 m/s（6級風上限），流速為1.2 m/s，風向、流向與浪向相同。

3 試驗結果

1） 0毅浪試驗

在0毅浪作用下，主要是對船舶的縱移量和縱搖角影響較大，具體試驗結果見表2。通過四點錨固裝置增加船舶吃水后，船舶的縱搖角明顯減小。在試驗條件范圍內，吃水增加0.317 m，船舶的縱搖角比改造前減小了56%以上；吃水增加0.635 m，船舶的縱搖角比改造前減小了78%以上；吃水增加0.762 m，船舶的縱搖角比改造前減小了80%以上；說明四點錨固方案增強了船舶的穩定性，提高船舶的作業能力，且各錨鏈預張力為90 t即吃水增加0.317 m時，效果就很明顯，隨著運動量的減小，各錨纜力總體上也有所減小。

由表1可見，增加四點錨固裝置后，滿足船舶運動量臆0.5 m、搖角臆2毅的波浪條件是：Hs臆0.5 m，Tp臆12 s；Hs臆0.8 m，Tp臆9 s；Hs臆1.2 m，Tp臆6 s。

2） 90毅浪試驗

在90毅浪作用下，主要是對船舶的橫移量和橫搖角影響較大，通過四點錨固裝置增加船舶吃水0.317 m后，船舶橫移量和橫搖角也明顯減小。具體試驗結果見表3。在試驗條件范圍內，吃水增加了0.317 m，船舶的橫移量相比改造前減小了17%~29%，船舶的橫搖角相比改造前減小了38%~87%。圖3為相同波浪作用下，不同船舶吃水增加值條件下船舶橫移量和橫搖角的變化情況。

表2 0毅浪作用下試驗結果Table 2 Test resultsunder the action of waveson 0毅direction

表3 90毅浪作用下試驗結果Table3 Test results under the action of waves on 90毅direction

圖3 船舶橫移量、橫搖角隨吃水增加值的變化規律Fig.3 The changetrend of the ship'sswaying and rolling with draught increase

從圖3中可以看出，相同90毅波浪作用下，通過施加錨鏈力增加船舶吃水的方法能夠明顯降低船舶的運動量。但是若滿足船舶運動量臆0.5 m、搖角臆2毅的作業條件并未明顯改善。

3）增加錨泊纜繩預張力試驗

除了增加錨鏈的預張力外，試驗又進行一項增加船舶錨泊纜繩的預張力來提高船舶作業能力的研究。增加后的錨泊纜繩預張力為30 t。試驗工況分為原吃水和吃水增加0.635 m兩種，試驗波浪主要為90毅浪作用。表4為90毅浪作用下，錨泊纜繩預張力由初始10 t增大到30 t后的試驗對比結果。由表中可以看出，錨泊纜繩預張力增大后，能夠進一步降低船舶的運動量。

表4 不同錨泊纜繩預張力的試驗結果Table 4 Test results of different anchor cable pretension

原吃水條件下，在Hs=1.0 m，Tp=6 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了15%和26%；在Hs=1.0 m，Tp=9 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了17%和33%。

吃水增加0.635 m后，在Hs=1.0 m，Tp=6 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了20%和37%；在Hs=1.0 m，Tp=9 s的波浪作用下，增大錨泊纜繩預張力船舶的橫移量和橫搖角分別減小了21%和33%。此外，滿足船舶橫移量臆0.5 m、橫搖角臆2毅的波浪條件是Hs臆1.0 m，Tp臆6 s。需要說明的是，預張力的增大能有效降低船舶的運動量，但同時也明顯增大了船舶的錨泊纜力，現場實際操船過程中可適度增大船舶錨泊纜繩預張力，以達到降低運動量和控制錨泊纜力之間的平衡，條件允許情況下，可適當增大船舶本身的錨纜系統，增強船舶的抗浪作業能力。

4 結語

如何保證和提高打樁船等施工船舶在外海波浪特別是涌浪作用下的作業能力，是海外工程施工工藝首要考慮的因素之一。本文通過對打樁船四點錨固方案的試驗研究得到以下結論：

1）增加錨鏈的預拉力，增加船舶吃水后，船舶的運動量特別是搖擺角明顯減小。

2）在四點錨固方案的基礎上，增加船舶錨泊纜繩的預張力能夠進一步減小船舶的運動量，提高船舶的作業條件。

3）現場實際操船過程中可適度增大船舶錨泊纜繩預張力，以達到降低運動量和控制錨泊纜力之間的平衡，條件允許情況下，可適當增大船舶本身的錨纜系統，增強船舶的抗浪作業能力。

4）通過本項目研究得到，在錨碇合理計算的基礎上，采用四點錨固方案提高船舶的整體穩定性、抗浪性和作業能力是完全可行的。