棲鳳漁船避風錨地系泊系統設計

雷 鵬，張 弛，張建僑

（1.中國水產科學研究院漁業工程研究所，北京 100141；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

莼湖鎮位于浙江省奉化市東部，東與裘村鎮毗鄰，南為象山港，西為尚田鎮，北與西塢交界。近年來，莼湖鎮漁業發展迅速，尤其是遠洋漁業，目前有外海漁船835艘、近海作業小型漁船及各類排筏800余艘，主要集中在桐照、棲鳳、洪溪3個漁村。隨著標準海塘、灘涂養殖以及圍填海工程的建設，適合漁船擱灘的灘涂面積急劇減少，漁船靠泊難的問題日益突出，因此莼湖鎮政府決定在棲鳳村建設漁船避風錨地。

工程區域位于象山灣內，水深為-2.5～-12 m。象山灣東接大目洋，位于穿山半島與象山半島之間，是一個深入內陸的狹長的半封閉型港灣。海灣呈ENE～WSW走向，三面受天臺山脈包圍，港口有佛渡、六橫、梅散（列島）、東嶼山諸島為天然屏障，是一個天然避風良灣。

1 自然條件

象山港地處亞熱帶季風氣候區，風向主要表現為季風特征。根據西澤氣象站統計資料，冬季盛行偏西北（WNW～NNW）風，夏季以偏東南（SE～S）風居多，冬季風強于夏季風。

根據實測潮流資料，工程海域屬規則半日潮流，實測海域漲落潮基本為往復流。實測漲、落潮最大流速分別為1.17 m/s和1.42 m/s，流向為229°和 74°。

根據附近牛鼻山水文站測波資料，象山港口門段年平均波高0.4 m，年平均周期4.5 s，實測最大波高1.8 m，最大周期17.0 s。象山港口外受穿山半島、舟山群島的掩護，外海波浪對灣內影響較小，象山港波浪主要來自灣內風成浪。但象山港內群山環抱，伸入內陸，即使大風期間也難以形成大浪。另外，涌浪從外海傳入灣內后，也將明顯減弱。

停泊船只主要為600HP漁船，船長46 m，型寬7 m，型深4.2 m，干舷高度1 m，滿載吃水3.5 m。

2 船舶荷載計算

2.1 風壓力

船體水面上橫向受風面積較縱向受風面積更大，故當系泊船舶橫向與風向一致時，風壓力最大[1]。作用在船舶上的計算風壓力參照《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[2]計算。風作用力按13級橫風考慮，13級風的風速范圍是37.0～41.4 m/s，計算時取最大值41.4 m/s。依據式（1）進行計算：

式中：Fxw為作用在船舶上的計算風壓力的橫向力（kN）；Axw為船體水面以上橫向受風面積（m2）；Vx為設計風速的橫向風（m/s）；1ξ風壓不均勻折減系數，取1.00；2ξ風壓高度變化修正系數，取1.00。

船舶水面以上受風面積與船舶類型和載貨量多少有關。漁船在錨地停泊處于半載情況，船體水面以上橫向受風面積按（2）計算：

式中：Axw為船體水面以上橫向受風面積（m2）；DW為船舶的載重量（t），600HP漁船載重量為400 t。

計算可得，最大風作用力為Fxw=162.49 kN。

2.2 水流力

水流力參照《港口工程荷載規范》（JTS 144-1-2010）[2]計算。工程海域最大流速1.42 m/s，流向74°。依據式（3）進行計算：

式中：Fxc、Fyc分別為作用在船舶上的計算風壓力的橫向分力和縱向分力（kN）；Cxc、Cyc分別為水流橫向分力和縱向分力系數；ρ為水的密度（t/m3），對海水ρ=1.025 t/m3；v為水流速度（m/s）；Axc、Ayc分別為相應裝載情況下的船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積（m2）。

水流力橫向分力系數和縱向分力系數可按式（4）計算：

式中：Cxc、Cyc分別為水流力橫向分力和縱向分力系數；a1、a2、b1、b2為系數；θ為流向角（°），當θ＞90°時，按其補角計算。

船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積可按式（5）計算：

式中：Axc、Ayc分別為船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積（m2）；B’為船舶吃線以下的橫向投影面積（m2）；θ為流向角（°），即水流方向與船舶縱軸之間的夾角。

船舶吃水線以下的橫向投影面積按式（6）計算：

式中：B’為船舶吃線以下的橫向投影面積（m2）；DW為船舶的載重量（t）。

計算結果：Fxc=26.66 kN，Fyc=111.35 kN。

2.3 波浪力

工程區域位于狹長的半封閉型港灣，波浪傳遞到錨泊區衰減厲害；而且系纜繩和系泊浮筒的錨鏈能夠吸收波浪的沖擊力，起到緩沖作用。因此，設計時不考慮波浪力的作用。

2.4 合力計算

根據力的合成原理，合力F=219.49 kN，方向與船中心線交角為59.5°，作用點近似在船中。

3 系泊浮筒及其錨鏈張力計算

如圖1所示，根據力的平衡關系，可得浮筒所受拉力由式（7）計算。

式中：T為浮筒所受水平拉力（kN）。

圖1 浮筒系泊示意

從浮筒布置成本及漁船停泊安全性的角度考慮，β取30°左右比較合適，但從現實使用的角度來說，選擇22.5°漁民適宜操作，故β取22.5°進行計算，得T=247.15 kN。

錨地漁船停泊方式為5艘漁船并排系泊，同時考慮到單艘船對相鄰船之間的掩護作用，5條船并排錨泊時浮筒受到的水平拉力近似按單船受到水平拉力的3倍計算，為Tt=3T=247.15 kN×3=741.45 kN。

在同樣的水平系泊力作用下，當浮筒浮于水面且錨鏈幾乎拉直時，錨鏈對沉錘的提升力最大，此時錨鏈中的張力也最大。

圖2 錨鏈受力示意

錨鏈中張力按式（8）計算：

式中：Tm為錨鏈張力（kN）；θ為錨鏈與海底夾角（°）；Tt為錨鏈受到水平力。

錨鏈與海底夾角按式（9）計算：

式中：θ為錨鏈與海底夾角（°）；H為錨地高潮位水深，H=12+5.74=17.74 m；L為錨鏈總長度（m），取30 m。

計算得θ=36.3°，Tm=919.43 kN。

沉錘受到最大向上的提升力Fv=Tmsinθ=543.69 kN。

4 沉錘設計方案

沉錘的設計必須滿足在錨鏈的作用力下不被拉動，作用力分解為水平方向的拉力和豎直向上拔力。考慮兩個方案[3,4]：方案一依靠沉錘自身的自重和沉錘與海床的摩擦力來抵抗錨鏈拉力；方案二沉錘埋入土中，依靠沉錘破土力來抵杭錨鏈上拔力。

4.1 方案一

1）沉錘重量

沉錘重量須滿足在系泊力最大時不被拉動的要求，取安全系數為 1.5，沉錘與海床的摩擦系數為1.0，則沉錘水下重量應為：

G≥1.5（Fv+Tt/1.0）=1 927.71 kN

2）沉錘型式

沉錘為棱臺形鋼筋混凝土結構，上底邊長2 m，下底邊長8 m，高3 m，下底開凹槽深0.2 m，面積為 4 m×4 m，空氣中重量為 202.0 t，水中重量為121.2 t，滿足沉錘抗拉要求。沉錘耳環取Φ73有檔錨鏈三環、底部一環，中間加橫擋預先埋入沉錘之中。

4.2 方案二

1）沉錘型式及埋深

沉錘為為棱臺形鋼筋混凝土結構，上底邊長2 m，下底邊長5 m，高1.5 m，體積17.7 m3，空氣中重量為44.25 t，沉錘底部設邊長3.0 m，高0.2 m的凹槽以減輕質量并增加沉錘與海底面的附著力。設計沉錘坑挖深8.5 m，沉錘頂面距海底7 m。

2）沉錘垂直破土力驗算

沉錘破土力的大小關系到系泊系統能否安全工作，當錨鏈在垂直方向上所受的力大于沉錘的破土力時，沉錘會被拔出。

圖3 沉錘埋深示意

沉錘坑坑深8.5 m，開挖邊坡取1:10（考慮工程區域表層淤泥較厚），邊坡傾斜角為tg-11/10=5.71°。

沉錘破土力G按式（10）[5]計算：

式中：G為沉錘垂直破土力（kN）；H為沉錘埋深，即沉錘上表面到坑底的高度，H=8.5-1.5=7 m；a為沉錘下底邊長，取 5 m；b為破土邊寬，b=a+2H×tg5.71°=6.2（m）；γ為水下泥沙重度，取6.2 kN/m3。

計算得G=1 471.16 kN。

沉錘受到的最大提升力為543.69 kN，取安全系數為2.0，則沉錘應該能夠抵抗系泊提升力646.81 kN×2.0=1 087.38 kN。沉錘破土力為1 471.16 kN，大于向上提升力1 087.38 kN，沉錘滿足抗拉要求。

4.3 方案選擇

方案一沉錘的尺寸大，質量很大，對施工能力的要求較高，方案二沉錘埋入土中，需開挖沉錘坑，施工較麻煩。綜合考慮，沉錘設計選擇方案二，即沉錘埋入方案。

5 浮筒及錨鏈參數的確定

5.1 浮筒及浮筒錨鏈直徑選取

根據系船浮筒在不系船時能吊掛錨鏈而且保持 1/3～1/2干舷，從而確定浮筒的尺寸。設計的浮筒為XF2.6-DI標準型，滿足使用要求。

鏈設施安全系數一般取2.5～3.0[6]，設計浮筒錨鏈的破斷力值應至少為919.43 kN×3.0=2 758.29 kN。參考《電焊錨鏈》（GB/T 549-2008）[7]規范，錨鏈直徑取73 mm（破斷荷載3 990 kN，拉力荷載2 790 kN）滿足其要求（如果取其它值，必須保證破斷力能夠滿足要求），材質為AM3級。其他配件（如轉環、卸扣等）的強度大于等于相應錨鏈強度的要求。

5.2 浮筒錨鏈長度選取

錨鏈長度按式（11）[5]計算：

式中：L為錨鏈總長度（m）；H1為錨地水深，取12 m；H2為最高潮位，取5.74 m；H3為沉錘埋深，H3=8.5 -1.5=7 m；H4為系船浮筒干舷高，取0.6 m；f為鏈長配長系數，取1.15。

計算結果：L=29.14 m，實際取30 m。

6 結 語

6.1 結 論

經過計算，棲鳳漁船避風錨地系泊浮筒錨鏈及沉錘設計參數為：

1）設計的浮筒為XF2.6-DI標準型，有均勻隔艙。

2）浮筒錨鏈的直徑為73 mm，材質為AM3級，長度30 m。

3）沉錘為為棱臺形鋼筋混凝土結構，上底邊長2 m，下底邊長5 m，高1.5 m，重量為44.25 t，底部設邊長3.0 m，高0.2 m的凹槽。耳環為3個有檔鏈環，直徑與浮筒錨鏈的相同。

4）沉錘坑挖深8.5 m。

6.2 有關說明

1）工程區域淤泥層較厚，沉錘坑的開挖可以采用絞吸挖泥船施工。

2）沉錘拋投時一定要位置精確，要確保沉錘準確平穩地放入坑底不能倒置或傾斜。浮筒、沉錘安裝投放可以采用相應的浮吊船。錨鏈不能一次拋放，以防絞鏈。

3）系泊浮筒埋設結束后，應盡快復土回填至海床底面。為了較好地控制基坑的回填量，可以選擇平潮時回填。