长周期波浪影响下连片式码头系泊布置优化

张 志，孔友南，程培军

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

连片式码头是港口工程中最为常见的一种码头平面布置形式，尤其是对于集装箱、散货等专用码头来说，考虑到装卸作业的便捷性，码头一般采用连片式布置。当码头采用连片式布置时，码头上系船设施一般布置于码头前沿位置，有别于蝶型平面布置。当船舶系泊时，由于船舶与码头距离较近，系泊布置的横缆较短；当泊位受长周期波浪影响时，由于船舶对波浪响应幅度增大，往往横缆缆绳张力无法满足要求，易发生断缆事故，影响系泊安全。

国内众多学者均对长周期波浪对船舶的作用进行了深入研究，史宪莹[1]以物理模型试验为主,结合数值模拟计算研究了长周期波浪、脉动风等诸因素作用下系泊船舶运动响应问题；李越[2]依托系泊物理模型试验，结合数值模拟计算研究了不同波周期、波高对于船舶系缆力及运动量的影响；宋伟华等[3]结合实际工程案例，利用系泊分析软件，系统分析了长周期波浪作用下周期、波高、入射波角度等对系泊稳定的影响。但目前针对如何提高长周期波浪作用下系泊稳定性，尤其是针对连片式码头的研究相对较少，因此对长周期波浪影响下连片式码头系泊布置进行研究是十分必要的。某工程泊位泊稳条件受长周期波浪影响较为明显，为降低长周期波对泊稳条件的影响、提高泊位可作业天数，本文结合工程区波浪环境特点，利用OPTIMOOR系泊分析软件，分析长周期波作用下船舶缆绳张力、船舶运动量的特点，并针对性地提出系泊布置优化措施，定量分析优化措施对系泊稳定的改善效果，通过系泊优化，在不采取工程措施的条件下即可实现提高泊位泊稳条件。

1 工程概况

新建港区拟建设2个5万吨级多用途泊位、1个5万吨级散货泊位，本文系泊分析以1#散货泊位为例。设计代表船型为散货船，5万吨级，总长223 m，型宽32.3，型深17.9 m，满载吃水12.8 m，压载吃水7.0 m。 1#泊位总长277 m，码头轴线130°～310°，码头采用沉箱岸壁式结构，面高程6.00 m，港池底高程-14.00 m。

2 环境条件

影响系泊的主要环境条件包括风、浪、流、潮位等，工程区潮差较小，设计高水位1.89 m，设计低水位0.40 m。泊位区流速整体较小，均小于0.1 ms。港区常风向为S、SSW、SE、E向，风速较小，年平均风速2.0 ms，年最大风速12.3 ms。1#泊位处50 a一遇设计波要素为：设计高水位，H1%=2.86 m，Hs=2.07 m，Tm=15.0 s。显然工程区风、流条件相对较好，波浪条件是影响系泊稳定的关键性环境因素。

根据工程区外海波浪连续观测资料，工程区常浪向为SSW、SW向，频率为91.2%，实测有效波高Hs主要集中在0.6～1.6 m，平均波周期Tm主要集中在5～10 s，平均波周期Tm≥8 s频率53.2%。按外海实测波要素推算1#泊位处对应波要素，并分级统计其波高、波周期的联合概率分布见表1。Hs=0.6 m(H4%≈0.8 m)、Tm=8 s的保证频率约46%，Hs=0.6 m(H4%≈0.8 m)、Tm=10 s的保证频率约90%。即有效波高小于0.6 m，且平均波周期小于8 s的频率约占46%；有效波高小于0.6 m，且平均波周期小于10 s的频率约占90%。

工程区波浪条件有较明显的长周期波特性。长周期波浪具有较大的能量，即使极小的波浪亦可能导致系泊不稳定[4]，因此长周期波浪影响下的码头，尤其是连片式码头的系泊稳定性应特别加以关注。

表1 实测波浪推算1#泊位处波高、波周期联合概率分布 %

3 长周期波浪对系泊稳定影响分析

系船柱规格为 1 000 kN；护舷采用1450 H鼓型护舷，一鼓一板，标准反力型。系船柱及护舷均按间距15.1 m布置。

根据系缆参数分析统计资料[5]，船上配置的缆绳一般可分为钢缆、高分子量聚乙烯缆(HMPE)以及如尼龙缆的其它纤维缆，其中钢缆、HMPE缆均属刚性缆。5万吨级船的缆绳配置数量为8～18根，具有85%保证率的5万吨级船上配置16根缆绳。缆绳破断力(MBL)为367～950 kN，具有85%保证率的5万吨级船上配置的MBL为740 kN。

系泊布置时，各缆绳布置应以船中为轴大致对称，提供同样功能的各缆绳长度应大致相同。按此原则，并结合5万吨级船的分析统计资料，初拟系泊布置方案采用常规的422对称带缆布置，即艏艉缆各4根、艏艉横缆各2根、艏艉倒缆各2根，带缆布置见图1，由于船体离系船柱较近，艏艉横缆、倒缆孔至系船柱的长度仅约10 m。初拟系泊布置方案缆绳采用φ32 mm钢缆，MBL为740 kN，钢缆极限伸长率约1.5%。由于钢缆弹性小，系泊时须配置较好弹性的尼龙尾缆，以适应船舶运动量。尾缆采用φ72 mm尼龙尾缆，尾缆缆绳破断力应提高25%，MBL为920 kN，按常规配置尾缆长度11 m。

图1 初拟方案系泊布置(单位：m)

长周期波浪作用下，船舶运动对波浪的响应加剧，当波浪周期与船舶运动的固有自振周期接近时，波浪对船舶运动量的激励效应最为明显。JTS 165—2013《海港总体设计规范》中规定对于5万吨级散货船的允许波周期为8 s，允许作业波高横浪H4%为0.8 m、顺浪H4%为1.0 m。在本系泊案例中，为定量分析波周期对系泊缆力、船舶运动量的影响，利用OPTIMOOR系泊分析软件，分析在允许作业波高及不同波周期下缆绳张力、船舶运动量的结果，计算结果见表2～5。

计算结果表明：1)在横浪(船浪夹角90°)作用下，缆绳张力及船舶运动量均随波周期的增大而增大。根据OCIMF-MEG3—2008规定，对钢缆缆绳张力允许值为缆绳破断力的55%，HMPE缆允许值为50%，其它纤维缆允许值为45%。当平均波周期小于8s时，缆绳张力及船舶运动量均在允许范围内，当波周期达10 s时，艏艉横缆受力超标，缆绳受力达缆绳破断力的80%；当波周期达12 s时，横缆受力达缆绳破断力的100%，发生断缆事故；当波周期15 s时，所有缆绳受力均超标。当波周期12 s时船舶横移运动量超标，当波周期15 s时船舶横移运动量、升沉运动量超标。2)在顺浪(船浪夹角0°)作用下，缆绳张力及船舶运动量亦随波周期的增大而增大，当平均波周期小于12 s时;缆绳张力及船舶运动量均在允许范围内;当波周期达15 s时，艏艉缆、艏艉倒缆受力超标，缆绳受力达缆绳破断力的71%，船舶运动量均在允许范围内。

综上，长周期横向浪对系泊稳定的影响相对显著，当横向作用波浪周期大于8 s时，系泊船舶在波浪作用下的缆绳张力、船舶运动量显著增加，横向浪作用下，缆绳受力最先出现超标的是横缆，尤其当横缆长度较短时，缆绳张力增加尤其明显。

表2 横浪波周期对缆绳张力的影响对比

注：允许值为55%。

表3 横浪波周期对船舶运动量的影响对比

表4 顺浪波周期对缆绳张力的影响对比

注：允许值为55%。

表5 顺浪波周期对船舶运动量的影响对比

4 系泊优化方案

一般认为，缆绳对于限制长周期波浪作用下船舶的运动量的作用是十分有限的，因此缆绳应能适应船舶运动。系泊布置时若选用刚性较大的缆绳，如钢缆或HMPE缆，钢缆极限变形约1.5%,HMPE缆极限变形约3%。由于缆绳破断时缆绳变形较小，尤其当缆绳长度较短时，极易出现缆绳受力超标的情况，因此长周期波作用下的系缆布置宜避免采用完全刚性缆绳。尼龙缆有较好的弹性，极限变形约25%，但其强度相对较低，缆绳破断力相同时，尼龙缆绳直径相对较大。

若要改善长周期波作用下连片式码头的泊稳条件，需考虑的关键因素在于系泊体系应能与长周期波浪作用下船舶的运动量相适应，系泊体系应有一定的弹性，以便吸收船舶的动能。可采取的系泊优化措施包括：优化带缆布置、增加带缆长度、更换缆绳材质、加长艉缆。据此拟定相应的系泊优化方案如下：1)优化方案1。通过在码头设置滚柱倒缆器，缆绳通过滚柱导缆器带至邻近系船柱上，增加缆绳长度，缆绳规格同初拟方案。2)优化方案2。缆绳为HMPE缆，缆绳直径φ32 mm，MBL为740 kN，艉缆及带缆布置同优化方案1。3)优化方案3。艉缆长度由11 m 更改为22 m，缆绳及带缆布置同优化方案2。4)优化方案4。缆绳均为尼龙缆，缆绳直径φ64 mm，MBL为740 kN。具体带缆布置见图2。

图2 优化方案系泊布置(单位：m)

在相同典型工况即横向波浪作用下(H4%=0.8 m，Tm=10 s)，比较5种系泊布置方案的系缆力、船舶运动量，以评判各系泊优化措施对改善系泊稳定的效果，见表6～7。可以看出，本例通过滚柱导缆器增加横缆长度有限，仅可在一定幅度减小缆绳张力，缆绳张力降低8%；更换为HMPE缆，由于HMPE缆绳与钢缆同属于刚性缆，缆绳弹性略好，缆绳张力略有降低，降低约4%；通过增加艉缆长度，大幅提高系泊体系的弹性，可极大增加缆绳对船舶运动量的适应性，大幅减小缆绳张力，降低约29%；更换为尼龙缆，由于尼龙缆弹性好，缆绳对船舶运动量的适应性最好，缆绳张力降低约32%。本系泊对比分析中，仅考虑波浪作用，以上系泊优化措施对船舶的运动量基本没有影响。

通过对比分析典型工况下系泊优化方案的缆绳张力、船舶运动量可以看出，所有缆绳更换为尼龙缆，对降低长周期波影响下缆绳张力的效果最佳，增加刚性缆配置的尼龙艉缆长度也可显著降低长周期波影响下缆绳张力。综合分析，宜根据船上配置缆绳的类型选择合适的改善泊稳条件的系泊优化措施，若船上配置的为刚性缆，如HMPE缆，可增加尼龙艉缆长度，由常规的11 m更换为22 m长度的尼龙艉缆，并通码头面设置的滚柱导缆器，加强横缆，适当增加横缆长度的系泊优化措施，即优化方案3；亦可所有系泊缆绳均采用尼龙缆的系泊优化措施，但须进一步复核在风流等环境条件作用下船舶运动量，即优化方案4。

表6 典型工况下系泊优化方案对缆绳张力影响对比

表7 典型工况下系泊优化方案对船舶运动量影响对比

上述优化措施仅针对波浪单环境因素条件进行的系泊优化，在风、浪、流共同作用下，在不同水位、不同装载度条件组合下，系泊稳定性均应能满足要求。结合工程区环境要素，泊位可作业天数的要求(大于300 d)以及1#泊位波要素分级统计结果，波浪要素选取具有90%保证率的波要素，拟定系泊计算工况见表8，相应的计算结果见表9、10。计算结果表明，不同的工况下缆绳张力，船舶运动量均在允许范围内，护舷压缩最大变形0.44 m，最大系船柱受力660 kN，系泊稳定满足，系泊优化措施可达到改善长周期波作用下连片式码头系泊布置优化的目的。

表8 拟定系泊计算工况

表9 缆绳张力计算结果

表10 船舶运动量计算结果

5 结论

1)连片式码头由于船舶离码头较近，一般横缆布置较短，应特别注意长周期波浪对船舶系泊稳定性的影响。随着波周期的增大，系泊船舶缆绳张力、船舶运动量均会相应增大，长周期波横向作用时尤其明显，特别是横缆最易出现缆绳张力超标情形。

2)改善长周期波浪作用下船舶的系泊稳定性，系泊优化的关键在于提高系泊体系与长周期波浪作用下船舶运动量的适应性，增加系泊体系的弹性以便吸收船舶的动能，可采取优化带缆布置、增加缆绳长度、更换缆绳材质、增加刚性缆绳尼龙艉缆长度等措施。

3)若须改善长周期波浪作用下船舶的系泊稳定性，宜根据船舶配置缆绳的类型选择适宜的系泊优化措施，完全采用弹性较好的尼龙缆绳进行系泊布置效果最佳，采用刚性缆并适当增加尼龙艉缆的长度效果次之，通过系泊优化增加缆绳长度也可在一定程度改善系泊稳定性。长周期波作用下的系缆布置宜避免采用完全刚性缆绳的布缆方式。

4)本工程通过采用码头面增设滚柱导缆器增加横缆长度，缆绳更换配置为HMPE缆并增加艉缆长度至22 m，或完全采用尼龙缆绳系泊，均可有效提高系泊船舶在长周期波作用下的系泊稳定性，减少长周期波浪对本工程系泊稳定性的影响，达到系泊优化的目的。