郭科1，3，刘志远2，3，佟德胜2，3
（1.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；3.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津300222）
摘要：结合工程实际，在风、浪、流联合作用条件下，研究船舶单独作业以及与另一艘船舶同时停靠于码头两种情况下船舶的运动状态以及系缆力大小的差别，分析一条船的停靠对所研究船舶作业状态的影响，为今后码头运营、船舶系泊与操控作业提供参照与指导。研究表明单独停靠与同时停靠两种情况下，所研究船舶的运动量和缆力数值相差不大，因此同时停靠的两船之间总体上受彼此的影响较小。控制两种船同时停靠，外界条件需要满足小船能够作业，在此基础上大船也能满足。
关键词：船舶系泊物理模型试验；系泊作业；运动量；系缆力；撞击力
我国港口建设事业正在快速发展，针对5万吨级及以下船舶在外界荷载作用下的动力响应特性、合理系缆方式、安全作业和安全系泊的外界荷载条件的试验研究具有指导意义。依托厦门某港区通用泊位工程，码头泊位长度应满足多种运量船舶组合停靠的要求，按对目前货种运输进行分析，同时停靠1艘5万吨级散货船和1艘1万吨级杂货船或同时停靠1艘4万吨级杂货船和1艘2万吨级杂货船的组合考虑较为合理[1]。试验中，在风、浪、流联合作用条件下，需比较船舶单独作业以及另一艘船舶同时停靠于码头两种情况下船舶的运动状态以及系缆力大小的差别。
中交天津港湾工程研究院有限公司至今已经开展了数十项关于船舶系泊作业的物理模型试验研究，并取得了相当丰硕的成果[2-3]。国内关于双船同时停靠码头系泊作业的研究极少，罗伟[4]通过物理模型试验研究了上海外高桥造船基地一艘17.5万吨级好望角散货船和一艘10.5万吨级阿芙拉油轮的并排系泊作业，对外界动力条件下大型双船系泊作业提供参考，为系泊系统的深入研究打下基础。张龙等[5]通过模糊层次分析法，针对曹妃甸单点系泊改造项目中双船近距离系泊作业面临的风险问题开展了研究，得到重要风险因素并提出改进措施以保障工程船舶施工作业安全。
1.1 研究条件
1.1.1 试验船型及装载度
试验船型共4种，包括5万吨级散货船、4万吨级杂货船、2万吨级杂货船以及1万吨级杂货船，船舶装载度包括满载、压载。各船型的基本尺度及动力参数见表1。
表1 各试验船型基本尺度及动力参数表
Table 1Principal dimension and dynamic parameter of each cargo ship
船型船总长/m型宽/m型深/m满载吃水/m满载排水量/t 1/3压载排水量/t 5万吨级散货船230.0 32.0 17.5 12.5 63 960 30 630 4万吨级杂货船205.0 29.0 16.2 11.8 53 351 29 364 2万吨级杂货船170.0 23.0 13.4 10.0 27 400 14 067 1万吨级杂货船135.0 20.5 11.4 8.5 16 560 9 893
1.1.2 码头平面布置
通用泊位工程码头泊位长422 m，码头采用重力式结构。码头上总共布置了16个2 500 kN的系船柱以及22组防冲护舷。
1.1.3 缆绳规格及布置方式
5万吨级散货船系缆方式为3-3-2，采用的缆绳为尼龙缆，缆绳直径80 mm，单根缆绳的破断力为900 kN，允许张力为495 kN，初始张力为80 kN。4万吨级杂货船系缆方式为3-3-2，采用的缆绳为尼龙缆，缆绳直径为60 mm，单根缆绳的破断力为520 kN，允许张力为286 kN，初始张力为50 kN。2万吨级杂货船与1万吨级杂货船系缆方式均为3-2-2，采用的缆绳均为尼龙缆，缆绳直径为52 mm，单根缆绳的破断力为390 kN，允许张力为215 kN，初始张力为50 kN。
1万吨级杂货船和5万吨级散货船同时停靠时的系缆布置见图1，2万吨级杂货船和4万吨级杂货船同时停靠时的系缆布置见图2。
图11 万吨级杂货船和5万吨级散货船同时停靠时的系缆布置
Fig.1Mooring line arrangement of 10 000-ton general cargo ship and 50 000-ton bulk carrier docking at the same port
图22 万吨级杂货船和4万吨级杂货船同时停靠时的系缆布置
Fig.2Mooring line arrangement of 20 000-ton general cargo ship and 40 000-ton general cargo ship docking at the same port
1.1.4 护舷规格及布置形式
码头采用锥形1150H标准反力型（R0）橡胶护舷，布置形式为三鼓一板垂直型。护舷设计反力3 114 kN，设计吸能1 998 kJ。
1.1.5 波浪要素
波向：90°横浪（接近实际NE向浪）。各波向下码头泊位处（码头前半倍船宽处）的波浪要素见表2。
表2 码头泊位处波浪要素表
Table 2Wave parameters of the berth
船型波向波高H4%/m周期T/s 5万吨级90° 1.2 5 4万吨级90° 1.0 5 2万吨级90° 0.8、1.0、1.2 5 1万吨级90° 0.6、0.8、1.0 5
1.1.6 风要素
风向包括吹开风、吹拢风；风速为13.8 m/s（6级风）。
1.1.7 潮流要素
涨潮流：艉流，与码头轴线夹角3°，流向309°，流速0.7 m/s；落潮流：艏流，与码头轴线夹角3°，流向139°，流速0.7 m/s。
1.2 研究方法
模型按重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》[6]的有关规定进行模拟，确定本次整体物理模型的几何比尺λ为80，进行正态比尺模型试验。
首先根据给定的系缆方式，按每组缆绳的初始力将船舶系泊于码头；风、流对系泊船舶的作用力用计算挂重法进行模拟[7-8]，然后造波，测定船舶运动量、系缆力及护舷撞击力、撞击能量。
2.15 万吨级散货船试验结果
2.1.1 单独作业时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=1.2 m、周期
2.1.2 与1万吨级杂货船同时停靠时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=1.2 m、周期
表35 万吨级散货船主要试验结果汇总表Table 3Test results of 50 000-ton bulk carrier
=5 s 0.97 2.44 1 018 2 907与1万吨级杂货船同时停靠H4%=1.2 m，T试验条件波浪要素单向最大横移量/m单向最大横摇角/（°）最大系缆力/kN最大护舷撞击力/kN单独作业H4%=1.2 m，T =5 s 0.98 2.83 1 043 3 174
2.21 万吨级杂货船试验结果
2.2.1 单独作业时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=0.8 m、周期
2.2.2 与5万吨级散货船同时停靠时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=0.8 m、周期
表41 万吨级杂货船主要试验结果汇总表
Table 4Test results of 10 000-ton general cargo ship
波向试验条件载度波浪要素单向最大横移量/m最大护舷撞击力/kN 90°单独作业压载H4%=0.8 m，T最大系缆力/kN =5 s 0.92 2.34 587 2 070 =5 s 0.90 2.14 584 2 090与5万吨级散货船同时停靠压载H4%=0.8 m，T单向最大横摇角/（°）
2.3 试验结果分析
在满足5万吨级散货船（压载）作业标准的波浪与风、流共同作用时，1万吨级杂货船（压载）同时停靠于码头与不停靠在码头两种情况下，5万吨级散货船在同时停靠时的运动量和系缆力总体上稍大于其在单独作业时的运动量和系缆力，但相差较小，由此可见1万吨级杂货船的停靠对5万吨级散货船的作业影响较小。
在满足1万吨级杂货船（压载）作业标准的波浪与相应风、流共同作用时，1万吨级杂货船和5万吨级散货船均能在码头作业。1万吨级杂货船（压载）单独作业以及与5万吨级散货船（压载）同时停靠于码头两种情况下，1万吨级杂货船的运动量以及系缆力差别很小，这是由于在与1万吨级杂货船作业所对应的外界荷载作用下，5万吨级船舶的运动状态明显比1万吨级的稳定，因此说明5万吨级散货船的停靠对1万吨级杂货船的作业基本没有影响。
3.14 万吨级杂货船试验结果
3.1.1 单独作业时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=1.0 m、周期
3.1.2 与2万吨级杂货船同时停靠时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=1.0 m、周期
表54 万吨级杂货船主要试验结果汇总表
Table 5Test results of 40 000-ton general cargo ship
=5 s 0.85 1.77 682 2 655与2万吨级杂货船同时停靠H4%=1.0 m，T试验条件波浪要素单向最大横移量/m单向最大横摇角/（°）最大系缆力/kN最大护舷撞击力/kN单独作业H4%=1.0 m，T =5 s 0.95 1.81 719 2 874
3.22 万吨级杂货船试验结果
3.2.1 单独作业时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及周期
3.2.2 与4万吨级杂货船同时停靠时
90°横浪，压载、设计高水位5.81 m时，在吹开风13.8 m/s、涨潮流0.7 m/s及波高H4%=1.0 m、周期的风、浪、流联合作用下，满足船舶的作业标准，船舶最大横移为0.97 m，最大横摇为2.47°。各缆的系缆力均没有超过缆绳的允许张力。相关试验结果见表6。
表62 万吨级杂货船主要试验结果汇总表
Table 6Test results of 20 000-ton general cargo ship
波向试验条件载度波浪要素单向最大横移量/m单向最大横摇角/（°）最大系缆力/kN最大护舷撞击力/kN 90° =5 s 0.95 2.41 399 1 672与4万吨级杂货船同时停靠压载H4%=1.0 m，T单独作业压载H4%=1.0 m，T =5 s 0.97 2.47 409 1 692
3.3 试验结果分析
在满足4万吨级杂货船（压载）作业标准的波浪及风、流联合作用时，2万吨级杂货船（压载）同时停靠在码头与不停靠在码头两种情况下，同时停靠时4万吨级杂货船的运动量和系缆力比其在单独作业时的运动量和系缆力略大，但整体上相差较小，因此2万吨级杂货船的停靠对4万吨级杂货船作业的影响较小。
在满足2万吨级杂货船（压载）作业标准的波浪及相应风、流联合作用时，2万吨级杂货船和4万吨级杂货船均能够在码头作业。比较2万吨级杂货船（压载）单独作业以及4万吨级杂货船（压载）同时停靠于码头两种情况，2万吨级杂货船的运动量以及系缆力差别很小，这是由于在与2万吨级杂货船作业所对应的外力作用下，同时停靠时4万吨级杂货船的运动量没有2万吨级杂货船显著，因此可以说明4万吨级杂货船的停靠对2万吨级杂货船的作业基本上没有影响。2万吨级杂货船在同时停靠时的运动量和系缆力总体上略微大于其在单独作业时的运动量和系缆力，但相差极小。
1）给出了风、浪、流联合作用下，不同船型的船舶动力特性规律。在推荐的系缆方式下给出了满足5万吨级、4万吨级、2万吨级、1万吨级货船作业标准的风、浪要素。
2）单独停靠与同时停靠两种情况下，所研究船舶的运动量和缆力数值相差不大，因此同时停靠的两船之间总体上受彼此的影响较小。两种船同时停靠码头时，如果在满足大船作业标准的风、浪、流作用时，小船相应不稳定；如果在满足小船作业标准的波浪及风、流作用时，两船则能同时停靠，所以控制两种船同时停靠，外界条件需要满足小船能够作业，在此基础上大船也能满足。
参考文献：
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Ship mooring physical model test on two no more than 50 000-ton cargo ships docking at the same port
GUO Ke1,3,LIU Zhi-yuan2,3,TONG De-sheng2,3
（1.CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China;2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd., Tianjin 300222,China;3.Key Lab of Hydrodynamic Force Coastal Engineering of CCCC,Tianjin 300222,China）
Abstract：Combined with the practical engineering,we compared with the differences of motion state and mooring force between separate ship operation and double ships operation on the condition of wind,wave and current effect,and analyzed the influence of the berthing of the other ship on the operation state of this ship,which provides scientific reference and guidance for the actual operation,the ship mooring and the operation of the ship in the future.The studies have shown that difference of the amount of ship movement and mooring force is small between single docking and docked at the same port,so the two ships docked at the same port are less affected by each other as a whole.To control two kinds of ships mooring at the same time,the external conditions need to meet the large ship to work on the basis of the small ship.
Key words：ship mooring physical model test;mooring operation;ship movement;mooring force;impact force
中图分类号：U661.7
文献标志码：A
文章编号：2095-7874（2017）08-0042-05
doi：10.7640/zggwjs201708010
收稿日期：2017-03-16
修回日期：2017-04-27
作者简介：郭科（1973—），男，河北邯郸人，硕士，高级工程师，港口航道与海岸工程专业，从事港口科研开发工作
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