福州港罗源湾港区可门作业区1#泊位港池灯浮标设计

■刘宾

（福建省交通规划设计院，福州　350004）

福州港罗源湾港区可门作业区1#泊位港池灯浮标设计

■刘宾

（福建省交通规划设计院，福州350004）

运用浮标的静力分析方法，对福州港罗源湾港区可门作业区1#泊位港池的具体自然条件进行分析，确定灯浮标的结构及材料。明确灯浮标的设计思路，保证了工程设计的严谨性及安全性。

灯浮标静力分析一阶波浪力锚链张力

近年来，随着航运事业的发展，港口数量增多，港池水域受限，锚泊事故频发。灯浮标作为标示港池水域边界范围，保证船舶通航安全的重要设施，其漂浮半径及锚块稳定性对于船舶顺利进出港具有至关重要的作用。

由于目前规范中对于灯浮标受力计算及沉块选用多采用经验式条文，并未提供具体计算方案。本工程中海床底质为中风化岩，且港池与礁盘距离较近，对灯浮标回旋半径有限制要求，需进行相应计算，在保证浮标稳定的情况下，减少回旋半径，保证船舶在港池水域内的锚泊安全。

1　工程概况

1.1码头建设规模

福州港罗源湾港区可门作业区1#泊位程建设规模为4万吨级多用途泊位，水工主体结构按兼靠10万吨级船舶设计。

1.2港池及回旋水域总平面布置

码头前沿停泊水域宽度取65m，设计底高程为-16.0m。回旋水域按圆形布置，半径250m，设计底高程-14.5m，部分与罗源湾进港航道重叠。

古鼎屿礁盘位于港池边界东侧，目前港池内的礁盘已开炸至-16.0m，港池外礁盘仍保持原地貌。

2　自然条件

2.1工程地理位置

福州港罗源湾港区南岸可门作业区位于福州市连江县境内，港区地理位置坐标为：东经119°46′，北纬26°23′。

2.2风况

据连江县实测资料统计：多年平均风速为2.2m/s，最大风速为40m/s，全年10～11月常风向以东北风为主，其余各月常风向都是以东南及东南偏南风为主，频率13%，强风向为西北偏西，最大风速为40m/s，全年≥7级风日数平均31.3d，以7月份为最多，平均5.1d。影响本处的台风以7～9月为最多，台风引起的最大增水为0.5～1.0m。

2.3水文

罗源湾海区属于强潮型海湾，该海区潮汐属于正规半日潮。设计水位如下：

设计高水位：6.99m（高潮累积频率10%）设计低水位：0.64m（低潮累积频率90%）极端高水位：8.50m（50年一遇）极端低水位：-0.46m（50年一遇）

2.4波浪

根据工程需要，福建海洋研究所对本工程码头前沿A点进行了波浪分析计算，其计算点位置及计算结果如图1、表1所示。

表1　　A点波浪要素计算成果表

2.5工程区域流态

本工程对排洪沟入海口（包括深排结构）、码头前沿和取水口附近水域共布设了66个测点进行流速流向的分层测定，涨潮期间最大流速为0.81m/s，落潮期间最大流速为1.00m/s。

2.6工程地质

本工程航标设计的地质勘察范围位于港池炸礁区域，据现场调查和钻孔揭露，场地地层按岩土性质自上而下可分为3个工程地质层，现分述如下：

（1）泥质碎石：灰黑色，饱和，流塑，淤泥含量约40%～50%，碎石含量约50%～60%。

（2）强风化凝灰岩：灰白色，以长石、石英为主，原岩结构形态清晰可辨，岩芯呈碎块状结构。

（3）中风化凝灰岩：杂色，以长石、石英、云母为主。晶屑凝灰结构，节理面出现此生矿物。岩心呈短柱状，RQD≈51%。

3　方案设计

鉴于本工程1#泊位距离东侧的古鼎屿较近，为确保安全，在古鼎屿北侧设置北方位标。考虑到本工程海床底质为中风化岩，沉块选择5t双沉块，链长51.72m。详见图2。

4　灯浮标静力分析

灯浮标受到的水平荷载有风荷载，水流荷载及波浪荷载（见图3）。

4.1风荷载

作用于灯浮标上的风荷载可参考 《海上移动平台入级规范（2012）》。

P=0.613×10-3V2

式中：V为设计风速（m/s）

作用于灯浮标上的风力F应按下式计算：

F=CkCsSP

式中：P为风压（kPa）；S为浮标在正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积（m2）；Ck为高度系数；Cs为形状系数。

4.2水流荷载

作用于灯浮标上的水流荷载可参考 《海上移动平台入级规范（2012）》。

式中：CD为流拖拽力系数；ρ为海水的密度（t/m3），对海水ρ=1.025t/m3；为水流速度；为船舶吃水线以下的横向投影面积（m2）。

4.3波浪荷载

作用在浮标上的波浪力主要有一阶波浪力和二阶波浪力。一阶波浪力使浮标系统产生一个波频运动，二阶波浪力对浮标系统起重要作用的是漂移力。在规则波中，波浪会对浮标产生一个定常漂移力，而在不规则波中产生的是一个慢变漂移力，这会使浮标系统产生一个低频运动。

在实际工程应用中，相对于二阶波浪力，一阶波浪力在量值上要大得多，故在本工程静力分析中主要以一阶波浪力的计算为主。

对于一阶波浪力可采用莫里森公式：

式中：F为小尺度构件垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力；FD单位长度上的曳力；FI为单位长度上的惯性力；ρW为海水密度；A为单位长度构件在垂直于矢量（u-x.）为曳力系数；CA为附连质量系数；CM为惯性力系数，CM= CA+1；V为单位长度构件的体积，u为垂直于构件轴线水质点速度分量，当海流与波浪联合作用时，u为波浪水质点的速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分量；u.为垂直于构件轴线水质点加速度分量；x.为垂直于构件轴线构件速度分量；x¨为垂直于构件轴线构件加速度分量。

4.4锚链拉力

锚链配置长度与水深基本是成正比的。一般港内的灯浮标（浮标），其锚链一般为水深的2～4倍。但考虑到古鼎屿与港池边界距离较近，为避免灯浮标回旋半径过大撞到礁石，取锚链长度为51.72m。

锚链曲线为一悬线，实用上可用二次抛物线来代替，足够准确。时，则曲线在水底的切线为水平，当时，则曲线在水底的切线不为水平，锚除受水平力外还承受竖向上拔力的作用。

故锚链曲线在水底无拖地长度，锚链曲线的方程式为：

锚链曲线的长度为：

A点锚链与水平线的交角：

该点的锚链拉力及其垂直分力均可由下列两式求出：

海床底质为中风化岩，沉块为钢筋混凝土结构，故取摩擦系数为0.60。选取锚块重量为 10t，水下重量为56.84kN。计算得摩擦力设计值为f=40.92kN，大于水平拉力设计值P=38.45kN，保证了锚块的稳定性。

根据规范《浮标锚链 JT/T 100-2005》，推荐选用链径为38mm的锚链，锚链拉力标准值为F=48kN，小于374.4kN的拉力试验负荷，保证了锚链不会发生裂纹和断裂现象。

5　结语

灯浮标作为保证船舶通航安全的重要辅助设施，其稳定性及耐久性设计至关重要。尤其本工程远期靠泊船型为30万吨级散货船，对于港池边界的控制显得尤为重要。本文从规范及航标处相关标准入手，参考船舶锚泊系统的计算方法，明确了灯浮标的静力分析计算，为本工程灯浮标的选型提供了明确的依据，保证了工程的安全性，为远期靠泊30万吨级散货船提供了良好安全的靠泊环境。

［1］JTS 165-2013，海港总体设计规范［S］.

［2］JTS 145-2015，港口与航道水文规范［S］.

［3］JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范［S］.

［4］JT/T 100-2005，浮标锚链［S］.

［5］GB 4696-1999，中国海区水上助航标志［S］.

［6］交通部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册［M］.

［7］BEARTUAX H O.浮标工程［M］.北京：科学出版社，1980.

［8］肖越，王言英.浮体锚泊系统计算分析［J］.大连理工大学学报，2005，45（5）：682-686.

［9］中国船级社.海上移动平台入级规范（2012）［EB/OL］.［2013-09-10］.［10］张继明，范秀涛，张树刚，万晓正，孙金伟.海洋资料浮标锚泊系统的系泊力计算［J］.山东科学，2014，27（2）：19-24.