涌浪及长周期波作用下打桩船动态响应试验研究

黄宣军 ，贾朝珲 ，黄明汉 ，莫忠璇

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；3.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

1 概述

近年来，随着我国港口工程建设的不断发展，传统的港口码头工程也逐步由近岸海域走向深、远海水域，港口工程建设区域也由国内走向海外，特别是亚洲、非洲和拉丁美洲的一些国家。工程的施工离不开工程船舶，然而外海的涌浪、长周期波对工程船舶的安全作业带来相当大的困难。

涌浪是风浪离开风区后所形成的波浪或者风区里的风停息后所遗留下来的波浪，长周期波是指波周期比涌浪更大的波浪。国际航运协会的《在港系泊船舶运动量标准》（1995年）给出典型涌浪的周期为10～25 s，其对长周期波的定义为周期是0.5～5 min。英国规范BS 6349-1-2000《海上建筑物通用标准的实施规程》[1]对长周期波的描述为“周期数分钟，波高通常小于1 m”；日本规范《港湾设施技术基准》将30～300 s的周期定义为长周期波。涌浪及长周期波在海上是难以发觉的，仅在靠近海岸的地方才能觉察出来，由于其波长较长、波浪传播速度较快，具有相当大的能量，对海上施工船舶或港内系泊船舶的运动带来较大影响。K Ohshima等[2]认为30～300 s的长周期波通常会引起长时间的港内水面振荡，从而干扰港口的正常装卸作业并造成缆绳的损坏。K Murakami等[3]在1999年通过实地观测和数值计算的方法研究了长周期波引起的海港振荡和船舶运动之间的关系。杨宪章等[4]在上世纪80年代针对毛里塔尼亚友谊港系泊船舶的断缆问题，进行了长周期波特性及对系泊船舶动态特性影响的研究[3]。以上文献都是针对港内系泊船舶的研究，本文将以涌浪为主，长周期波为辅，研究打桩船施工船舶在涌浪及长周期波作用下的动态响应。

2 物理模型试验

研究采用的打桩船总长64.14 m、型宽26.0 m、型深4.5 m，桩架高93.5 m，船上共设置移船定位液压锚绞车8台，布置在上甲板中部，左舷和右舷各布置4台。锚缆采用的是直径42 mm的钢缆，破断力约为100 t[5]，锚绞车的核定拉力为40 t，支持最大拉力100 t。施工作业时的锚缆长度约300 m，锚泊方式为艏艉外八字缆，左右舷内八字缆，船舶锚泊方式见图1所示。

图1 打桩船锚泊方式图Fig.1 Anchoring system of piling ship

物理模型按照重力相似律及JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》等[6-8]有关规定进行设计，模型比尺为1∶50。模型基本参数见表1，船舶模型见图2所示。

表1 打桩船基本尺寸（比尺1∶50）Table 1 The dimensions of piling ship(test scaleis 1∶50)

图2 打桩船模型图Fig.2 Model of piling ship

试验水深为30 m，波浪条件分为风浪作用和涌浪长周期波作用两部分，其中风浪作用采用的是不规则波，波浪频谱采用JONSWAP谱，不规则波试验的波浪周期为5～10 s；涌浪长周期波作用采用的是规则波，规则波试验的波浪周期为10～30 s，详见表2。

表2 试验波浪条件Table2 Test wave conditions

3 试验结果

3.1 不规则波作用下

由于是90°横浪作用，船舶的横移量和横摇角较大，纵移量和纵摇角较小。随着波浪周期的增加，船舶的横移量、横摇角及锚缆力逐渐增大。在试验波浪要素范围内，波高相同时，波浪周期T=10 s时的横摇角最大。波浪周期相同时，船舶的横移量随波高呈现出指数分布的变化趋势，船舶的横摇角随波高呈现出对数分布的变化趋势，详见图3和图4。

3.2 规则波作用下

试验结果显示在试验条件范围内，船舶横移量随着波浪周期增加先增大后减小，为了充分反映这一规律，试验将原有5个波浪周期（10 s、12 s、18 s、25 s、30 s）增加到 10 个波浪周期（8 s、10 s、12 s、14 s、16 s、18 s、20 s、22 s、25 s、30 s），进行系列试验。

图3 不规则波作用下船舶横移量随波高的变化趋势Fig.3 The change trend of the ship's swaying with wave height in irregular waves

图4 不规则波作用下船舶横摇角随波高的变化趋势Fig.4 The change trend of the ship's rolling with wave height in irregular waves

系列试验的结果显示，在试验条件范围内，船舶横移量随着波浪周期增加先增大后减小，在波浪周期T=20 s时，船舶横移量达到最大值，在T=18 s和22 s时达到次最大值，在T=14 s、16 s、25 s和30 s时相差不大。经测试与分析，在锚泊系统下，船舶运动的自振周期在20 s左右，当波浪周期接近锚泊系统的自振周期时，船舶横移量较大。详见图5。

图5 规则波作用下船舶横移量随波高的变化趋势Fig.5 The change trend of the ship's swaying with wave height in regular waves

图6 为船舶横摇角随波浪周期的变化趋势，从图中可以看出，在试验条件范围内，船舶横摇角随波浪周期的增大呈现双峰状，其中在波浪周期T=10 s时为第1个峰值，在T=20 s时出现第2个峰值。波高H=1.0 m时，在T=10 s和T=20 s的横摇角分别为4.66°和2.09°，分析原因，主要是打桩船在带桩状态下的横摇自振周期接近10 s，而在锚泊系统下船舶运动的自振周期在20 s左右是造成横摇角出现第2个峰值的主要原因。试验过程中考虑到船舶横摇幅度可能造成测试仪器的损坏，故取消了T=10 s、H=1.2 m的测试。

图6 规则波作用下船舶横摇角随波周期的变化趋势Fig.6 The change trend of the ship's rolling with wave period in regular waves

从不规则波试验结果可以看出，相同波高作用下，横摇角随波周期的增大而增大，在周期T=10 s时达到最大值；从系列周期的规则波试验结果可以看出，相同波高作用下，横摇角也是随波周期的增大而增大，当波浪周期T=10 s接近船舶横摇自振周期时，船舶的横摇角达到最大值，然后横摇角有所减小，当波浪周期T=20 s接近船舶锚泊系统的自振周期时，横摇角又出现次最大值。因此在外海施工作业时，应尽量避免波浪周期接近船舶横摇自振周期和船舶锚泊系统自振周期。

4 结语

涌浪、长周期波下的海上作业是国际上公认的难题，针对涌浪长周期波工况条件下海上施工，尚没有成熟的方法和装备预控，类似海域如毛里塔尼亚友谊港、印度尼西亚Adipala港等工程都遭受到一定程度的损失才完成施工。因此，研究打桩船等施工船舶在涌浪长周期波作用下的作业能力显得尤为重要。通过对打桩船在不同波浪作用下的动态响应研究，得到当波浪周期接近船舶横移自振周期或锚泊系统自振周期时，船舶的运动量特别是横摇角明显增大。此外，若控制打桩船作业时运动量横移量不能超过0.5 m，横摇角不超过3°，相应不规则波条件为H13%≤1.0 m、T≤5 s或H13%≤0.8 m、T≤6 s；相应的规则波条件为H≤0.5 m、25 s≤T≤30 s或者H≤1.0 m、T ≤8 s。因此，建议施工前对施工船舶锚泊系统的横移及横摇等周期进行计算分析，施工窗口期的波浪条件应偏离其本身系统的横移周期或横摇周期，必要时结合工程海域的实测波浪要素合理编制施工方案。