栖凤渔船避风锚地系泊系统设计

2019-03-06张建侨

港工技术 2019年1期

雷鹏，张弛，张建侨

（1.中国水产科学研究院渔业工程研究所，北京 100141；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

莼湖镇位于浙江省奉化市东部，东与裘村镇毗邻，南为象山港，西为尚田镇，北与西坞交界。近年来，莼湖镇渔业发展迅速，尤其是远洋渔业，目前有外海渔船835艘、近海作业小型渔船及各类排筏800余艘，主要集中在桐照、栖凤、洪溪3个渔村。随着标准海塘、滩涂养殖以及围填海工程的建设，适合渔船搁滩的滩涂面积急剧减少，渔船靠泊难的问题日益突出，因此莼湖镇政府决定在栖凤村建设渔船避风锚地。

工程区域位于象山湾内，水深为-2.5～-12 m。象山湾东接大目洋，位于穿山半岛与象山半岛之间，是一个深入内陆的狭长的半封闭型港湾。海湾呈ENE～WSW走向，三面受天台山脉包围，港口有佛渡、六横、梅散（列岛）、东屿山诸岛为天然屏障，是一个天然避风良湾。

1 自然条件

象山港地处亚热带季风气候区，风向主要表现为季风特征。根据西泽气象站统计资料，冬季盛行偏西北（WNW～NNW）风，夏季以偏东南（SE～S）风居多，冬季风强于夏季风。

根据实测潮流资料，工程海域属规则半日潮流，实测海域涨落潮基本为往复流。实测涨、落潮最大流速分别为1.17 m/s和1.42 m/s，流向为229°和 74°。

根据附近牛鼻山水文站测波资料，象山港口门段年平均波高0.4 m，年平均周期4.5 s，实测最大波高1.8 m，最大周期17.0 s。象山港口外受穿山半岛、舟山群岛的掩护，外海波浪对湾内影响较小，象山港波浪主要来自湾内风成浪。但象山港内群山环抱，伸入内陆，即使大风期间也难以形成大浪。另外，涌浪从外海传入湾内后，也将明显减弱。

停泊船只主要为600HP渔船，船长46 m，型宽7 m，型深4.2 m，干舷高度1 m，满载吃水3.5 m。

2 船舶荷载计算

2.1 风压力

船体水面上横向受风面积较纵向受风面积更大，故当系泊船舶横向与风向一致时，风压力最大[1]。作用在船舶上的计算风压力参照《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[2]计算。风作用力按13级横风考虑，13级风的风速范围是37.0～41.4 m/s，计算时取最大值41.4 m/s。依据式（1）进行计算：

式中：Fxw为作用在船舶上的计算风压力的横向力（kN）；Axw为船体水面以上横向受风面积（m2）；Vx为设计风速的横向风（m/s）；1ξ风压不均匀折减系数，取1.00；2ξ风压高度变化修正系数，取1.00。

船舶水面以上受风面积与船舶类型和载货量多少有关。渔船在锚地停泊处于半载情况，船体水面以上横向受风面积按（2）计算：

式中：Axw为船体水面以上横向受风面积（m2）；DW为船舶的载重量（t），600HP渔船载重量为400 t。

计算可得，最大风作用力为Fxw=162.49 kN。

2.2 水流力

水流力参照《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[2]计算。工程海域最大流速1.42 m/s，流向74°。依据式（3）进行计算：

式中：Fxc、Fyc分别为作用在船舶上的计算风压力的横向分力和纵向分力（kN）；Cxc、Cyc分别为水流横向分力和纵向分力系数；ρ为水的密度（t/m3），对海水ρ=1.025 t/m3；v为水流速度（m/s）；Axc、Ayc分别为相应装载情况下的船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面积（m2）。

水流力横向分力系数和纵向分力系数可按式（4）计算：

式中：Cxc、Cyc分别为水流力横向分力和纵向分力系数；a1、a2、b1、b2为系数；θ为流向角（°），当θ＞90°时，按其补角计算。

船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面积可按式（5）计算：

式中：Axc、Ayc分别为船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面积（m2）；B’为船舶吃线以下的横向投影面积（m2）；θ为流向角（°），即水流方向与船舶纵轴之间的夹角。

船舶吃水线以下的横向投影面积按式（6）计算：

式中：B’为船舶吃线以下的横向投影面积（m2）；DW为船舶的载重量（t）。

计算结果：Fxc=26.66 kN，Fyc=111.35 kN。

2.3 波浪力

工程区域位于狭长的半封闭型港湾，波浪传递到锚泊区衰减厉害；而且系缆绳和系泊浮筒的锚链能够吸收波浪的冲击力，起到缓冲作用。因此，设计时不考虑波浪力的作用。

2.4 合力计算

根据力的合成原理，合力F=219.49 kN，方向与船中心线交角为59.5°，作用点近似在船中。

3 系泊浮筒及其锚链张力计算

如图1所示，根据力的平衡关系，可得浮筒所受拉力由式（7）计算。

式中：T为浮筒所受水平拉力（kN）。

图1 浮筒系泊示意

从浮筒布置成本及渔船停泊安全性的角度考虑，β取30°左右比较合适，但从现实使用的角度来说，选择22.5°渔民适宜操作，故β取22.5°进行计算，得T=247.15 kN。

锚地渔船停泊方式为5艘渔船并排系泊，同时考虑到单艘船对相邻船之间的掩护作用，5条船并排锚泊时浮筒受到的水平拉力近似按单船受到水平拉力的3倍计算，为Tt=3T=247.15 kN×3=741.45 kN。

在同样的水平系泊力作用下，当浮筒浮于水面且锚链几乎拉直时，锚链对沉锤的提升力最大，此时锚链中的张力也最大。

图2 锚链受力示意

锚链中张力按式（8）计算：

式中：Tm为锚链张力（kN）；θ为锚链与海底夹角（°）；Tt为锚链受到水平力。

锚链与海底夹角按式（9）计算：

式中：θ为锚链与海底夹角（°）；H为锚地高潮位水深，H=12+5.74=17.74 m；L为锚链总长度（m），取30 m。

计算得θ=36.3°，Tm=919.43 kN。

沉锤受到最大向上的提升力Fv=Tmsinθ=543.69 kN。

4 沉锤设计方案

沉锤的设计必须满足在锚链的作用力下不被拉动，作用力分解为水平方向的拉力和竖直向上拔力。考虑两个方案[3,4]：方案一依靠沉锤自身的自重和沉锤与海床的摩擦力来抵抗锚链拉力；方案二沉锤埋入土中，依靠沉锤破土力来抵杭锚链上拔力。

4.1 方案一

1）沉锤重量

沉锤重量须满足在系泊力最大时不被拉动的要求，取安全系数为 1.5，沉锤与海床的摩擦系数为1.0，则沉锤水下重量应为：

G≥1.5（Fv+Tt/1.0）=1 927.71 kN

2）沉锤型式

沉锤为棱台形钢筋混凝土结构，上底边长2 m，下底边长8 m，高3 m，下底开凹槽深0.2 m，面积为 4 m×4 m，空气中重量为 202.0 t，水中重量为121.2 t，满足沉锤抗拉要求。沉锤耳环取Φ73有档锚链三环、底部一环，中间加横挡预先埋入沉锤之中。

4.2 方案二

1）沉锤型式及埋深

沉锤为为棱台形钢筋混凝土结构，上底边长2 m，下底边长5 m，高1.5 m，体积17.7 m3，空气中重量为44.25 t，沉锤底部设边长3.0 m，高0.2 m的凹槽以减轻质量并增加沉锤与海底面的附着力。设计沉锤坑挖深8.5 m，沉锤顶面距海底7 m。

2）沉锤垂直破土力验算

沉锤破土力的大小关系到系泊系统能否安全工作，当锚链在垂直方向上所受的力大于沉锤的破土力时，沉锤会被拔出。

图3 沉锤埋深示意

沉锤坑坑深8.5 m，开挖边坡取1:10（考虑工程区域表层淤泥较厚），边坡倾斜角为tg-11/10=5.71°。

沉锤破土力G按式（10）[5]计算：

式中：G为沉锤垂直破土力（kN）；H为沉锤埋深，即沉锤上表面到坑底的高度，H=8.5-1.5=7 m；a为沉锤下底边长，取 5 m；b为破土边宽，b=a+2H×tg5.71°=6.2（m）；γ为水下泥沙重度，取6.2 kN/m3。

计算得G=1 471.16 kN。

沉锤受到的最大提升力为543.69 kN，取安全系数为2.0，则沉锤应该能够抵抗系泊提升力646.81 kN×2.0=1 087.38 kN。沉锤破土力为1 471.16 kN，大于向上提升力1 087.38 kN，沉锤满足抗拉要求。

4.3 方案选择

方案一沉锤的尺寸大，质量很大，对施工能力的要求较高，方案二沉锤埋入土中，需开挖沉锤坑，施工较麻烦。综合考虑，沉锤设计选择方案二，即沉锤埋入方案。

5 浮筒及锚链参数的确定

5.1 浮筒及浮筒锚链直径选取

根据系船浮筒在不系船时能吊挂锚链而且保持 1/3～1/2干舷，从而确定浮筒的尺寸。设计的浮筒为XF2.6-DI标准型，满足使用要求。

链设施安全系数一般取2.5～3.0[6]，设计浮筒锚链的破断力值应至少为919.43 kN×3.0=2 758.29 kN。参考《电焊锚链》（GB/T 549-2008）[7]规范，锚链直径取73 mm（破断荷载3 990 kN，拉力荷载2 790 kN）满足其要求（如果取其它值，必须保证破断力能够满足要求），材质为AM3级。其他配件（如转环、卸扣等）的强度大于等于相应锚链强度的要求。