基于国外规范的船舶射流作用下重力式码头护底设计

黄 建，李 闯

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023)

20世纪70年代以来，引擎功率的大幅提升推动了船舶大型化的发展，随之而来的是船舶射流损坏码头的问题。西方国家对此关注较早，也推出了许多具有工程指导意义的研究成果，如国际航运协会(PIANC)的设计手册[1]以及TheRockManual[2]等推荐的相关设计方法。近年来，我国也逐渐意识到了船舶射流对码头危害的严重性，并开始对螺旋桨射流作用下的抛石稳定进行研究，取得了一定成果[3-7]，但至今国内的港口工程规范仍然缺少射流作用下码头护底设计的相关指导，致使国内设计人员在实际项目设计中无据可依。

本文参考国际航运协会(PIANC)的设计手册以及TheRockManual等文献，总结了船舶射流作用下重力式码头护底块石设计的相关计算方法，以非洲某港口项目为实例，阐述重力式码头护底设计，可为类似工程提供参考。

1 射流引起护底破坏的作用机理

1.1 螺旋桨射流

在不受任何阻碍的水体空间内，螺旋桨射流产生的流场呈现以桨中心为轴线的圆锥形。流场可分为起始段和主体段2个发展阶段，见图1。流场的起始段，靠近螺旋桨平面，桨轴线处受桨毂影响存在低速区，在低速水体的剪切作用下，最大流速出现在桨叶中部；射流继续发展，桨轴线上水体流速逐渐增加，最大流速位置逐渐移动至桨轴线上，此后射流形态趋于稳定。

图1 射流流速变化过程

1.2 螺旋桨射流作用下护底块石的起动

关于块石起动的机理，最早由Raichlen提出：单个块石以接触点为中心，在惯性力、拖曳力、托举力等共同作用下产生的力矩促使块石开始起动，其实质是块石质量与起动流速之间的关系。

随后国内外学者通过模型试验和理论推导等方法，得到许多研究成果。其中Izbash公式的认可度较高，公式指出块石的稳定质量与起动流速的6次方成正比关系，这表明流速在达到一定值后，其小幅增加将导致块石稳定质量巨增。

在受到码头岸壁和护底面的约束影响时，螺旋桨距岸壁和底面位置不同，射流产生的流场呈现出不同的分布特点。研究表明护底表面最大冲刷流速分布规律比较明显：螺旋桨的位置由低到高，底面的冲刷流速先增大后减小；螺旋桨位置逐渐远离岸壁，底面的冲刷流速先增大后减小。

当冲刷流速大于护底块石的起动流速后，将引起护底的破坏，进而影响整个码头结构的稳定性。

2 国外规范和文献的计算方法及比较分析

本文参考国际航运协会(PIANC)的设计手册PIANCreportNo.180guidelinesforprotectingberthingstructuresfromscourcausedbyships以及TheRockManual等文献，对重力式码头结构护底冲刷流速及块石粒径计算总结于表1、2。

表1 国外规范和文献关于冲刷流速的计算方法

表2 国外规范和文献关于块石粒径的计算方法

针对表1、2公式有几点分析说明：

1)初始射流速度。无论是主螺旋桨的作用还是侧推器的作用，均是基于Albertson方程，再根据试验结果得出的经验公式。对于侧推器初始射流速度的计算，发动机功率按100%考虑；对于主螺旋桨初始射流速度的计算，根据船型、系泊条件等因素的不同，发动机的功率比例取值不同，例如：集装箱船可选取5%～15%，散货船可选取30%等。

2)冲刷流速。PIANC推荐的荷兰方法和德国方法在初始射流速度的计算上是一致的，但对于冲刷流速则有所不同。荷兰方法原本是用来估算在冲刷条件下块石的稳定尺寸；而德国方法是基于一项关于船舶螺旋桨作用下河床保护的长期研究[8]，并考虑船舵的影响，参数选取较为复杂。

TheRockManual只给出了主螺旋桨作用时的推荐算法，且与荷兰方法一致，同时还考虑了射流受码头岸壁结构和护底约束后产生的流场对块石稳定的不利作用，建议在射流受到结构阻碍时，最大底部流速应增大10%～40%。

船舶侧向或尾部有多个螺旋桨时，可按PIANC推荐的方法进行叠加。

3)块石粒径计算。PIANC推荐的荷兰方法与TheRockManual推荐的算法在重力式码头护底块石计算上是一致的，由冲刷流速vb，max直接推算出稳定块石的中值粒径D50，只是公式表达不同；而德国方法则是根据D85计算出块石稳定速度vcrit，与冲刷流速vb，max比较，以确定块石是否稳定。荷兰方法是根据常规的块石稳定性方程(Izbash方程)来估算所需的块石尺寸；德国方法则是建立在均质土壤或级配土壤冲刷的物理试验基础上。

需要特殊说明的是，PIANC手册中提到荷兰方法及德国方法，都是基于各自独立的理论研究。因此，如果在计算冲刷流速时选定了某一种方法后，则不可在块石粒径计算过程中再选用另外一种方法，改变计算方法会引发重大错误。

3 设计实例

3.1 基本条件

非洲某港口项目集装箱码头结构为重力式沉箱形式，代表断面见图2，设计船型为20万DWT集装箱船，船长400 m、船宽58.6 m、吃水16.0 m，船首侧推器功率3 778 kW，侧推器直径3.43 m，主驱动器功率75 570 kW，主驱动器直径9.99 m。

3.2 计算公式选用

在相同条件下(船首侧推器计算功率为额定功率的100%，主驱动器计算功率按额定功率的10%取值)按照荷兰方法、德国方法及TheRockManual算法分别计算冲刷流速和块石粒径，结果见表3。

图2 集装箱码头结构断面(高程：m；尺寸：mm)

表3 不同方法计算冲刷流速和块石粒径计算结果

由表3可见，荷兰方法与TheRockManual算法计算结果一致，而与德国方法的计算结果相差较大。根据本文第2节的研究分析，各方法针对不同的研究对象发展而来，荷兰方法适用于护底块石的稳定计算，德国方法则是在均质土壤或级配土壤冲刷问题上有较好的适用性，而TheRockManual推荐的算法本身就是基于荷兰方法，所以其结果与荷兰方法保持一致。同时，考虑到荷兰方法在鹿特丹港基床维护工程中的成功应用，故项目选用荷兰方法进行设计，具体计算过程如下：

1)船首侧推器初始射流速度采用公式(1)计算，其计算功率为额定功率的100%；主驱动器采用公式(2)计算，其计算功率按额定功率的10%取值。

2)在船首侧推器作用下护底的冲刷流速采用公式(3)、(4)计算，在主驱动器作用下采用公式(5)计算。

3)块石粒径采用公式(10)计算，根据法国海洋和河流技术研究中心建议，(1Bcrit，Iz)2的取值为3。

3.3 设计结果及验证

按上述公式计算得出的设计结果与国际咨询公司的审查结果很接近，具体结果及比较见表4。

表4 本文计算结果与国际咨询公司计算结果对比

从计算结果的比较来看，初始射流速度的计算结果相同，在冲刷流速上略有差别，进而导致块石粒径计算结果不同。产生差异的原因在于计算水位及船首侧推器出口位置的确定略有不同，并建议在射流受到结构阻碍时，冲刷流速可参考TheRockManual的建议增大10%～40%。

4 结语

1)分析比较了各算法，并在实际国外工程中采用PIANC推荐的荷兰方法对重力式码头护底进行设计。

2)荷兰方法的提出是基于冲刷条件下块石稳定的研究，因此对块石护底的设计较为适用，在护底采用其他材料时应进一步研究其适用性。

3)德国方法的得出是基于一项关于船舶螺旋桨作用下河床保护的长期研究，在均质土壤或级配土壤冲刷问题上有较好的适用性。

4)船舶射流受到重力式码头岸壁和护底约束后产生的流场对块石稳定不利，可适当增加冲刷流速计算值。