基于Optimoor 的绿洲级邮轮码头系泊分析研究

杨 明

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

系泊，是指运用系缆设备使船停于泊位的作业过程，包括系靠码头、栈桥式泊位、桩柱、系泊浮筒和并靠他船等[1]。系泊前必须充分考虑风、流、泊位的长度、方向及其特点等外界条件，还应掌握船舶特性，并预先做好全盘系泊计划[2]。前期设计阶段针对给定的设计船型明确其系泊要求，对于靠泊船只的安全性以及码头建筑物的稳定性具有重要意义，因此系泊分析是码头结构型式方案设计的重要参考依据。

邮轮产业被誉为“漂浮在海上的黄金产业”，根据世界邮轮协会（CLIA）的统计，一名邮轮旅客在邮轮停靠时消费能力为30～40 美元/小时[3]。在亚太市场崛起与欧美市场复苏的交替带动下，全球邮轮产业发展持续稳健，邮轮运力优化渐趋明显。权威机构Cruise Market Watch 提供的数据如图1 所示，近三十年来，全球海港邮轮年旅客数量保持着6.63 %的年平均增长率[4]。邮轮旅游与地区经济二者间波及效应巨大，发展邮轮旅游、除直接带动就业，对当地文化艺术、船舶修建造、腹地消费等多方面均将产生高额附加值。近年来邮轮产业强劲的发展潜力为市场所看好，母港基础建设需求快速增长。由于邮轮的特殊性，其往返于固定航线内的目的地多次停靠，进港后在有限的操作水域内对安全性要求更高，同时对系泊和上下客方式也有着特殊要求。

图1 近30 年全球海港邮轮旅客规模统计

面对不同系泊条件，船舶系泊方案论证方法主要有动态系泊分析、静态系泊分析、模型试验、设立环境操作限制等。考虑外力以及环境条件的影响[5]：外力包括风、浪（涌）、流、潮汐、海冰等自然条件，也包括风暴潮甚至海啸等极端条件，以及过往船只等其他外部影响；环境影响包括静态力、动态力和运动；其他考虑还包括低频力引起的船舶运动，如近岸波浪发生反射后合成波的能量、受环境影响波浪运动参数（如波幅、波数等）发生变化等[6]。本文以某绿洲级邮轮码头工程为原型，总结实践经验，以期为后续类似工程提供借鉴。考虑当地风、流及潮汐自然条件变化时间跨度较慢，采用准静态分析方法。

1 项目环境参数

邮轮设计船型为海洋绿洲级，船型主尺度如表1。码头前沿水深-10.5 m（高程基准面为MLWS），该船型停靠时允许最大风速按65 km/h 考虑，码头前沿设计波浪要素（取泊位中部位置为控制点）参见表2。据1992 年到1997 年逐时潮位观测资料分析（保证率见图2），99 %保证率的潮位值为-0.12 m，该水位为通航水位，涨落潮信息参见图2，海流流向为N-W 的沿岸流，设计流速0.3 m/s。[7]

表1 邮轮码头船型主尺度

表2 两年一遇设计波要素

图2 潮位保证率统计图

共布置23 条缆绳（前14 尾9），采用破断力为140 t 的44 mm 直径HMPE 缆绳（12 股），批芭节采用76 mm×11 m 的尼龙材质，破断力为202 t。

2 系泊计算分析

该码头突堤式布局两侧靠船，码头北端设2 个系缆墩（一墩六柱），码头面东西侧各布置十个系船柱，配套设置1000 kN 脱缆钩，布置参见图3。[8]基于美国TTI 公司开发的Optimoor 软件，采用准静力分析方法，评估在风、浪、流等环境因素及系船柱、护舷反力等荷载作用下右舷靠泊时的船舶动力响应。根据护舷设计最大反力和邮轮上下船的使用要求，假设邮轮离港的边界条件为：缆绳荷载685 kN 或船舶纵移、横移距离超过1 m。船舶系泊安全保证率要求在码头50 年使用年限内正常操作环境条件下达到99 %。

图3 码头系船柱布置示意图

2.1 缆绳设置

设置24 组缆绳，以每根系船柱系缆不超过两条，同时避免缆绳交叉为原则，合理确定系船柱间距和位置。系缆绳布置如表3 及图4 所示，为保证邮轮与护岸的安全间距，东侧泊位船艏与护岸底边线间隔30 m，西侧泊位这一距离是37 m。

表3 码头系船柱布置示意表

2.2 护舷选用

基于船舶靠泊有效撞击能量计算，护舷选用SHIBATA 公司制造的SS2000 型护舷，假定其中心线高程为+5.4 m MLWS，护舷反力1 600 kN（压缩变形52.5 %时的反作用力）。护舷挡板表面为封闭箱形钢板，平面尺寸为2 820 mm x 5 750 mm。

2.3 工况设置

码头设计使用年限为50 年，要求系泊作业保证率为99 %，主要输入条件如下：①一年重现期风浪，主浪向为东北向，同步考虑一年重现期涌浪；②风荷载取超越概率1 %的风速（20 节），风向360°全方向考虑；③水位波动范围取平均高潮位到平均低潮位之间，以模拟不同潮位下的缆绳与水平面夹角；④不考虑双侧靠船泊位对风浪的衰减效果；⑤该船型共配置24 个绞盘，绞盘力的先张力取缆绳破断力的10 %（13.7 t）。

3 结果分析

表4 所示为系泊缆绳的最大准静态系泊缆绳力，图4 为4 个工况条件下缆绳力统计柱状图，结果分析如下：

表4 工况设置

图4 各工况24 组缆绳力柱状图

1）西侧泊位两个工况条件下的缆绳力最大值出现在艏缆位置处，分别达到了破断力的27 %和28 %，东侧泊位两个工况条件下的缆绳力最大值出现在艏缆和艉倒缆位置处，分别达到了破断力的 34 %和31 %；

2）西侧泊位两个工况条件下，缆绳破断力的平均值分别为29.9 t 和28.3 t，东侧泊位工况3 条件下缆绳受力较大，艉缆及艉横缆处最大受力46 t，缆绳力的平均值达到了34.7 t。

表5 各工况24 组缆绳力与破断力之比

4 结语

通过模拟分析，结果表明，此船型系泊系统两侧泊位都可以满足码头全年靠泊作业99 %保证率的使用要求，主要结论如下；

1）所有缆绳受力均不超过破断力额定值的 50 %，护舷反力小于设计最大反力，最大系船柱受力最大值93 t，小于设计值100 t。此外，无论是横移和纵移船舶运动量都远小于1 m；

2）船型受风面积大，所以风荷载是控制荷载，当地风速资料显示超越概率1 %的30 平均风速值为20 节，分析结果表明该风速条件可以满足99 %保证率使用要求；

3）两侧泊位的缆绳采取非对称布置，西侧靠船时，西向海流将船舶推向码头方向，东侧靠泊时则相反，因此东侧系船柱受力较大，分析结果也验证了这一点，东侧泊位最大系泊力超越西侧受力最大的艏缆约20 %；

此分析研究是仅考虑单侧靠泊的情况下，双侧同时靠泊时，船体对风和流的掩护效应会减弱总的外部荷载，因此对靠泊安全是有利的，后续可以此为出发点继续优化该船型双侧靠泊时的系泊方案，进而优化靠泊时间，降低港口能耗、减少排放，同时节约进出港成本。