疏浚航道灯浮标锚泊稳定计算的研究

2022-08-17詹家涛福州西港工程设计有限公司

珠江水运 2022年14期

◎詹家涛福州西港工程设计有限公司

1.引言

疏浚航道是采用机械、水力及人力等方法开挖而成的人工航道，为保障航道内船舶的通航安全，通常采用灯浮标标示出航道两侧的界限。受风、浪、流等外力的影响，浮标与锚系会产生一定范围的回旋漂移，有效的控制回旋半径及分析锚系的稳定性，是疏浚航道设标的关键因素。

目前，浮标锚泊设计主要是根据经验配置链系和沉块。例如，东海海区浮标锚链的长度通常取设标点最高海平面时水深的三倍，国际航标协会（IALA）推荐在小于50m水深的设置地，浮标锚链最小长度为该地点最大水深（最高潮位和最大波高一半之和）的两倍。对浮标沉锤重量的配置，通常按浮筒直径配用3吨～5吨。

疏浚航道需要较为精确的标示航道两侧界限，这就需要浮标采用张紧式系泊缩短系链长度，对浮标锚泊系统的稳定性和适用性提出更高要求。海港工程设计手册第一版中介绍了以二次抛物线来代替悬链线分析锚系的受力，该方法并不十分精确，目前在第二版中已替换为悬链线方程求解锚链长度和受力情况，此方法也是目前《码头结构设计规范》中锚链及锚的静力分析方法。规范方法为已知锚链自重、水深和水平力，求解出满足悬链线与海床刚好相切情况下的锚链长度、锚链拉力和锚链水平投影长度。在实际工程设计中，浮标锚链配置长度由一定数量的马鞍链、短链、半链、全链等链节组成，无法精确配置规范公式计算的锚链长度。

本文根据悬链线方程，推导出已知锚链配置、水平力和水深条件，在张紧式系泊情况下浮标的回旋半径、沉块受到竖向分力的计算公式，并结合南通港吕四作业区10万吨级进港航道设标情况，对疏浚航道浮标锚链及沉锤的配置进行分析，为实践工作提供参考。

2.浮标锚泊系统分析

2.1 悬链线标准方程

（1）、（2）式两边同时积分，整理得：

式中T为浮标受到的水平力，ω为锚链的水下单位长度自重力，L为锚链曲线长度（图1）。

图1 悬链线标准方程计算简图

2.2 张紧式系泊锚系计算

为计算在张紧式系泊情况下，锚链及沉块的受力状况，根据悬链线方程可以建立直角坐标系，如图2所示，其中H为浮标设标点的水深，L为拟配置锚链的实际长度，L为虚拟锚链在泥面下的长度，并满足在圆点处与x轴相切。

图2 张紧式系泊计算简图

由此可建立方程组：

将（5）、（6）式代入（3）、（4）式，整理得：

3.浮标载荷分析

作用在浮标结构上的荷载，主要为风、流、浪。浮标的动力分析较为复杂，在实际工程设计时，一般采用静力分析法。对疏浚航道设置的灯浮标，取航道最低通航水位的工况计算回旋半径；为保证浮标锚系的稳定性，取极端工况计算锚链的回旋半径和沉锤的锚抓力。

（1）作用在浮标结构上的风荷载可按《港口工程荷载规范》进行计算：

风荷载标准值

式中，μ为风荷载体型系数，μ为风压高度变化系数，v为风速，A为浮标水上部分受风投影面积。

（2）作用在浮标结构上的水流力可按下式进行计算：

水流力标准值

式中，C为水流阻力系数，ρ为水密度，v 为水流流速，A为浮标水下部分与流向垂直平面上的投影面积。

（3）作用在浮标结构上的波浪力较为复杂，对近岸浮标一般以一阶波浪力计算，且以波浪的惯性分力为主。本文中的浮标波浪力参考《港口与航道水文规范》中的波浪对小尺度桩（柱）的作用进行计算：

式中，C为惯性力系数，γ为水的重度，A为浮标横断面面积，H为波高，d为设标点水深，d为浮筒吃水线以上高度，d为浮筒吃水线以下高度。

4.浮标沉锤锚固力分析

张紧式系泊状态下，浮标沉锤不但承受水平力，而且还有竖向分力的作用，此时主要靠沉锤的自重与海床土体的摩擦力来提供锚泊系统的锚固力。沉锤重量按下式计算：

式中，δ为沉锤平均密度，ρ为水的密度，φ为土体的内摩擦角。

5.工程实例

5.1 工程概况

南通港吕四作业区西港池10万吨级进港航道通航标准为10万吨级散货船、集装箱船乘潮单向通航，航道设计底高程-13.3m～-13.6m，疏浚边坡1：7～1:10，通航宽度201m～256m，乘潮水位3.66m，航道两侧设有防沙导流堤。本文对该航道疏浚段两侧配布的灯浮标进行分析。

疏浚段航道两侧配布了直径2.4 m 钢制灯浮，水上受风面积约6m，水下浸水横截面面积约4m，吃水线以上浮筒高1.3m，吃水线以下浮筒高1 m，疏浚后设标点泥面高程-6.6m。浮标最低通航水位取乘潮水位3.66m，波高H=1.0m，波长68m，周期7.7s，流速1m/s，风速29m/s；极端工况下取极端高水位8.39m，波高H=3.0m，波长77.5m，周期7.7s，流速1.5m/s，风速40m/s；取上述工况分析浮标锚系配置、回旋半径及稳定性。