系泊系统对甲板驳船运动响应及缆绳张力的影响

左华楠，甘世行

（1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082；3.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

国内外优质海岸线逐渐减少，新建港口的海况愈发恶劣，施工期间经常遇到恶劣的波浪条件，给施工船舶带来了极大挑战。恶劣海况下施工船舶摇荡更加剧烈，且容易出现断缆情况，对工程建设影响非常大，不仅影响施工质量，工期难以保证，还严重威胁船机设备和作业人员的安全。因此有必要对工程船舶施工作业过程中的运动响应和系泊缆受力进行研究，在外部环境荷载作用下，系泊缆由于布置形式、角度的差别，各根缆绳受力并不相同，船舶的运动响应也有较大差异。

目前，国内外学者对系泊系统做了大量研究。袁治巍等[1]基于MIKE 21 Mooring Analysis 系泊分析软件，模拟研究在不同周期和入射角度的不规则波作用下系泊船舶运动。朱奇等[2]通过物理模型试验，研究风浪流共同作用下系泊船舶的运动量和系缆力，分析泊位长度与系缆方式对系泊船舶的影响。陈奇等[3]基于开敞式码头，通过系泊船舶物理模型试验，在不同缆绳初张力下，针对2 种LNG 船型进行了多种环境载荷下的缆绳张力和船舶运动量研究。宋向群等[4]运用OPTIMOOR 系泊分析软件，研究了系泊索属性对开敞式码头船舶系泊安全的影响。Shashikala 等[5]利用有限元法对码头系泊船舶进行了动力响应分析。沈雨生等[6]基于10 万吨级散货船，进行横向不规则波作用下的系泊模型试验，在同一波高下变化入射波浪周期，通过系列试验，分析了波浪周期对系泊船舶横移、横摇和升沉运动的影响。宋伟华等[7]分析了长周期波浪作用下周期、波高、入射角度对船舶系泊稳定的影响，得出波高和入射角度对船舶升沉的影响极为明显，周期对船舶纵移的影响最为明显。肖鑫等[8]以某码头项目为例，通过后报波浪要素分析，得出工程区周期、波高的分布规律，利用MIKE21MA 软件系统分析长周期波浪作用下周期、波高对船舶系泊稳定的影响。王丹[9]利用了悬链线方程，对锚泊设备进行选型、获得水深、水平外力、悬链张力等参数之间的变化关系。肖力旗等[10]利用AQWA 软件对系泊集装箱船进行频域水动力分析和时域耦合分析，分析不同装载状态下，集装箱船运动响应的变化，评估装卸作业下码头系泊安全。史宪莹等[11]采用物理模型试验方法，对横向较大周期波浪作用下的一艘大型系泊（LNG）船舶运动响应特性进行了研究。

国内外对系泊系统的研究大多集中在货船靠泊时的系泊分析、海洋工程单点系泊分析，鲜有对工程船舶施工作业时系泊系统的研究。本研究以3 850 DWT 甲板驳船为对象，基于水动力分析软件AQWA，考虑缆绳动力学，应用时域分析模块建立系泊分析模型，针对恶劣海况下，工程船舶施工时的张紧式系泊，研究不同船舶摆位、系泊形式、系泊半径、系泊张开角度和系泊点数对工程船舶运动响应及缆绳张力的影响。

1 分析模型

1.1 船舶主要参数

港口工程施工中，甲板驳船由于具有通用性好，可选择性强和保有量高等特点，在水下开挖、抛石和强夯等作业中应用广泛，综合考虑船舶稳性、载重量和吃水等特性，3 000~5 000 t 甲板驳船应用较多。

以3 850 DWT 甲板驳船为研究对象，其设计为近海航区，主要用于沿海港口载运工程辅料、块状石料及矿物质，设计航速约为8.0 kn，船体主尺度见表1。

表1 甲板驳船主尺度Table 1 Principal dimension of deck barge

1.2 船舶水动力建模

利用海洋工程势流分析软件AQWA 进行水动力建模和分析，依据船舶的形线图，生成不同断面的横断面结构，通过蒙皮生成船舶三维面模型，以水线面为界面划分水上和水下2 部分，模型按网格单元最大长度2 m、特征容差1 m 的规格划分网格，生成9 352 个面网格，并设置对应的船舶排水量、重心坐标和转动惯量，获得船舶的水动力模型。

1.3 船舶幅值响应算子RAO

为了获得该船运动的RAO（幅值响应算子，是浮体对应自由度运动幅值与波幅的比）对该船开展频域分析，表征是在线性波浪作用下浮体的运动响应特征，本质上描述的是线性条件下入射波幅与浮体运动幅值的关系，频域分析是后续时域分析的必要条件。在AQWA 中添加环境参数、船体重心坐标和转动惯量，频域分析取波浪周期为2~30 s（57 个波浪周期），波浪方向取-180°~180°（25 个波浪方向）。波面云图如图1 所示。

图1 甲板驳船在波浪中的波面云图Fig.1 Wave surface cloud chart of deck barge in waves

1.4 船舶系泊分析

为了获得船舶的系泊缆绳张力和运动响应随时间的变化，需要对船舶进行时域分析。工程船舶在施工作业时，通常缆绳都是处于张紧状态，设定张紧式系泊与海底呈一定角度，系泊缆保持张紧状态，系泊系统的恢复刚度来源于缆绳的轴向刚度。

对于5 000 t 以下的甲板驳船，当浪高大于1 m 时，船舶的横摇、垂荡等运动响应较为明显，对开挖、抛石和强夯等水上作业影响较大，当浪高大于2 m 时，大部分水上作业都很难进行。基于随机波浪JONSWAP 波浪谱，以1 m 有效波高、8 s 谱峰周期为基准，分析不同系泊方式对船舶运动响应及系泊缆张力的影响，再对比5 种典型波高周期组合，分析不同波高周期组合对船舶运动响应和系泊缆张力的影响。

系泊系统的物理参数和各工况参数见表2。添加φ40 mm 钢丝绳的材料参数，采用非线性悬链线法进行系泊分析，分别输入导缆孔坐标和锚点坐标，连接并设置系泊缆（见图2），进行时域分析，时域分析时间为3 600 s。

图2 系泊系统设置Fig.2 Mooring system setup

表2 不同系泊方式计算工况表Table 2 Calculation condition table for different mooring methods

2 系泊系统对运动响应的影响分析

船舶任意时刻的运动分为纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇，其中对工程船施工影响最大的是横摇、纵摇和垂荡，是工程船舶运动响应分析的主要关注参数。

2.1 船舶摆位的影响

分析波浪荷载对船舶摆位的影响，设置船舶为4 点八字式的张紧系泊，船舶摆位与浪向的夹角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，不同摆位下系泊缆绳张力和船体运动响应见图3。

图3 不同波浪方向船舶运动响应和系泊缆张力Fig.3 Ship motion response and mooring cable tension in different wave directions

图3 中缆力变化结果表明，波浪方向对船体的系泊缆张力影响重要，系泊缆力变化幅值随着浪向角的增加而增加。运动响应结果表明，船体纵摇在45°浪向最大，但最大角度均小于2°，因此浪向对纵摇影响不大。对于垂荡和横摇，其均随着浪向角的增大而增大。在水工作业中，工程船舶对横摇的敏感度最高，在波浪方向大于45°时，船舶横摇角急剧增大，90°浪向角中，达到最大横摇4.9°，接近工程船舶施工限制5°。

2.2 系泊形式的影响

较为常见的工程船舶系泊布置方式有八字式、人字式和交叉式，为了获得不同系泊形式对系泊缆力和船舶运动响应的影响，以4 点八字式系泊系统为对比工况，分别对比人字式和交叉式对系泊缆动力和船舶运动响应的影响，不同系泊形式的分析结果见图4。

图4 不同系泊布置方式船舶运动响应和系泊缆张力Fig.4 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring layout

图4 中不同系泊形式下船舶运动响应和系泊缆张力结果表明，3 种系泊布置形式中，交叉式系泊刚度较大，其系泊缆力变化幅值最大；人字式系泊刚度较小，系泊缆力变化幅度最小。3 种系泊布置形式下，船体的垂荡、横摇、纵摇响应结果无明显差异。

2.3 系泊半径的影响

为了获得不同系泊半径对系泊性能的影响，以4 点八字式系泊系统为基础，分别对比150 m、175 m 和200 m 的系泊半径对系泊缆力和船舶运动响应的影响，不同系泊半径的分析结果如图5所示。

图5 不同系泊半径船舶运动响应和系泊缆张力Fig.5 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring radius

图5 中结果表明，系泊缆力和船舶运动响应幅度都随着系泊半径增加而逐渐减少，主要原因是缆绳长度增加降低了整体系泊刚度。在系泊系统选型中，可以通过调整系泊缆绳长度改变系泊力的大小，进而改善系泊系统的性能。3 种系泊半径下，船体的垂荡、横摇和纵摇响应结果无明显差异。

2.4 系泊张开角度的影响

在相同的外部条件下，考虑系泊缆的不同张开角度对系泊系统和系泊动力响应的影响，在4点八字式系泊系统的基础上，分别将系泊缆绳张开角度改为30°、45°和60°，分析张开角度变化对系泊系统运动性能和系泊缆动力性能的影响，分析结果见图6。

图6 不同张开角度船舶运动响应和系泊缆张力Fig.6 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring open angles

图6 中结果表明，随着系泊张开角度的增加，垂荡、横摇和纵摇的运动响应结果影响不大；但缆力变化幅度随之增加，主要原因是张开角度的增大，增加了波浪方向的系泊刚度，进而减小了船舶各自由度的运动响应，同时，增加了系泊缆力的幅值。

2.5 系泊点数的影响

为了获得不同系泊点数对系泊缆力和船舶运动响应的影响，分别以4 点、6 点和8 点张紧式系泊系统为研究对象，分析不同系泊点数工况下系泊系统性能和船舶运动响应的影响，系泊系统布置和计算结果见图7。

图7 不同系泊点数船舶运动响应和系泊缆张力Fig.7 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring points

图7 中结果表明，随着系泊系统点数增加，系泊缆力变化幅度显著减少，因为更多系泊缆分担了浮体所受到的环境荷载。船体的垂荡、横摇和纵摇等运动响应差别不大。

2.6 不同波高周期组合的影响

为了获得不同波高周期组合对系泊缆力和船舶运动响应的影响，以4 点八字式系泊系统为基础，分别对比5 种典型波高周期组合，H1=0.5 m，T1=6 s；H2=1 m，T2=7 s；H3=1 m，T3=8 s；H4=1.5 m，T4=8 s；H5=2 m，T5=9 s。

不同波高周期组合的船舶运动响应和系泊缆张力分析结果如图8 所示。

图8 不同波浪组合船舶运动响应和系泊缆张力Fig.8 Ship motion response and mooring cable tension in different wave combination

图8 中结果表明，随着波高和周期的增加，系泊缆力变化幅度增大，船体垂荡、横摇和纵摇运动响应也随之增大。同波高下，周期越大，系泊缆力和船体的运动响应越大；同周期下，波高越大，系泊缆力和船体的运动响应越大，这是由于波高的大小反映了波浪的能量，并且长周期波比短周期波也具有更大的能量。

3 成果应用案例

揭阳大南海海洋放流管工程是大南海石化工业园区配套辅助设施工程之一，建设排海规模为3.4 万m3/d 的尾水排放管道。放流管作为第一阶段的尾水排放设施，尾水主要有2 股来水：中石油污水处理厂尾水和石化区综合污水处理厂近期第一阶段尾水。

揭阳大南海海洋放流管工程，地处揭阳南端近海区域，施工海况条件恶劣，涌浪频繁，施工船舶横摇响应幅值较大，对施工船舶水下作业产生严重的影响，针对揭阳区域的恶劣海况，通过对船舶摆位、系泊形式、系泊半径等研究，根据现场的风浪情况，优化系泊布置方式，有效减小了甲板驳船的横摇运动响应，大大提高了甲板驳船海上作业的施工效率和精度，提前1 个月完成揭阳市政府要求的施工节点。

4 结语

本文以3 850 DWT 甲板驳船为例，利用水动力分析软件AQWA，分析了工程船舶施工时的张紧式系泊状态下，不同船舶摆位、系泊形式、系泊半径、系泊张开角度和系泊点数对船舶运动响应及缆绳张力的影响，主要结论如下：

1） 甲板驳船对横摇的敏感度最高，在波浪方向大于45°时，船舶横摇响应幅值迅速变大，90°浪向角时横摇响应幅值达到最大。

2） 交叉式系泊刚度较大，其系泊缆力变化幅值最大。人字式系泊刚度较小，系泊缆力变化幅度最小。系泊布置形式下，船体的垂荡、横摇、纵摇响应结果无明显差异。

3） 随着系泊张开角度的增加，船舶的垂荡、横摇和纵摇等运动响应结果影响不大，但缆力变化幅度随之增加。系泊缆力和船舶运动响应幅度都随着系泊半径增加而逐渐减少，施工时可通过调整系泊缆绳长度改变系泊力的大小，进而改善系泊系统的性能。

4） 随着系泊系统点数增加，系泊缆力变化幅度显著减少，船体的垂荡、横摇和纵摇等运动响应差别不大，施工时依据现场风浪条件选择系泊点数。

5） 同波高下，周期越大，系泊缆力和船体的垂荡、横摇和纵摇等运动响应越大；同周期下，波高越大，系泊缆力和船体的垂荡、横摇和纵摇等运动响应越大，波高和周期的大小反映了波浪的能量大小。