離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究

1、中交水運規(guī)劃設計院有限公司i離岸深水港口建設關(guān)鍵技術(shù)研究課題之一離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究報告簡本1.引言隨著近岸深水岸線的逐步減少，以及船舶大型化的發(fā)展，碼頭建設日益向著條件更加惡劣的深水地區(qū)發(fā)展，大型船舶的系泊安全問題日益成為各方關(guān)注的焦點之一。本課題對碼頭泊穩(wěn)條件開展了較為系統(tǒng)的研究，為今后建設大型離岸深水碼頭船舶系泊的安全性提供了保障。1.1為我國今后大規(guī)模的港口建設提供技術(shù)保障我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，港口運輸能力已不適應日益繁忙的國內(nèi)外運輸需要。沿海港口運輸總能力缺口達 5 5 億噸，與 20152015 年需要相比，缺口約 2020 億噸以上。然而，我國港口布局不盡合理

2、，缺少大型深水碼頭，港口建設需在原有基礎上向深水發(fā)展，這就需要解決離岸大型高品質(zhì)深水港口建設一系列重大技術(shù)問題。本課題緊密結(jié)合依托工程，對離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)開展研究，并將成果推廣應用到一般的離岸深水碼頭建設中，將為我國的港口建設提供有力的技術(shù)保障。1.2提高系泊船舶安全性隨著近岸深水岸線的逐步減少，以及船舶大型化的發(fā)展，碼頭建設日益向著條件更加惡劣的深水地區(qū)發(fā)展，大型船舶的系泊安全問題日益成為關(guān)注的焦點之一。影響系泊船舶運動的因素較為復雜，已建成的若干開敞式碼頭曾有斷纜發(fā)生，對碼頭的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重的威脅。本課題對系泊船舶的運動響應開展系統(tǒng)研究，為今后建設大型離岸深水碼頭提高船舶

3、系泊的安全性提供保障。1.3提高資源利用率、建設節(jié)約型港口碼頭前系泊船舶的泊穩(wěn)條件直接決定了碼頭的年作業(yè)天數(shù)及其使用效率， 因而影響碼頭的經(jīng)濟效益。本課題針對改善碼頭泊穩(wěn)條件，提高碼頭的年作業(yè)天數(shù)，提高單個泊位的年通過能力開展研究，從而提高岸線資源的利用效率，為我國建設節(jié)離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司2約型社會做出貢獻。1.4提高我國建港技術(shù)水平、促進我國建港技術(shù)進步和創(chuàng)新本課題研究成果可在相關(guān)規(guī)范中應用，這對丁提高我國港口工程建設的技術(shù)水平，節(jié)省工程建設投資具有十分重要的意義，將有力地促進我國建港建設技術(shù)進步和創(chuàng)新。2.國內(nèi)外研究概況2.1國內(nèi)外碼頭

4、作業(yè)標準研究概況港內(nèi)船舶泊穩(wěn)條件是港口設計中的一個決定因素。但到目前為止，國內(nèi)外港口工程設計規(guī)范對港內(nèi)泊穩(wěn)標準無統(tǒng)一規(guī)定。許多國家的港口工程技術(shù)規(guī)范針對不同的船舶噸級和不同船型或貨種，給出碼頭前的允許波高值和風力作為泊穩(wěn)條件，我國港口工程技術(shù)規(guī)范（19871987）, ,首次對 10001000 噸以上不同載重噸位,不同貨種的碼頭船舶裝卸作業(yè)的允許波高和風力作出具體規(guī)定；日本港口設施技術(shù)標準解說（19891989 年修訂）也以波高為標準，提出了臨界波高標準；我國現(xiàn)行的港口工程技術(shù)規(guī)范也采用此標準。碼頭前可能進行裝卸作業(yè)的允許波高值是各國學者十分關(guān)注的研究課題,主要研究途徑是模型試驗，現(xiàn)場觀測及

5、實地調(diào)查。盡管波高標準便丁工程應用，但只能間接地、粗略地反映碼頭前船舶的泊穩(wěn)條件，沒有反映波浪周期、傳播方向、系泊船的頻率響應特性、碼頭結(jié)構(gòu)型式、護舷特性等因素的影響。如毛利塔尼業(yè)友誼港的斷纜事故就是由丁波高不大的長周期波引起的。準確的泊穩(wěn)標準應直接用船舶的六個運動分量的允許值來表示。 國內(nèi)外正在對上述問題進行研究，限丁問題的復雜性，現(xiàn)有的研究成果也還是初步的。國際港口協(xié)會（IPAIPA）、挪威、俄羅斯等國家分別對油輪、散貨、雜貨及集裝箱船進行安全裝卸作業(yè)時允許的最大船舶運動量給出了一些限制要求，例如最大橫搖角一般控制在 3 34 40 0以下。2.2國內(nèi)外系泊船舶運動響應研究概況國外丁七十年

6、代中期開始利用數(shù)學模型預報碼頭系泊船舶在風浪流作用下的運動、 系纜力及對護舷的作用力。荷蘭海工研究所的奧特默森博士比較完整地提出了該方面的理論和方法，并進行了模型試驗。日本港灣技術(shù)研究所上田茂等相繼發(fā)表了多篇相關(guān)論文。國外開發(fā)的碼頭系泊船舶纜繩張力計算的程序主要有 TermSinXTermSinX 荷研究報告簡本離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究蘭 MARN,PcSmartMARN,PcSmart(美國 ExxonResearchandEngineering),OptimoorExxonResearchandEngineering),Optimoor(美國TensionTechnologyIn

7、ternational:TTITensionTechnologyInternational:TTI),它們的共同特點是均只考慮纜繩靜張力，而不考慮波浪的激勵作用，因為一般港口波浪是不大的，系泊船舶受力主要來自水流和風。國內(nèi)對丁船舶系纜力的數(shù)值模擬研究相對較晚，始丁 2020 世紀 8080 年代后期，如丁洋等從靜力學二維角度在不考慮纜繩拉伸變形時對纜繩張力進行了分析；向溢等采用了蒙特卡洛算法、混沌解法對碼頭系泊船舶纜繩張力進行了數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進行了對比，得到較好的一致性。波浪作用下系泊船舶對碼頭的撞擊作用是碼頭結(jié)構(gòu)的重要荷載之一。早在上世紀 6060 年代開始，國外己經(jīng)開始進行這方面的

8、研究。國內(nèi)在這方面的研究起步稍晚，到 7070 年代初，國內(nèi)學者開始對該問題進行了研究。至目前為止，對丁波浪作用下系泊船舶對碼頭撞擊作用的研究，己經(jīng)取得了一些重要成果?？v觀己有的研究，撞擊能量的研究工作主要有理論分析法、經(jīng)驗分析法和數(shù)值計算法。S.Nagai.K.odaS.Nagai.K.oda 等通過理論分析得到撞擊力的解析解；高明、李玉成等多位學者通過物理模型試驗資料得到了各種撞擊能量的計算公式；HermanHerman 鄒志利等發(fā)展了數(shù)值計算方法。2.3國內(nèi)外碼頭軸線、碼頭長度、系靠設施的優(yōu)化布置研究概況自上個世紀 8080 年代開始，隨著造船能力的提高以及貿(mào)易量的增加，超過 2020

9、萬噸級以上的外海開敞式碼頭的建設越來越多，外海開敞式碼頭由丁沒有掩護，建設位置的水流流速以及波浪條件都明顯比有掩護港口不利。由丁外界環(huán)境荷載的加大以及船舶體積的增加，外海開敞式碼頭?？康拇笆芰^大，斷纜以及由丁船舶位移過大不能很好適應裝卸工藝設備的事情時有發(fā)生。為了取得較好的系靠泊條件，保證船舶系靠安全、提高裝卸效率，港口領域的科研設計人員針對如何降低船舶受力和減小船舶運動量來進行開敞式碼頭的布置以及船舶如何系纜布置開展了大量深入的研究，研究主要集中在風、浪、流作用下船舶的受力上，研究主要采用物理模型試驗和數(shù)學模型計算兩種手段。通常情況下，大型開敞式碼頭的設計過程中要進行船舶系泊物理模型水池

10、試驗以確定碼頭軸線方向和優(yōu)化系纜墩的布置，近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一些為優(yōu)化設計和優(yōu)化系纜布置的系泊計算軟件也日益發(fā)展。國際上開發(fā)船舶海洋工程軟件的公司主要有荷蘭的MARINEMARINE 及 AlkyonAlkyon 等。目前已有的船舶及海洋工程分析計算軟件有 Termsim,Termsim,Ship-mooring,OptimoorShip-mooring,Optimoor 等。為了尋求最優(yōu)的設計方案，設計人員利用物理模型試中交水運規(guī)劃設計院有限公司3離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司4驗和數(shù)學計算軟件從使船舶受力和位移量最合理進行設計方案的優(yōu)化

11、3.主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)3.1主要研究內(nèi)容專題一：以船舶運動量表示的作業(yè)標準研究通過調(diào)研、分析等手段及方法，在認真總結(jié)分析已建成的大型離岸深水碼頭使用經(jīng)驗的基礎上，提出離岸深水碼頭系泊船舶在風、浪、流共同作用下以六個自由度運動量表示的作業(yè)標準，該標準考慮不同貨種和裝卸工藝設備對船舶允許運動量的限制。專題二：系泊船舶的運動響應研究浪、 流及其二者的聯(lián)合作用是影響離岸深水港碼頭泊穩(wěn)的關(guān)鍵因素， 本專題主要通過對浪、流及其二者聯(lián)合作用下系泊船的運動響應物理模型試驗和數(shù)值模擬研究以及原型實測對比分析，給出系泊船舶的運動量、纜力、對碼頭的撞擊能量與波浪特征波高、特征周期、浪向、流速、流向的經(jīng)驗關(guān)系。專

12、題三：碼頭軸線和長度、系靠泊系統(tǒng)優(yōu)化布置研究以船舶運動量、纜繩張力及護舷力最合理為優(yōu)化目標，提出風、浪、流作用下碼頭軸線的確定方法，利用物理模型試驗以及數(shù)學模型計算的方法，研究泊位最優(yōu)長度以及系纜墩布置優(yōu)化方法。3.2關(guān)鍵技術(shù)(1)(1) 離岸大型散貨碼頭各種工藝裝卸設備在正常裝卸作業(yè)時允許的船舶運動量的合理確定；(2)(2) 非線性波浪力、非線性纜繩、護舷、船舶運動之間的耦合效應；(3)(3) 碼頭長度最短、纜繩力、護舷力、船舶運動量最合理的多目標優(yōu)化。離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司54.研究工作實施方案4.1課題技術(shù)路線本課題總體研究的技術(shù)路線為:

13、4.2實施方案針對本課題西部交通建設科技項目任務書（合同），首先制定詳細的初步研究工作大綱，在廣泛征求國內(nèi)有關(guān)設計單位、研究單位、使用單位和工程建設單位的知名專家意見后，修訂該研究工作大綱，明確本專題研究的主要內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)路線。研究全過程緊緊圍繞大綱開展工作。研究工作注意充分發(fā)揮建設、設計、科研等單位的優(yōu)勢，并注意保持骨干人員的穩(wěn)定性和比較充足的研究時間。注意各專題研究進度的協(xié)調(diào)，并在研究過程召開多次協(xié)調(diào)會，及時解決有關(guān)技術(shù)問題，收到良好效果。離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司64.3依托工程(1)(1) 大連港 3030 萬噸礦石專用碼頭工程該工

14、程選址丁大孤山東南岸，位丁大連港規(guī)劃的大宗散貨區(qū)內(nèi)。工程水陸域條件復雜，碼頭位丁開敞水域， 風、 浪、 流條件互不調(diào)和。 碼頭泊位長度 450450 米， 頂高程 15.5m15.5m， 底高程-23m,-23m,碼頭結(jié)構(gòu)由 1212 組雙排開孔圓沉箱及上部梁板構(gòu)成。碼頭接卸礦石能力 15001500 萬噸。(2)(2) 大連新 3030 萬噸(水工結(jié)構(gòu)按靠泊 4545 萬噸油船設計)原油碼頭工程該工程建設1 1個3 30 0萬噸級原油接卸泊位(水工結(jié)構(gòu)按靠泊4 45 5萬噸油船設計)及相應配套設施，設計年接卸能力為 19001900 萬噸。碼頭長度 446.75m,446.75m,碼頭由工作

15、平臺和系、靠船墩組成，工作平臺頂標高為 12m12m。靠船墩和系船墩頂標高為 10m10m。碼頭布置在-20m-20m 等深線處。4.4試驗與分析本課題針對不同浪、流條件下系泊船泊運動量、系纜力、船舶撞擊能量，對系泊船舶運動響應進行了較為系統(tǒng)的物理模型試驗研究，為系泊船舶運動響應半經(jīng)驗半理論公式的總結(jié)以及碼頭軸線、長度、系靠泊系統(tǒng)的優(yōu)化布置提供了科學依據(jù)，具體試驗分析及結(jié)論詳見系泊船舶運動響應研究物理模型試驗報告。離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本圖1試驗現(xiàn)場圖圖2試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 主要研究結(jié)論5.1專題一：以船舶運動量表示的作業(yè)標準研究通過搜集國內(nèi)、 外以系泊船舶運動量表示的作

16、業(yè)標準相關(guān)資料， 以及對國內(nèi)代表性碼頭的調(diào)研與分析，結(jié)合我國港口深水碼頭的實際情況，提出了適應我國港口實際的以船舶運動量表示的作業(yè)標準，該標準考慮不同貨種和裝卸工藝設備對船舶允許運動量的限制，可有效指導碼頭船舶安全裝卸作業(yè)，提高碼頭船舶作業(yè)安全性和裝卸效率。表1離岸深水大型碼頭以船舶運動量表示的作業(yè)標準船型裝卸設備縱移(m橫移(m升沉(m)縱搖(5(5) )橫搖(5(5) )回轉(zhuǎn)(5(5) )干散貨船(礦石、煤炭)抓斗卸船機土1.5土1.0土0.5土3.0土3.0土1.0裝船機土2.5土1.5油船輸油臂土1.5土1.5集裝箱船集裝箱岸橋土0.5土0.3土0.3土0.5土1.5土0.55.2專題

17、二：系泊船舶的運動響應研究對系泊船舶的運動響應進行了較為系統(tǒng)的研究， 提出了較以往計算公式適用范圍更廣、 更為準確的多參數(shù)系泊船舶運動量、系纜力、船舶撞擊能量的半經(jīng)驗半理論計算公式，并開發(fā)了操作方便實用的擬動力模型系泊船舶計算軟件 Qmoor,Qmoor,和能進行系泊船舶時域模擬的系泊船舶計算軟件 Tmoor,Tmoor,提高了我國在此方面的數(shù)值模擬水平。5.3專題三：碼頭軸線和長度、系靠泊系統(tǒng)優(yōu)化布置研究通過對碼頭軸線和長度、 系靠泊系統(tǒng)優(yōu)化布置研究， 針對受潮汐影響明顯的離岸深水港碼頭，從改善船舶受力、安全生產(chǎn)、降低船舶運動量方面，提出了數(shù)量化確定碼頭軸線的嚴格依據(jù)和方法，將現(xiàn)有規(guī)范以及相

18、關(guān)指導和建議原則性的條文作了進一步細化；提出了泊位長度與墩位布置的原則和方法，通過對碼頭軸線和長度、系靠設施布置的優(yōu)化，可縮短碼頭長度 10%10%左右，節(jié)約寶貴的岸線資源，波浪作業(yè)標準可放寬 20%20%左右，提高了碼頭作業(yè)天數(shù)。中交水運規(guī)劃設計院有限公司7離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司85.4研究成果的技術(shù)水平本課題首次提出了適應我國港口實際的以船舶運動量表示的作業(yè)標準；開發(fā)了操作方便實用的擬動力模型系泊船舶計算軟件 QmoorQmoor 和能進行系泊船舶時域模擬的系泊船舶計算軟件 Tmoor,Tmoor,提高了我國在此方面數(shù)值模擬水平；首次利用原

19、型觀測技術(shù)對系泊船舶運動響應進行了研究，豐富了此方面的研究手段，形成了一套既能滿足研究精度要求，乂具有較強操作性的系泊船舶運動響應原型測技術(shù)；首次提出了較以往計算公式適用范圍更廣、更為準確的多參數(shù)系泊船舶運動量、系纜力、船舶撞擊能量的半經(jīng)驗半理論計算公式，提高了我國在此方面的研究水平，為船舶安全系泊和碼頭安全營運提供了技術(shù)支持；以纜繩力、護舷力、船舶運動量最合理為目標，優(yōu)化了碼頭軸線、長度和系靠墩布置，并提出了放寬碼頭作業(yè)標準的建議，提高了碼頭作業(yè)天數(shù)。本課題提出的以船舶運動量表示的作業(yè)標準填補了國內(nèi)空白，提出的多參數(shù)系泊船舶運動量、系纜力、船舶撞擊能量的半經(jīng)驗半理論計算公式，開發(fā)的系泊船舶運

20、動響應數(shù)值模擬軟件，形成的系泊船舶運動響應原型測技術(shù)以及對碼頭軸線、長度的多目標優(yōu)化等研究成果總體達到國際先進水平，其中對系泊船舶在浪、流作用下的運動量、系纜力、撞擊能量的多參數(shù)計算研究成果達到國際領先水平*。離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司9圖3系泊船舶運動響應數(shù)值模擬軟件界面6.課題的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益及推廣應用前景6.1經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益 T|*#i*rTTT=T5C七典圾讒門*ift*同此 TBaMlrW：qJy*h“偵C庭重&.里）KPT&寶*:x-wr*： （SfUSSilLrbUMF%AnKi.匿Jtki：I/r_nnJ

21、I圖4原型觀測部分觀測設備圖5原型觀測設備安裝現(xiàn)場本課題研究成果經(jīng)濟、社會效益主要體現(xiàn)在：首次提出適應我國港口實際的以船舶運動量表示的作業(yè)標準，可有效指導碼頭船舶安全裝卸作業(yè)；利用本課題提出的較以往研究成果適應范圍更廣，計算更精確的系泊船舶運動量、系纜力和撞擊能量的多參數(shù)經(jīng)驗計算公式，可有效指導工程設計；開發(fā)的擬動力系泊船舶計算軟件QmoorQmoor 便丁設計人員使用，開發(fā)的時域內(nèi)系泊船舶計算軟件 TmoorTmoor 適丁科學研究;網(wǎng)位偷Jftl*iE4CrrJ市:；TT肥珂上邵;imrK質(zhì)沙：iXXD呻腫斜 0桐Ih.K.吉是亂切I加上S殲穌粉= （FeCr）M2ElA*i4：:皿 M*mmn?JI-_,uaw寸心i-比E：律博（pw:CPF才以離岸深水港碼頭泊穩(wěn)條件關(guān)鍵技術(shù)研究研究報告簡本中交水運規(guī)劃設計院有限公司10以系泊船舶運動量、系纜力、撞擊能量大小，以及系纜力的均衡性為標準，通過對碼頭軸線和長度、系靠設施布置的優(yōu)化，可減小碼頭總長度 10%10%左右，節(jié)約寶貴的岸線資源；通過對碼頭軸線和長度、系靠設施布置的優(yōu)化，波浪作業(yè)標準可