涌浪、長周期波特性及工程船舶適應性研究

涌浪、長周期波特性及工程船舶適應性研究Contents一、研究背景及目的二、涌浪、長周期波特性研究三、工程船舶適應性研究四、結論與技術創(chuàng)新點隨著我國船舶的大型化發(fā)展、海上能源開發(fā)項目的高度重視以及離岸深水港碼頭建設的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的港口碼頭工程也逐步由近岸海域走向深、遠海水域。在外海修建大型泊位碼頭或建設海洋油氣鉆井平臺都離不開工程船舶，但外海的涌浪、長周期波對工程船舶的施工作業(yè)帶來較大困難。

本項目“涌浪、長周期波特性及工程船舶適應性研究”（2017中國交建）是在“涌浪、長周期波對深水建筑物及外海施工影響的試驗研究”（2013中國交建）成果的基礎上，對涌浪、長周期波特性研究和工程船舶外海作業(yè)能力進行的更全面、深入的試驗研究內(nèi)容。研究背景研究背景及目的----研究背景2013年12月涌浪、長周期波對深水建筑物及外海施工影響的試驗研究2017年12月涌浪、長周期波特性及工程船舶適應性研究深入1600T起重船打樁船防波堤透浪防波堤波浪力形成機理與特性分布傳播特性及對結構物的影響1600T起重船4000T起重船打樁船及改裝方案抓斗挖泥船絞吸式挖泥船耙吸式挖泥船方駁臨時消浪結構特性研究研究背景及目的----研究背景研究背景中國交建---中長周期波浪條件下港口工程建造關鍵技術研究疏浚中心---中長周期波作用下耙吸挖泥船動態(tài)響應研究

通過涌浪、長周期波的特性研究，了解涌浪、長周期波的形成機理、波浪特性及傳播特征，掌握和分析我國海域及世界其他海域涌浪、長周期波的分布情況；

通過涌浪、長周期波作用下工程船舶的適應性研究，得到起重船、打樁船、抓斗/絞吸/耙吸挖泥船、方駁等不同類型工程船舶在涌浪、長周期波海域的作業(yè)能力，為建立工程船舶外海施工作業(yè)指南提供有力技術支撐。研究目的研究背景及目的----研究目的

Contents一、研究背景及目的二、涌浪、長周期波特性研究三、工程船舶適應性研究四、結論與技術創(chuàng)新點二、涌浪、長周期波特性研究研究內(nèi)容研究涌浪、長周期波的機理及特性涌浪、長周期波的分布（我國與世界）涌浪、長周期波的傳播特性及對結構物的影響（深水防波堤施工、使用）二、涌浪、長周期波特性研究----機理及特性涌浪、長周期波的定義波浪類型波浪周期風生浪2s-5s海浪4s-11s涌浪10s-25s長周期波30s-300s海嘯600s-1h風暴潮0.5h-3h潮波12h25min涌浪、長周期波的特征規(guī)則波小低頻難察特點三特點二特點一特點四涌浪具有較規(guī)則的外形，排列比較整齊波峰線較長接近正弦波的形狀。涌浪的傳播，頻率大的波衰減得快，頻率小的衰減得慢，低頻支配涌浪的外觀周期將不斷增大。涌浪的波長比其波高大100~1000倍左右，預示臺風來；或形成拍岸浪小振幅的涌浪傳播超過2萬公里時，衰減不明顯，較大波陡的涌浪65%以上只能傳播2800km就耗散了大部分能量。二、涌浪、長周期波特性研究----機理及特性涌浪的全球分布情況依據(jù)：ERA-40波浪數(shù)據(jù)為ECMWF根據(jù)1957年9月～2002年8月的大氣和波浪數(shù)據(jù)計算的45年再分析波浪數(shù)據(jù)，并用于ECMWF的大氣波浪耦合的預報系統(tǒng)，目前是較好的波浪數(shù)據(jù)。當全球平均風速全球Hs分布波高受風速影響大二、涌浪、長周期波特性研究----分布涌浪的全球分布情況引入涌浪特征參數(shù)：。明顯出現(xiàn)涌浪特征的區(qū)域主要為印度洋、太平洋東部、大西洋東部，這3個區(qū)域特征值均小于0.15，在太平洋的赤道附近，由于U10較小，一般不超過5m/s，因此也出現(xiàn)了特征值小于0.15的情況。冬季大于夏季當全球冬季二、涌浪、長周期波特性研究----分布涌浪的全球分布情況將數(shù)據(jù)中涌浪特征系數(shù)小于0.15出現(xiàn)的頻率作為涌浪的頻率，得到的全球涌浪頻率分布，對比了冬季和夏季的涌浪頻率分布。從圖中可以看出，印度洋東部、太平洋東部和大西洋東部均有部分區(qū)域超過40%的時間受涌浪影響。當涌浪頻率分布冬季二、涌浪、長周期波特性研究----分布局部地區(qū)的涌浪分布情況我國沿海位于太平洋西部，涌浪特征并不十分突出，而且頻率也較低；但我國在海外進行了多個工程項目，包括赤道幾內(nèi)亞、斯里蘭卡、毛里塔利亞、委內(nèi)瑞拉、智利等國家，涌浪出現(xiàn)頻率較高，給工程建設帶來了一定的困難。當涌浪頻率分布冬季涌浪特征系數(shù)<0.15分布涌浪頻率分布二、涌浪、長周期波特性研究----分布斷面物理模型試驗

（c）5-10t塊石

（d）7-12t塊石模型比尺：1：40模型比尺：1：36二、涌浪、長周期波特性研究----對結構物的影響隨著波高增大，堤后透浪系數(shù)減小，隨著波周期增加，堤后透浪系數(shù)增大。堤心拋填階段墊層拋填階段工程全部建成斜坡堤透浪試驗二、涌浪、長周期波特性研究----對結構物的影響規(guī)則波H=4mT=10s規(guī)則波H=4mT=15s規(guī)則波H=4mT=20s規(guī)則波H=4mT=25s與規(guī)范理論公式計算結果比較：對于周期較短波浪，迎浪面波壓力在靜水位以下計算值與試驗值基本一致，當波周期逐漸增加時，靜水位以下的實測的波浪力小于計算值；

對于靜水位以上部位，長周期波作用時實測值和計算值符合較好。對于沉箱結構的底部浮托力，在不同周期和波高組合下采用規(guī)范公式計算的結果均大于實測值。在長周期波浪作用下，直墻式結構受力符合動水壓力受力分布規(guī)律，最大值一般均出現(xiàn)在靜水位附近，周期一定時，隨著波高的增加，底部浮托力增加趨勢明顯。直立堤波浪力試驗結果二、涌浪、長周期波特性研究----對結構物的影響Contents一、研究背景及目的二、涌浪、長周期波特性研究三、工程船舶適應性研究四、結論與技術創(chuàng)新點三、工程船舶適應性研究----試驗船型試驗船型大型起重船（起重能力分別為1600t、2600t或4000t）大型打樁船（樁架高度在90m以上）大型抓斗式挖泥船（抓斗在18-30m3）大型方駁（8000噸級以上）1600t起重船4000t起重船樁架95m打樁船抓斗量25m3挖泥船計劃研究船型實際試驗船型4500m3/h絞吸式挖泥船耙吸式挖泥船√√√√√√√13000DWT定位駁總長(L/m)52.21船長(L/m)49.19型寬(B/m)23.6型深(D/m)4設計吃水(T/m)2.8排水量(D/t)2.351打樁船試驗研究三、工程船舶適應性研究----打樁船試驗試驗水深15m錨泊方式見錨泊系纜圖纜繩鋼絲繩為6*37-Ф39*700m，鋼絲繩彈性模量為：6x36WS+IWRC,68kN/mm2波浪條件波向90°橫浪風浪條件(不規(guī)則波)Hs=0.5m，Tp=12s、14sHs=1.0m、1.2m，Tp=6s、9s涌浪條件（規(guī)則波）H=0.5m、1.0m、1.2m，T=4s~15s

試驗條件0°浪90°浪三、工程船舶適應性研究----打樁船試驗

改裝前試驗結果滿足船舶運動量≤0.5m，搖角≤2°的波浪條件是：H=0.8m，Tp≤10s；H=1.0m，Tp≤8s。滿足船舶運動量≤0.5m，搖角≤2°的波浪條件是：H=0.5m，Tp≤6s；規(guī)則波（90°浪）試驗結果規(guī)則波（0°浪）試驗結果三、工程船舶適應性研究----打樁船試驗四點錨固方案介紹：方案原理：在船體四角沉入錨錠，并通過錨鏈與船體四角液壓缸連接，施加預拉張力將船體整體固定，從而保證了打樁船穩(wěn)定。

半漂式支腿方案介紹：方案原理：船體上布置四條定位樁腿，樁腿與船體之間設置液壓缸，通過液壓缸作用增加船舶的吃水，增強船體的穩(wěn)定性。三、工程船舶適應性研究----打樁船試驗四點錨固方案通過增加四根錨鏈的預張力，增加船舶的吃水，提高船舶的抗浪能力。四點錨固方案試驗結果90°波浪作用下，通過施加錨鏈力增加船舶吃水的方法能夠明顯降低船舶的運動量。三、工程船舶適應性研究----打樁船試驗測定船體在不同吃水深度時受到的波浪力，包括垂向浮托力和橫向水平力。半漂式帶支腿方案波浪力試驗不同吃水條件下的浮托力（kN）水平力浮托力三、工程船舶適應性研究----打樁船試驗1600T起重船試驗研究總長(L/m)型寬(B/m)型深(D/m)吃水(T/m)98.037.07.23.80排水量(D/t)重心高度(VCG/m)初穩(wěn)性高（GM/m）橫搖周期（Tr/s）90667.8232.08.80三、工程船舶適應性研究----1600T起重船試驗1600T起重船試驗研究（2013年）風浪結果

涌浪結果

90°橫浪作用橫移量不超過1.0m，橫搖角不超過2°：風浪：H13%≤1.5m、T≤5s或H13%≤1.2m、T≤6s涌浪：H≤1.2m、T≤8sH≤0.8m、18s≤T≤25s。三、工程船舶適應性研究----1600T起重船試驗1600T起重船試驗研究（2017年）風浪結果

涌浪結果

0°順浪作用橫移量不超過1.0m，橫搖角不超過2°：風浪：H13%≤1.0m、T≤10sH13%≤1.5m、T≤8s涌浪：H≤1.0m、T≤15sH≤1.5m、T≤12s。相比90°橫浪時，波浪條件明顯改善很多。三、工程船舶適應性研究----1600T起重船試驗1600T起重船改善試驗原錨泊方式改善后錨泊方式增加錨纜繩預張力：由10t增加到30t試驗結果：運動量有所減小，但滿足作業(yè)波浪條件沒有明顯提高。改變船舶錨系方式：試驗結果：風浪作用下船舶運動量略有減小，涌浪作用下改善效果不明顯。建議：實際操船過程中可適度增大船舶預張力，以達到降低運動量和控制錨纜力之間的平衡，可適當增大船舶錨纜系統(tǒng)，增強船舶抗浪能力三、工程船舶適應性研究----1600T起重船試驗4000T起重船試驗研究4000T起重船特征參數(shù)

總長(L/m)型寬(B/m)型深(D/m)吃水(T/m)120.048.08.04.8排水量(D/t)重心高度(VCG/m)初穩(wěn)性高（GM/m）橫搖周期（Tr/s）264598.1237.09.5三、工程船舶適應性研究----4000T起重船試驗

0°浪45°浪縱移縱搖縱搖縱移縱移縱移橫移橫移三、工程船舶適應性研究----4000T起重船試驗4000T起重船試驗研究0°浪作用下，滿足運動量不超過1.0m，搖擺角不超過2°，則相應的波浪條件為：

風浪：H13%≤1.0m、T≤10s或H13%≤1.8m、T≤8s涌浪：H≤1.0m、T≤15s或H≤2.0m、T≤12s。在45°浪作用下，滿足運動量不超過1.0m，搖擺角不超過2°，則相應波浪條件為：風浪：H13%≤1.0m、T≤10s；涌浪：H≤1.0m、T≤15s或H≤1.5m、T≤12s。三、工程船舶適應性研究----4000T起重船試驗總長(m)型寬(m)型深(m)平均吃水(m)滿載排水量(t)120.020.36.64.88320裝機功率（kW）空船重量(t)絞刀直徑（mm）鋼樁直徑（mm）鋼樁長度（m）1720066932500180048三、工程船舶適應性研究----4500m3/h絞吸式挖泥船試驗4500m3/h絞吸式挖泥船研究0°浪，不規(guī)則波作用下定位樁總力試驗結果

0°浪，規(guī)則波作用下定位樁總力試驗結果三、工程船舶適應性研究----4500m3/h絞吸式挖泥船試驗定位樁總力試驗結果試驗結果在0°浪規(guī)則波作用下，比較明顯是在波浪平均周期10s左右出現(xiàn)峰值。在T≥15s后，相同波高作用下，水平力逐漸減小。在H≤1.0m、T≥15s，定位樁水平力小于或接近200噸。在H=1.0m、T=10~25s的波浪作用下，船舶運動量均小于0.4m；橫移纜力在200kN左右。在0°浪不規(guī)則波作用下，在Hs≤1.0m、T≤8s或者Hs≤2.0m、T≤6s時，定位樁的水平力小于或接近200噸。在Hs=1.0m、T=5~10s的波浪作用下，船舶運動量均小于0.3m；橫移纜力也在200kN左右。三、工程船舶適應性研究----4500m3/h絞吸式挖泥船試驗試驗結果在90°浪規(guī)則波作用下，在H≤1.0m、10s≤T≤20s，定位樁水平力小于或接近200噸。三、工程船舶適應性研究----4500m3/h絞吸式挖泥船試驗總長(m)型寬(m)型深(m)國際干舷吃水(m)挖泥干舷吃水(m)130.325.69.26.88.2泥艙（m3）空船重量(t)吃水6.8m的排水量（t）吃水8.2m的排水量（t）空船重心高（m）104007697.617889.221890.28.1三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗10400m3耙吸挖泥船試驗

三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗航行阻力試驗試驗測試裝置示意圖航行阻力測試結果三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗水阻力與航速平方呈良好的線性關系（吃水6.8m）（吃水7.5m）（吃水8.2m）航行阻力測試結果三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗船舶拖曳阻力與傅汝德數(shù)之間的關系航行動態(tài)測試試驗三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗說明：（1）船舶通過卡槽與引導鋼絲連接，卡槽不限制船舶上下運動；（2）船舶通過高速臺車牽引進行航行，臺車同時牽引測量架，測量架通過滑輪與船艉相連，主要消除船舶航行中的慣性力；（3）船舶艏、中、艉各安裝一個測針并調(diào)整好平衡，測針置于直制水槽中，通過測針在水槽中的波動反應船舶的升沉運動。試驗測試裝置示意圖三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗航行動態(tài)測試結果三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗無航速條件船舶升沉量試驗結果（船中位置，吃水8.2m）波浪條件波向0°波向30°波向150°波向180°正負正負正負正負Hs=2.0m，Tp=6s0.51-0.510.56-0.430.59-0.460.45-0.45Hs=2.5m，Tp=9s0.82-0.781.16-0.971.06-0.980.82-0.95Hs=3.0m，Tp=12s1.19-1.081.43-1.411.33-1.271.21-1.05不同船舶吃水下的升沉量變化航行動態(tài)測試結果三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗航速2kn航速3kn0°浪試驗航速2kn航速3kn180°浪試驗航行動態(tài)測試結果三、工程船舶適應性研究----10400m3耙吸挖泥船試驗物模試驗與數(shù)值計算結果對比抓斗量25m3挖泥船總長(m)型寬(m)型深(m)平均吃水(m)60234.52.5排水量(t)空船重量(t)生產(chǎn)量(m3/h)最大挖深(m)3350227880050三、工程船舶適應性研究----抓斗量25m3挖泥船試驗

錨纜定位試驗結果三、工程船舶適應性研究----抓斗量25m3挖泥船試驗船舶縱移量隨浪變化趨勢船舶縱搖角隨浪變化趨勢

定位樁定位試驗結果0°涌浪，定位樁總力三、工程船舶適應性研究----抓斗量25m3挖泥船試驗0°風浪，定位樁總力總長(L/m)型寬(B/m)型深(D/m)115.732.27.0吃水(T/m)載重噸(DWT/t)排水量(D/t)5.01300016746三、工程船舶適應性研究----13000DWT定位駁試驗13000DWT定位駁試驗初纜力10T時，滿足運動量不超過0.5m，搖擺角不超過1°，則相應的波浪條件為：

風浪：H13%≤1.0m、T≤8s或H13%≤1.5m、T≤5s；涌浪：H≤1.0m、T≤12s。三、工程船舶適應性研究----13000DWT定位駁試驗0°浪試驗試驗結果初纜力10T時，滿足運動量不超過0.5m，搖擺角不超過1°，則相應的波浪條件為：

風浪：H13%≤1.0m、T≤6s；涌浪：H≤1.0m、T≤12s。三、工程船舶適應性研究----13000DWT定位駁試驗45°浪試驗試驗結果Contents一、研究背景及目的二、涌浪、長周期波特性研究三、工程船舶適應性研究四、結論與技術創(chuàng)新點四、技術創(chuàng)新點與結論四、結論與技術創(chuàng)新點結論（1）通過涌浪、長周期波特性專題研究得到：1）全球大洋基本為涌浪主導，太平洋海域以涌浪為主，大西洋海域常年存在涌浪，大洋東岸存在涌浪強化現(xiàn)象，印度洋涌浪隨季節(jié)變化最為明顯；2）涌浪及長周期波作用于堆石堤，堤后透浪系數(shù)隨波高的增大而變小，隨周期的增大而增大，在周期為15s～20s區(qū)間，透浪系數(shù)變化較緩，當周期逐漸增加至25s時，此時透浪系數(shù)明顯加大；3）涌浪及長周期波作用于直立式結構物時，周期較短波浪，迎浪面波壓力理論計算值與試驗值基本一致，當周期逐漸增加時，靜水位以下波浪力的實測值要小于計算值。四、結論與技術創(chuàng)新點結論（2）通過涌浪