长江某停泊区大型海轮系泊设计浅析
摘要： 双浮筒系泊相对于锚泊或单浮筒系泊等其他传统系泊方式，具有锚位明确，所需水域面积小，对水域的利用程度高的优点，同时船舶系泊抵御风浪能力强，安全系数高，走锚风险小。本文结合工程实例，详尽的列出了双浮筒系泊的计算原理及过程，计算出的结果符合工程实际，可供类似工程参考。
关键词：双浮筒系泊；锚系；沉锤；停泊区
一、项目背景
该停泊区范围位于长江#34黑浮至#37黑浮北侧，长4500m，宽1000m，是为缓解附近区域锚地紧张而设置的小型船舶临时停泊区。
由于邻近规划调整，原停泊区区域内拟建设4个3~5万吨级泊位，对应停泊区面积有所缩减。为适应该变化，原停泊区拟通过改造部分区域的船舶系泊方式，提高停泊船型等级，使得调整后停泊区容纳总吨位保持大致不变。
拟建大型海轮泊位位于原停泊区下游位置，共包含两个3万吨级及两个5万吨级泊位。本文主要对该部分泊位的系泊设计展开详细论述及分析，设计船型尺度见表1。
表1设计船型尺度表
二、系泊方式种类及选择
1、系泊方式种类
系泊方式是指利用锚或浮筒使船舶在锚地安全停泊的方式。船舶在锚地停泊的方式有三种，即浮筒系泊、抛锚停泊和趸船靠泊。浮筒系泊又有单浮筒系泊和双浮筒系泊两种，抛锚停泊也有单锚停泊和多锚停泊等多种。
（1）单浮筒系泊
从船首用缆直接系在一个浮筒上，是常用的系泊方式。这种方式系泊方便，船舶能随水流和风向改变方向，阻力小；所需水域面积较抛锚停泊为小。
（2）双浮筒系泊
首尾分别用缆绳系于浮筒上。此种方式适用于水域较窄的地方，河道中用的较多。船舶回转部分的水域可占用航道。为减少水域面积，前船尾和后船首可共用一个浮筒，也可考虑两艘、三艘靠泊在两个系船浮上。有时也可用船首系浮筒而船尾抛锚的方式。
（3）单锚系泊
锚地不设浮筒，船舶只抛一个首锚进行停泊。在水域宽阔，水底土质适宜抛锚的条件下使用。这种停泊方式船舶可以减少随风向或水流改变方向，以减少受风面积。占用水域面积为圆形，其半径的计算主要由设计船长、锚链投影长度和安全富裕距离组成；
（4）双锚停泊
双锚停泊有两种情况：一为抛出两个首锚，一为首尾各抛出一个锚。第一种情况又分为抛八字锚和一字锚两种。八字锚是从船首成八字形抛出两个锚，多用于风浪大的港口；一字锚是从船首顺水流方向抛出两个锚，一个在上游，一个在下游，船舶处于两锚位的中心位置，多用在有潮汐影响的河段。占用水域面积为矩形。
（5）趸船基地
趸船靠泊是在锚地水域范围内设置锚泊趸船，供船舶进锚地锚泊。趸船基地锚泊方式适用于吨级较小的船舶。
2、系泊方式选择
锚地的系泊方式根据锚地所处的河段情况、河床地质、风、浪、流、潮汐等自然条件以及锚地作业性质、设计代表船型、当地航行条件来综合选择。
一般来说，锚地采用双浮筒系泊方式进行锚泊所需水域面积最小，对水域的利用程度最高。但浮筒系泊工程量要较抛锚系泊方式为大，投资大。
单浮筒系泊及抛锚系泊占用水域面积大，本工程为大型海轮停泊区，采用该两种方式将导致疏浚工程量巨大，工程造价高，未来维护困难。趸船基地一般适用于吨位较小的船舶。综上考虑，从水域面积及使用要求出发，改造后停泊区大型海轮泊位拟采用双浮筒系泊方式系泊。
三、总平面布置
拟建大型海轮泊位共设4个泊位，分别为2个3万吨级及2个5万吨级泊位。
其中单个5万吨级泊位尺度为300m×130m，设计底高程为-14.5m；单个3万吨级泊位尺度为255m×130m，设计底高程为-12.5m；泊位呈东西向连续布置， 5万吨级泊位位于3万吨级泊位上游，整个停泊区平面尺度为1110m×130m，共设5只系船浮筒。
双浮筒系泊轴线方位角与落潮流向基本一致，与航线平行且间距200m，满足4倍船宽安全距离要求。总平面布置详见图1。
图1某停泊区大型海轮泊位总平面布置图
四、系泊系统相关计算
系泊系统相关计算主要包含系泊力计算、锚链选型与长度计算及沉锤沉入泥中垂直破土力计算。拟建大型海轮泊位共设4个泊位，包含8～12#系船浮筒，共5只。由于篇幅所限，本文以较为典型的9#系船浮筒（5万吨级双浮筒系泊）为例进行分析。
1、系泊力计算
设计风速：V=22m/s
设计流速：1.9m/s。
（1）作用于船舶上的风荷载计算
根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）计算如下：
表2 作用在船舶上的风力计算结果表
（2）作用于船舶上的水流力计算
表3作用于船舶上的水流力计算结果汇总表
（3）风、水流力作用于船舶上形成系泊力计算
双浮筒系泊是系泊船舶的首、尾缆分别系在前后浮筒上的固定系泊设施，其特点是约束船舶不产生偏荡和回旋。当风流合力平行双浮筒轴线时，则上风流的浮筒同单浮筒系泊状态，其下风流的浮筒将起到船舶偏荡和回旋的作用；如果风流来自舷侧，则前后浮筒系船链缆将船舶牵制在某一平衡位置上，链缆将担负较大的系泊力，为此双浮筒轴线宜与主导流向一致。
单浮筒系泊状态计算
当风流合力平行双浮筒轴线时，则上风流的浮筒同单浮筒系泊状态。
从一些实验和实践表明，在单浮筒锚泊情况下，因水流力增大导致船舶偏荡，偏荡促进了风流力增大，造成了船舶在系泊条件下链缆处于交替松弛和紧张状态，一些实验还表明，其冲击系数为2倍风流力。为此为安全起见，作用在单浮筒系泊的船舶上系泊力可按风流力的2.2倍考虑。
系泊力H1=2.2×(188.6+387)=1265(KN)
双浮筒系泊状态计算
如果风流来自舷侧，则前后浮筒系船链缆将船舶牵制在某一平衡位置上，链缆将担负较大的系泊力。
值得注意的是，双浮筒系泊时，链缆不宜系得过紧，应使链缆略为松弛，否则来自舷侧横力作用下，链缆张力很大。为降低链缆张力，在横力作用下应使链缆受力方向与双浮筒连线成a=30°的水平夹角为理想，如图2所示。
图2 双浮筒系泊链缆受力方案示意
根据上述计算，相对于横向风流力，纵向风流力数值较小，故双浮筒系泊以吹横风，承受横向波流力为控制状态。由于双浮筒系泊受横向力作用时，首尾链缆均处于张紧状态，可认为不产生冲击作用，对应锚链设施安全系数一般取1.2。
横向最大波流合力Ra=423.7+1305=1728(KN)
单根链缆方向的系泊力H2=1.2×Ra/(2×sin30°)=2074(KN)
由上述计算可见，显然双浮筒系泊状态系泊力较大，故对于9#系船浮筒设
计考虑按双浮筒系泊状态进行计算，为前船尾缆后船首缆双船系泊。
2、锚系计算
（1）锚链长度计算
根据系船浮筒在不系船时能吊挂锚链且保持1/3～1/2干舷高度的原则，参考相似工程经验，拟改造停泊区大型海轮系船浮筒拟采用XF5.5-D标准型，可满足使用要求。
锚链长度按下式计算：
式中：L----锚系总长度（m）；
H1----锚地水深；
H2----最高潮位；
H3-----沉锤埋深；
H4-----系船浮筒干舷高度；
f-----锚链配长系数；
锚链悬挂高度h=H1+H2+H4
计算结果见表4。
表4 锚链长度计算结果表
（2）系船浮筒链力计算
9#系船浮筒设计供50000吨级散货船双浮筒系泊，为前船尾缆后船首缆双船系泊用。
对于双系泊浮筒的锚链受力，其值应为前船尾缆与后船首缆系缆力的合力反力。考虑到虽然该合力在船舶纵轴方向，由于两道系缆力y方向分力相反，其值（Hy）应有所抵消，保守起见，还是按单道Hy计算。该合力的x轴方向分力加
倍。
图3 双船系泊浮筒受力图示
综合所述，双船系泊时，该系泊浮筒锚链水平力主要为两处，分别为H2=2074KN,Hx=H2×cosθ=1037 KN ，两者夹角为θ=60°。
根据平行四边形法则计算其合力，得，代入得H=2744KN。
根据《电焊标准》（GB/T549-2008），粗估选用有挡锚链直径117mm（AM3级），其拉力试验负荷为6510kN，拉断负荷试验为TU=9300kN，理论重量为299.79kg/m。其他配件（如转环、肯特卸扣等）的强度应大于或者等于相应锚链强度的要求。
锚链悬链静力受力图示见图4。
图4 锚链悬链线静力受力图示
悬链线方程：
式中：——锚链全长，取35m；
——锚链水中单位长容重，取2.9979KN/m；
——水平系泊力，取2744KN；
经计算，垂向分力：
=2005.8KN
系泊浮筒处（C点）链力：
=3461.9KN
浮筒链安全度=2.697
根据《海港工程设计手册》（中）相关内容，锚链设施安全系数一般取2.5～3，对于沉锤安全系数可取2，可见系船浮筒锚系设施极限破断力安全系数满足要求,沉锤埋入泥中垂直破土力要大于2005×2=4010KN。
3、停泊区沉锤计算
沉锤采用C40钢筋砼结构，呈棱台型，上底边长为3m，下底边为6m，高1.5m，重76t，沉锤的耳环取直径117mm有挡锚链三环、底部一环、中间加横档预先埋入沉锤之中。沉锤底部设有凹槽，以增加沉锤与地面的粘着力。
设计沉锤坑挖深9m，底高程为-23.5m，坑底边长为8m，根据地质情况，上部开挖边坡取1:5，下部开挖边坡取1:3。锤坑拟采用抓斗挖泥船施工，单个沉锤坑开挖量约为20000m3。
沉锤破土力G按下式计算：
式中：G----沉锤垂直破土力（kN）；
H----沉锤埋深，此处取9-1.5=7.5m；
a----沉锤下底边长，取6m；
b----破土边宽，= 10.87m；
r----水下泥沙重度，取9KN/m3。
经计算G=4936KN。
根据系泊力计算，沉锤埋入泥中垂直破土力要大于2005×2=4010KN，满足使用要求。
五、结语
随着长江口深水航道治理工程的实施，进出长江江苏段沿江港口船舶总艘次及大吨位船舶数量呈现快速增长的趋势。3万吨级以上船舶增长最快，船舶大型化趋势明显。港口锚地作为港口重要的公共基础设施之一，对沿江经济、港口和航运发展具有举足轻重不可替代的作用。
双浮筒系泊相对于锚泊或单浮筒系泊等其他传统系泊方式，具有锚位明确，所需水域面积小，对水域的利用程度高的优点，同时船舶系泊抵御风浪能力强，安全系数高，走锚风险小。目前长江上大型海轮锚地已经越来越多的采用该种系泊方式。
本文结合工程实例，分析了不同系泊方式的优缺点，详尽的列出了双浮筒系泊的计算原理及过程，并对传统计算公式做了适度的增补及修正，计算出的结果符合工程实际，可供类似工程参考。
参考文献
[1] JTJ211—99，海港总平面设计规范 [S].
[2] 交通部第一航务工程勘察设计院编，海港工程设计手册[M]，人民交通出版社，1994.
[3] 长江航道规划设计研究院编，《江苏省沿江港口锚地总体规划》（修编）（送审稿），2012年.
[4] 林正珍，湄洲湾锚地10万吨级系船浮筒设计与施工[J]，水运工程，2000（6）：18-22.
