离岸深水港口建设关键技术研究课题之一.doc

离岸深水港口建设关键技术研究课题之一离岸深水港码头泊稳条件关键技术研究报告简本1. 引言随着近岸深水岸线的逐步减少，以及船舶大型化的发展，码头建设日益向着条件更加恶劣的深水地区发展，大型船舶的系泊安全问题日益成为各方关注的焦点之一。本课题对码头泊稳条件开展了较为系统的研究，为今后建设大型离岸深水码头船舶系泊的安全性提供了保障。1.1为我国今后大规模的港口建设提供技术保障我国国民经济的持续高速发展，港口运输能力已不适应日益繁忙的国内外运输需要。沿海港口运输总能力缺口达5亿吨，与2015年需要相比，缺口约20亿吨以上。然而，我国港口布局不尽合理，缺少大型深水码头，港口建设需在原有基础上向深水发展，这就需要解决离岸大型高品质深水港口建设一系列重大技术问题。本课题紧密结合依托工程，对离岸深水港码头泊稳条件关键技术开展研究，并将成果推广应用到一般的离岸深水码头建设中，将为我国的港口建设提供有力的技术保障。1.2提高系泊船舶安全性随着近岸深水岸线的逐步减少，以及船舶大型化的发展，码头建设日益向着条件更加恶劣的深水地区发展，大型船舶的系泊安全问题日益成为关注的焦点之一。影响系泊船舶运动的因素较为复杂，已建成的若干开敞式码头曾有断缆发生，对码头的安全生产构成了严重的威胁。本课题对系泊船舶的运动响应开展系统研究，为今后建设大型离岸深水码头提高船舶系泊的安全性提供保障。1.3提高资源利用率、建设节约型港口码头前系泊船舶的泊稳条件直接决定了码头的年作业天数及其使用效率，因而影响码头的经济效益。本课题针对改善码头泊稳条件，提高码头的年作业天数，提高单个泊位的年通过能力开展研究，从而提高岸线资源的利用效率，为我国建设节约型社会做出贡献。1.4提高我国建港技术水平、促进我国建港技术进步和创新本课题研究成果可在相关规范中应用，这对于提高我国港口工程建设的技术水平，节省工程建设投资具有十分重要的意义，将有力地促进我国建港建设技术进步和创新。2. 国内外研究概况2.1国内外码头作业标准研究概况港内船舶泊稳条件是港口设计中的一个决定因素。但到目前为止,国内外港口工程设计规范对港内泊稳标准无统一规定。许多国家的港口工程技术规范针对不同的船舶吨级和不同船型或货种，给出码头前的允许波高值和风力作为泊稳条件，我国港口工程技术规范(1987) , 首次对1000 吨以上不同载重吨位, 不同货种的码头船舶装卸作业的允许波高和风力作出具体规定；日本港口设施技术标准解说(1989 年修订)也以波高为标准，提出了临界波高标准；我国现行的港口工程技术规范也采用此标准。码头前可能进行装卸作业的允许波高值是各国学者十分关注的研究课题, 主要研究途径是模型试验, 现场观测及实地调查。尽管波高标准便于工程应用，但只能间接地、粗略地反映码头前船舶的泊稳条件，没有反映波浪周期、传播方向、系泊船的频率响应特性、码头结构型式、护舷特性等因素的影响。如毛利塔尼亚友谊港的断缆事故就是由于波高不大的长周期波引起的。准确的泊稳标准应直接用船舶的六个运动分量的允许值来表示。国内外正在对上述问题进行研究，限于问题的复杂性，现有的研究成果也还是初步的。国际港口协会( IPA )、挪威、俄罗斯等国家分别对油轮、散货、杂货及集装箱船进行安全装卸作业时允许的最大船舶运动量给出了一些限制要求, 例如最大横摇角一般控制在3 4以下。2.2国内外系泊船舶运动响应研究概况国外于七十年代中期开始利用数学模型预报码头系泊船舶在风浪流作用下的运动、系缆力及对护舷的作用力。荷兰海工研究所的奥特默森博士比较完整地提出了该方面的理论和方法，并进行了模型试验。日本港湾技术研究所上田茂等相继发表了多篇相关论文。国外开发的码头系泊船舶缆绳张力计算的程序主要有TermSim（荷兰 MARIN），PcSmart（美国 Exxon Research and Engineering）， Optimoor（美国 Tension Technology International: TTI），它们的共同特点是均只考虑缆绳静张力，而不考虑波浪的激励作用，因为一般港口波浪是不大的，系泊船舶受力主要来自水流和风。国内对于船舶系缆力的数值模拟研究相对较晚，始于20世纪80年代后期，如于洋等从静力学二维角度在不考虑缆绳拉伸变形时对缆绳张力进行了分析；向溢等采用了蒙特卡洛算法、混沌解法对码头系泊船舶缆绳张力进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比，得到较好的一致性。波浪作用下系泊船舶对码头的撞击作用是码头结构的重要荷载之一。早在上世纪60年代开始，国外己经开始进行这方面的研究。国内在这方面的研究起步稍晚，到70年代初，国内学者开始对该问题进行了研究。至目前为止，对于波浪作用下系泊船舶对码头撞击作用的研究，己经取得了一些重要成果。纵观己有的研究，撞击能量的研究工作主要有理论分析法、经验分析法和数值计算法。S.Nagai.K.oda等通过理论分析得到撞击力的解析解；高明、李玉成等多位学者通过物理模型试验资料得到了各种撞击能量的计算公式；Herman、邹志利等发展了数值计算方法。2.3国内外码头轴线、码头长度、系靠设施的优化布置研究概况自上个世纪80年代开始，随着造船能力的提高以及贸易量的增加，超过20万吨级以上的外海开敞式码头的建设越来越多，外海开敞式码头由于没有掩护，建设位置的水流流速以及波浪条件都明显比有掩护港口不利。由于外界环境荷载的加大以及船舶体积的增加，外海开敞式码头停靠的船舶受力较大，断缆以及由于船舶位移过大不能很好适应装卸工艺设备的事情时有发生。为了取得较好的系靠泊条件，保证船舶系靠安全、提高装卸效率，港口领域的科研设计人员针对如何降低船舶受力和减小船舶运动量来进行开敞式码头的布置以及船舶如何系缆布置开展了大量深入的研究，研究主要集中在风、浪、流作用下船舶的受力上，研究主要采用物理模型试验和数学模型计算两种手段。通常情况下，大型开敞式码头的设计过程中要进行船舶系泊物理模型水池试验以确定码头轴线方向和优化系缆墩的布置，近年来，随着计算机技术的发展，一些为优化设计和优化系缆布置的系泊计算软件也日益发展。国际上开发船舶海洋工程软件的公司主要有荷兰的MARINE及Alkyon等。目前已有的船舶及海洋工程分析计算软件有Termsim, Ship-mooring, Optimoor等。为了寻求最优的设计方案，设计人员利用物理模型试验和数学计算软件从使船舶受力和位移量最合理进行设计方案的优化。3. 主要研究内容及关键技术3.1 主要研究内容专题一：以船舶运动量表示的作业标准研究通过调研、分析等手段及方法，在认真总结分析已建成的大型离岸深水码头使用经验的基础上，提出离岸深水码头系泊船舶在风、浪、流共同作用下以六个自由度运动量表示的作业标准，该标准考虑不同货种和装卸工艺设备对船舶允许运动量的限制。专题二：系泊船舶的运动响应研究浪、流及其二者的联合作用是影响离岸深水港码头泊稳的关键因素，本专题主要通过对浪、流及其二者联合作用下系泊船的运动响应物理模型试验和数值模拟研究以及原型实测对比分析，给出系泊船舶的运动量、缆力、对码头的撞击能量与波浪特征波高、特征周期、浪向、流速、流向的经验关系。专题三：码头轴线和长度、系靠泊系统优化布置研究以船舶运动量、缆绳张力及护舷力最合理为优化目标，提出风、浪、流作用下码头轴线的确定方法，利用物理模型试验以及数学模型计算的方法，研究泊位最优长度以及系缆墩布置优化方法。3.2 关键技术（1）离岸大型散货码头各种工艺装卸设备在正常装卸作业时允许的船舶运动量的合理确定；（2）非线性波浪力、非线性缆绳、护舷、船舶运动之间的耦合效应；（3）码头长度最短、缆绳力、护舷力、船舶运动量最合理的多目标优化。4. 研究工作实施方案4.1课题技术路线本课题总体研究的技术路线为：4.2实施方案针对本课题西部交通建设科技项目任务书（合同），首先制定详细的初步研究工作大纲，在广泛征求国内有关设计单位、研究单位、使用单位和工程建设单位的知名专家意见后，修订该研究工作大纲，明确本专题研究的主要内容、关键技术和技术路线。研究全过程紧紧围绕大纲开展工作。研究工作注意充分发挥建设、设计、科研等单位的优势，并注意保持骨干人员的稳定性和比较充足的研究时间。注意各专题研究进度的协调，并在研究过程召开多次协调会，及时解决有关技术问题，收到良好效果。4.3依托工程（1）大连港30万吨矿石专用码头工程该工程选址于大孤山东南岸，位于大连港规划的大宗散货区内。工程水陆域条件复杂，码头位于开敞水域，风、浪、流条件互不调和。码头泊位长度450米，顶高程15.5m，底高程-23m，码头结构由12组双排开孔圆沉箱及上部梁板构成。码头接卸矿石能力1500万吨。（2）大连新30万吨（水工结构按靠泊45万吨油船设计）原油码头工程该工程建设1个30万吨级原油接卸泊位（水工结构按靠泊45万吨油船设计）及相应配套设施，设计年接卸能力为1900万吨。码头长度446.75m，码头由工作平台和系、靠船墩组成，工作平台顶标高为12。靠船墩和系船墩顶标高为10。码头布置在-20m等深线处。4.4试验与分析本课题针对不同浪、流条件下系泊船泊运动量、系缆力、船舶撞击能量，对系泊船舶运动响应进行了较为系统的物理模型试验研究，为系泊船舶运动响应半经验半理论公式的总结以及码头轴线、长度、系靠泊系统的优化布置提供了科学依据，具体试验分析及结论详见系泊船舶运动响应研究物理模型试验报告。图1 试验现场图图2 试验数据采集系统5 主要研究结论5.1专题一：以船舶运动量表示的作业标准研究通过搜集国内、外以系泊船舶运动量表示的作业标准相关资料，以及对国内代表性码头的调研与分析，结合我国港口深水码头的实际情况，提出了适应我国港口实际的以船舶运动量表示的作业标准，该标准考虑不同货种和装卸工艺设备对船舶允许运动量的限制，可有效指导码头船舶安全装卸作业，提高码头船舶作业安全性和装卸效率。表1离岸深水大型码头以船舶运动量表示的作业标准船 型装卸设备纵移（m）横移（m）升沉（m）纵摇（5）横摇（5）回转（5）干散货船（矿石、煤炭）抓斗卸船机1.51.00.53.03.01.0装船机2.51.5油 船输油臂1.51.5集装箱船集装箱岸桥0.50.30.30.51.50.55.2专题二：系泊船舶的运动响应研究对系泊船舶的运动响应进行了较为系统的研究，提出了较以往计算公式适用范围更广、更为准确的多参数系泊船舶运动量、系缆力、船舶撞击能量的半经验半理论计算公式，并开发了操作方便实用的拟动力模型系泊船舶计算软件Qmoor，和能进行系泊船舶时域模拟的系泊船舶计算软件Tmoor，提高了我国在此方面的数值模拟水平。5.3专题三：码头轴线和长度、系靠泊系统优化布置研究通过对码头轴线和长度、系靠泊系统优化布置研究，针对受潮汐影响明显的离岸深水港码头，从改善船舶受力、安全生产、降低船舶运动量方面，提出了数量化确定码头轴线的严格依据和方法，将现有规范以及相关指导和建议原则性的条文作了进一步细化；提出了泊位长度与墩位布置的原则和方法，通过对码头轴线和长度、系靠设施布置的优化，可缩短码头长度10左右，节约宝贵的岸线资源，波浪作业标准可放宽20%左右，提高了码头作业天数。5.4研究成果的技术水平本课题首次提出了适应我国港口实际的以船舶运动量表示的作业标准；开发了操作方便实用的拟动力模型系泊船舶计算软件Qmoor，和能进行系泊船舶时域模拟的系泊船舶计算软件Tmoor，提高了我国在此方面数值模拟水平；首次利用原型观测技术对系泊船舶运动响应进行了研究，丰富了此方面的研究手段，形成了一套既能满足研究精度要求，又具有较强操作性的系泊船舶运动响应原型测技术；首次提出了较以往计算公式适用范围更广、更为准确的多参数系泊船舶运动量、系缆力、船舶撞击能量的半经验半理论计算公式，提高了我国在此方面的研究水平，为船舶安全系泊和码头安全营运提供了技术支持；以缆绳力、护舷力、船舶运动量最合理为目标，优化了码头轴线、长度和系靠墩布置，并提出了放宽码头作业标准的建议，提高了码头作业天数。本课题提出的以船舶运动量表示的作业标准填补了国内空白，提出的多参数系泊船舶运动量、系缆力、船舶撞击能量的半经验半理论计算公式，开发的系泊船舶运动响应数值模拟软件，形成的系泊船舶运动响应原型测技术以及对码头轴线、长度的多目标优化等研究成果总体达到国际先进水平，其中对系泊船舶在浪、流作用下的运动量、系缆力、撞击能量的多参数计算研究成果达到国际领先水平。 图3 系泊船舶运动响应数值模拟软件界面图4 原型观测部分观测设备图5 原型观测设备安装现场6. 课题的经济、社会、环境效益及推广应用前景6.1 经济、社会、环境效益本课题研究成果经济、社会效益主要体现在：首次提出适应我国港口实际的以船舶运动量表示的作业标准，可有效指导码头船舶安全装卸作业；利用本课题提出的较以往研究成果适应范围更广，计算更精确的系泊船舶运动量、系缆力和撞击能量的多参数经验计算公式，可有效指导工程设计；开发的拟动力系泊船舶计算软件Qmoor便于设计人员使用，开发的时域内系泊船舶计算软件Tmoor适于科学研究；以系泊船舶运动量、系缆力、撞击能量大小，以及系缆力的均衡性为标准，通过对码头轴线和长度、系靠设施布置的优化，可减小码头总长度10左右，节约宝贵的岸线资源；通过对码头轴线和长度、系靠设施布置的优化，波浪作业标准可以放宽20%左右，提高了码头作业天数。6.2 推广应用前景离岸深水港大型码头泊稳条件关键技术研究课题内容广、技术新、难度高、工作量大。通过这些工作，