地面式單點浮筒系泊防臺沉塊的質量
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摘要：為研究地面式單點浮筒系泊防臺沉塊的質量，介紹地面式單點浮筒系泊防臺方式，選取3種在風、浪、流作用下的船舶受力模型。以海南省洋浦港的3艘海巡艇為實例，通過3種模型的計算結果與實際情況的對比，選取與實際情況最匹配的模型，并對模型中波浪荷載進行優化，提出地面式單點浮筒系泊防臺優化模型。根據優化模型，運用MATLAB對洋浦港的3艘海巡艇在采用地面式單點浮筒系泊防臺時所需沉塊的質量等進行研究，為地面式單點浮筒系泊防臺的實際操作提供依據。
關鍵詞：單點浮筒; 系泊防臺; 地面式浮筒系泊; 沉塊質量
中圖分類號： U653.2
文獻標志碼： A
Abstract：In order to study the sinker mass of the ground single point buoy mooring against typhoon， the mode of the ground single point buoy mooring against typhoon is introduced， and three models of ships under wind， wave and current are selected. Three marine patrol boats in Yangpu Port of Hainan province are taken as examples. By comparing the calculation results of three models with the actual situation， the model that matches the actual situation best is selected， and the wave load in the model is optimized. An optimization model of the ground single point buoy mooring against typhoon is proposed. According to the optimization model， sinker mass needed by the 3 marine patrol boats in Yangpu Port using the ground single point buoy mooring against typhoon is studied by MATLAB. It provides the basis for the practical operation of the ground single point buoy mooring against typhoon.
Key words：single point buoy; mooring against typhoon; ground buoy mooring; sinker mass
0 引 言
在臺風季節，船舶的防臺安全是一個不容忽視的問題。船舶浮筒系泊防臺主要分為單點系泊和多點系泊兩種，而單點浮筒系泊又分為埋入式和地面式兩種。國內外對船舶浮筒系泊防臺開展了大量研究，但主要涉及影響船舶運動狀態的相關外部因素，如風、浪、流以及浮筒、錨鏈、纜繩受力等因素。對埋入式單點浮筒系泊的研究主要是水鼓、錨鏈、纜繩等的受力分析，沉錘破土力分析，以及浮筒、沉錘設計等，而對地面式單點浮筒系泊和沉塊質量等的研究，國內外均較欠缺[1-4]。
在地面式浮筒系泊船舶系泊力計算方面，本文引入修訂前后的《防風系船水鼓》[5-6]中的計算模型和《港口工程荷載規范》[7]中的計算模型，對這3種模型中的波浪荷載進行優化，將3種模型的計算結果與實際情況進行對比，從而選出最接近實際的模型，最終提出地面式單點浮筒系泊防臺優化模型。
1 地面式單點浮筒系泊防臺方案分析
地面式單點浮筒系泊系統主要由浮筒、系船環、水下錨鏈和沉塊組成，水下錨鏈的下端與沉塊相連，上端的系船環穿過浮筒擱置在浮筒上。浮筒能360°旋轉，僅限制系船環向下的自由度。當系船環承受拉力時，系船環（連同錨鏈）可被自由拔出浮筒。船舶錨鏈（纜繩）直接與系船環相連，系泊力直接通過系船環和水下錨鏈傳遞至錨碇系統。系泊狀態下，浮筒基本不承受船舶系泊力，僅承受錨鏈方向改變引起的扭矩而發生一定的側斜;非系泊狀態下，浮筒承受水下錨鏈重量，其主要作用是提供浮力，以確保系船環停留于水面，便于船舶的系、脫纜作業[8]。
地面式單點浮筒鋪設及換鏈都比較方便，沉塊設置地點也可自行選擇，但受起重能力的限制，沉塊不能做得太大，否則起吊和移動不便，故地面式系泊防臺方案一般用于小型船舶的系泊防臺[9]。
1.1 錨鏈長度分析
由圖3可知：根據加入波浪荷載后的文獻[7]模型計算出的船舶系泊力最小;文獻[5]模型由于是經驗公式，加入波浪荷載后計算出的船舶系泊力最大;根據加入波浪荷載后的文獻[6]模型計算出的船舶系泊力居中。
為驗證3種新的計算模型的準確性與實用性，求取海巡11502號在13級臺風下系泊時所需沉塊質量，以便選取最準確、與實際最相符的計算模型。計算結果見圖4。
根據實際情況，在2014年臺風“海鷗”來臨時海巡11502號系泊時采用了8 t沉塊并未走錨，即對于海巡11502號，采用地面式單點浮筒系泊方案時，沉塊質量的計算結果應小于8 t才與實際情況相符。由圖4可知，僅加入波浪荷載后的文獻[7]模型計算結果與海巡11502號的實際防臺情況一致，故本文選取該模型作為最優計算模型。
4 地面式單點浮筒系泊沉塊質量數值研究
運用上述最優模型，對海巡21號在臺風期間系泊所需沉塊質量進行計算，并運用編程軟件將沉塊質量及錨鏈、纜繩破斷力隨風速的變化情況顯示出來。 4.1 參數設計
根據水文氣象資料，臺風風級在12級（32.7～36.9 m/s）與15級（46.2～50.9 m/s）之間。為便于比較分析，設置臺風期間海巡艇系泊區的環境條件為：風速為15級風的最大風速，即50.9 m/s;浪高為3 m;水流速度為0.8 m/s。
在采用地面式單點浮筒系泊方案時，海巡21號所需沉塊質量在38.9 t以上，纜繩破斷力在343.98 kN以上，因此建議船舶系纜墩最大荷載在980 kN以上。
為全面準確地顯示出所需沉塊質量與風速之間的關系，運用MATLAB對浮筒系泊防臺模型進行編程，選取風級在12級（32.7～36.9 m/s）與15級（46.2～50.9 m/s）之間變化，浪高為3 m，水流速度為0.8 m/s，得出地面式單點浮筒系泊方案下所需沉塊質量與風速之間的的函數關系以及錨鏈、纜繩破斷力與風速之間的函數關系，見圖5和6。
由圖5和6可知，當風速從12級最小值（32.7 m/s）向15級最大值（50.9 m/s）變化時，3種海巡艇所需的沉塊質量以及錨鏈、纜繩受力均基本呈線性增加趨勢，海巡11502號需要的最大沉塊質量小于10 t，海巡1102號需要的最大沉塊質量小于20 t，海巡21號需要的最大沉塊質量小于40 t，而這3種海巡艇的錨鏈、纜繩受力最大均約為350 kN，具體沉塊及纜繩參數設計如表7所示。
5 結 論
本文以海南省洋浦港內3艘海巡艇為研究實例，對地面式單點浮筒系泊防臺方式進行研究分析，在結合實際情況選取計算模型后進行優化設計，提
出地面式單點浮筒系泊防臺優化模型，并運用MATLAB對3艘海巡艇在采用地面式單點浮筒系泊防臺時所需沉塊質量進行研究，為地面式單點浮筒系泊防臺的實際操作提供依據。
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