單船港內(nèi)首尾雙錨錨泊允許波高的試驗研究

孫一艷，王 剛，陳國強，李金宣，鄭 瑋

（1.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)工程研究所，北京100125；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，大連116024）

單船港內(nèi)首尾雙錨錨泊允許波高的試驗研究

孫一艷1，王 剛1，陳國強1，李金宣2，鄭 瑋2

（1.中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)工程研究所，北京100125；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，大連116024）

目前我國漁港港內(nèi)錨地允許波高的規(guī)定是參照國外規(guī)定按經(jīng)驗確定，缺乏有效的試驗支撐。為了驗證現(xiàn)行規(guī)定的港內(nèi)錨地允許波高的合理性，以275HP拖網(wǎng)漁船為代表船型進行了單船首尾雙錨錨泊的物理模型試驗，研究了漁船首尾雙錨錨泊系統(tǒng)在不規(guī)則波作用下的錨泊力及運動量的情況，分析了波浪入射角度、漁船載況、波高及周期對錨泊力和運動量的影響。實驗結(jié)果表明，錨泊力在90°橫浪作用時最大，隨著載重和波高的增大而增大，隨著周期的增大而減小。橫搖角度同樣在90°橫浪作用時最大，隨著載重的增大而減小，隨著波高的增大而增大；當波浪周期接近漁船橫搖周期時，橫搖角度達到最大，隨后隨著周期的增大而減小。試驗結(jié)果得出，在本次試驗范圍內(nèi)，此漁船單船首尾雙錨錨泊時的允許有效波高建議取為0.7m。研究結(jié)果為港內(nèi)錨泊允許波高的確定以及漁船纜繩的設計提供了有效的支持。

允許波高；275HP拖網(wǎng)漁船；首尾雙錨錨泊；物理模型試驗；錨泊力；運動量

漁港是海洋捕撈與沿岸增養(yǎng)殖漁業(yè)的重要基地，是沿海防災減災體系的重要組成部分，是漁民生產(chǎn)、生活的重要場所［1］。漁船是漁民生存的必要工具，海洋捕撈不可替代的載體，只有發(fā)展好漁船、保護好漁船才能保證海洋捕撈的高效和安全，保證漁民生活的穩(wěn)定。而海上風浪流是威脅漁船安全的主要因素，2012年，由于臺風、洪澇等自然災害造成全國沉船共874艘，船損達到4 333艘［2］；2013年造成沉船847艘，船損達到4 653艘［3］。因此，開展風浪流對漁船的作用研究是很有必要的。

有效掩護水域面積是沿海漁港建設標準最重要的指標之一，是影響單個漁港投資規(guī)模的核心因素，而漁船港內(nèi)錨泊泊穩(wěn)條件是科學計算有效掩護水域面積的依據(jù)。漁船港內(nèi)泊穩(wěn)分為作業(yè)泊穩(wěn)和錨泊泊穩(wěn)，欒曙光等［4］通過試驗手段，對漁港作業(yè)泊穩(wěn)進行了研究。目前國內(nèi)外對船舶錨泊的研究主要集中在錨泊安全和設備［5-8］、錨鏈張力數(shù)值分析［9-10］等方面，而未看到有關對錨泊船只受力和運動情況的試驗研究。Kenji［11］等對單點錨泊船只在風浪作用下的縱蕩、橫蕩和首尾搖進行了數(shù)值模擬，重點分析了其走錨的情況，但對其它方向的船舶運動沒有進行研究。

目前我國漁港港內(nèi)錨地允許波高的規(guī)定都是參照國外類似規(guī)定按照經(jīng)驗而確定的，缺乏試驗支撐?！笆晃濉逼陂g，我國漁港港內(nèi)錨地水域的允許波高按50 a一遇有效波高（H1/3）小于1.0 m規(guī)定；“十二五”期間，我國漁港港內(nèi)錨地水域的允許波高按照50 a一遇，設計高水位情況下，H1%波高小于1.0 m規(guī)定。孫龍等［12］對現(xiàn)行的允許波高進行了比較分析，但缺乏試驗驗證。

中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)工程研究所承擔了由國家住建部下達的《沿海漁港建設標準》的編制任務，為了給標準的編制提供可靠的數(shù)據(jù)支持，同時為了驗證“十二五”期間我國漁港港內(nèi)規(guī)定的錨泊允許波高是否合理，本文以275HP拖網(wǎng)漁船為代表船型，以橫搖角度為控制因素（超過臨界角度，漁船會發(fā)生進水），對單船首尾雙錨錨泊泊穩(wěn)條件進行了物理模型試驗，同時，研究了此漁船首尾雙錨時錨泊力及運動量受不規(guī)則波作用的情況，既驗證了港內(nèi)錨泊允許波高，又對后續(xù)風浪流聯(lián)合作用的研究奠定了基礎。

表1 漁船原型資料Tab.1 Prototype data of the fishing boat

1 試驗概況

1.1 船型資料

本次試驗以275HP拖網(wǎng)漁船為代表船型，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械研究所提供了漁船船型資料，具體如表1所示，其中空載指漁船在港內(nèi)空載錨泊狀態(tài)，半載指漁船補給后滿載出港狀態(tài)。

圖1為275HP拖網(wǎng)漁船原型船的總布置圖及與模型船的對比，圖中粗實線為簡化后的模型上部尺寸。為了防止模型上水對模型和測量儀器造成損壞，同時由于制作工藝等原因，在船模制作時將最低點處的干舷高度升高了1.77 m，模型尺寸相當于升高了0.098 m，經(jīng)過驗證，此項調(diào)整并沒有改變漁船本身的橫搖周期等動力特性，根據(jù)調(diào)整后制作的模型如圖2所示。圖3分別給出了空載和半載時原型船和模型船的臨界進水角度，即漁船由于轉(zhuǎn)動導致干舷與水面齊平時的角度，當此角度繼續(xù)增大，干舷低于水面時則會發(fā)生漁船進水。從圖中可以看到，原型船在船身傾斜約19°左右（空載）和13°左右（半載）時就會發(fā)生進水，因此按照此漁船的臨界入水角為19°（空載）和13°（半載）考慮。

圖1 原型船和模型船對比尺寸圖Fig.1 Size comparison of prototype ship and model ship

圖2模型船F(xiàn)ig.2 Model ship

1.2 模型設計

模型試驗是在大連理工大學海岸及近海工程國家重點實驗室的三維波浪水池內(nèi)進行的。試驗水池長40 m，寬24 m，深1.2 m，最大工作水深可達到0.7 m，最大波高可達到0.30 m。水池一側(cè)裝有自行設計制造的多向不規(guī)則波造波機，由70塊寬為0.33 m的造波板組成。試驗現(xiàn)場布置及模型平面布置如圖4所示。

在模型設計中，根據(jù)《波浪模型試驗規(guī)程》［13］，采用正態(tài)模型，主要根據(jù)重力相似準則進行模型設計，同時綜合考慮試驗水池、試驗船舶及試驗內(nèi)容等情況，選取模型比尺λL=18。模型制作首先要保證漁船外形的幾何相似；重量相似方面，船模重量除船?？諝ね?，不足部分用鐵塊壓載使船重滿足不同載重時所要求的重量；最后通過調(diào)整船體內(nèi)壓載鐵塊的位置使其滿足船模的重心、慣量和橫搖周期等動力相似要求。

圖3 90°橫浪作用時原型和模型的臨界入水角度Fig.3 Critical water entry angle of prototype ship and model ship with 90 degree transverse wave

錨系結(jié)構(gòu)的模型與原型間應滿足長度相似，重量相似以及彈性相似。由于試驗所用纜繩模型的彈性通常難以滿足需要，常依據(jù)原型換算所求彈性系數(shù)，配置彈性系數(shù)分布范圍相近的彈簧進行串、并聯(lián)等組合形式與模型纜繩連接實現(xiàn)彈性模擬。表2給出了模型纜繩的相關特性參數(shù)［14］。圖5為錨系結(jié)構(gòu)的布置圖，圖6-a和6-b分別為錨索與模型船和地面的連接圖，首尾錨索固定于船舶首尾甲板中心邊緣位置，圖中拉力計用來測量模型在波浪作用下受到的拉力，彈簧則是為了滿足錨索的彈性模量，使其與原型錨鏈保持彈性相似。

表2 模型纜繩特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of cable model

船舶的運動量主要包括6個方面，三個方向的位移：橫蕩、縱蕩、垂蕩；三個方向的轉(zhuǎn)角：橫搖、縱搖、首尾搖。圖7給出了用于測量六個方向運動的非接觸式運動姿態(tài)測量系統(tǒng)示意圖，其原理是采用雙目視覺系統(tǒng)對于船舶實時定位，從而可以確定船舶的姿態(tài)并計算其六個方向的運動量，圖8給出了不同方向的波浪作用時船運動六個分量與XYZ坐標系之間的關系。

圖4 試驗布置Fig.4 Layout of the experiment

圖5 錨系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Layout of mooring structure

圖6 錨索布置圖Fig.6 Layout of mooring chain

圖7 非接觸式運動姿態(tài)量測系統(tǒng)Fig.7 Untouched 6?Dof Measurement System

1.3 試驗參數(shù)

本文試驗波浪主要采用不規(guī)則波，波浪的頻譜采用合田改進的JONSWAP譜［15］，考慮我國近岸波浪的主要風浪周期一般集中在5～7 s附近，同時參照國外定義的港內(nèi)允許波高為最大波高小于1.0 m，確定原型的波浪參數(shù)如下：

（1）水深：6 m；

（2）載況：空載、半載；

（3）波浪入射方向：90°，45°，0°；

（4）有效波高：H13%=0.65 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m；

（5）周期：T=4 s（除1.2 m波高半載情況）、5 s、6 s、7 s、8 s。

試驗中時間采樣間隔為0.02 s，采樣長度為8 192個，波浪統(tǒng)計分析采用上跨零點法，每次試驗重復2～3次，試驗結(jié)果采用前三個大值的平均值為統(tǒng)計值進行分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 首尾拉力及運動量時間過程線

由于港內(nèi)漁船失穩(wěn)主要以船舶搖動過大進水或斷纜走錨為主，因此本文主要分析纜繩的拉力和漁船轉(zhuǎn)動。以6 m水深，空載情況，有效波高1.0 m，周期5 s時結(jié)果為例，分別給出90°、45°和0°波浪作用時漁船的首尾拉力及三個方向轉(zhuǎn)角的時間過程如圖9和圖10。從圖中可以看到，受船舶運動的影響，首尾纜的拉力不是一個連續(xù)的過程，拉力的大小取決于船舶的運動狀態(tài)，同時90°浪作用下的漁船首尾拉力及橫搖角度最大，45°次之，0°最小。

表3給出了不同波浪入射角度時的波浪試驗情況，綜合圖表認為，單船首尾雙錨錨泊時主要以漁船首尾拉力、橫搖角度（90°）為控制因素，即為本次研究的主要對象。

圖8 船運動六分量定義Fig.8 Definition of ship 6?DOF motions

圖9 不同波浪入射方向時首尾拉力圖Fig.9 Bow?stern tension force with different incident wave direction

圖10 不同波浪入射方向時轉(zhuǎn)角圖Fig.10 Angle of rotation of different incident wave direction

表3 不同波浪入射角度時漁船拉力和運動的情況說明Tab.3 Description on the tension force and movement of fishingboat with different incident wave angles

2.2 波浪入射角度和載況的影響

圖11給出了T=5 s、不同大小波浪作用時，漁船首尾拉力及橫搖角度統(tǒng)計值隨入射角度的變化情況（0°時給出的是縱搖角度），從圖中可以看到，90°橫浪作用時不論是漁船首尾拉力還是橫搖角度都略大于其它波浪入射方向的情況。因此隨后主要給出控制狀況90°橫浪方向的研究結(jié)果，其余角度的詳細數(shù)據(jù)可查詢相關資料［14］。

為了研究漁船首尾拉力及橫搖角度在不同載況情況下的變化情況，圖12給出了不同波高下漁船在半載和空載兩種載況下的首尾拉力隨周期的變化情況。從圖中可以看到，半載時漁船拉力略大于空載情況，且隨著波高的增大，兩種載況間拉力的差別逐漸減小。圖13為相應情況下漁船橫搖角度的變化趨勢，可以看到半載時的橫搖角度略小于空載時的角度。綜合前述的拉力結(jié)果，可以看出，載重越大，錨泊錨索的拉力越大，斷纜的可能性增大；但漁船的橫搖角度會較小，漁船自身運動偏于安全。由于現(xiàn)實中港內(nèi)錨泊的漁船多為空載錨泊，因此后面的研究均基于空載狀態(tài)下進行。

圖11 漁船拉力及橫搖角度在不同波浪入射角度時的比較Fig.11 Comparison of the tension force and rolling angle of fishing boat with different incident wave angles

圖12 不同有效波高時漁船首尾拉力在半載和空載情況下的比較Fig.12 Comparison of the bow?stern tension force of fishing boat in the half load and no?load conditions with different significant wave height

2.3 波高和周期的影響

為了說明波高和周期對首尾拉力及橫搖角度的影響，圖14給出了90°浪作用時漁船首尾拉力及橫搖角度隨有效波高和周期的變化趨勢，從圖中可以看到，90°橫浪作用時，漁船首尾拉力隨著波高的增大而增大，同時隨著周期的增大而減??；漁船的橫搖角度同樣隨著波高的增大而增大，在波浪周期接近漁船橫搖周期（5 s）時，漁船與波浪發(fā)生共振，橫搖角度達到最大，隨后隨著周期的增大而減小。但是由拉力圖可以看出，首纜拉力及尾纜拉力卻是在波周期4 s時候最大，其原因是由于船舶為首尾纜系泊，船舶橫搖在周期5 s時發(fā)生共振現(xiàn)象，但橫搖運動對于纜繩的拉力影響較小，另外通過對拉力能量譜和橫搖角度能量譜的分析可以得到［14］，拉力的能量主要集中在低頻部分頻率范圍較大，即總拉力主要由許多低頻拉力構(gòu)成；而橫搖角度的能量主要集中在5 s周期的頻率范圍內(nèi)，與波浪的能量分布一致，因此橫搖角度在波浪周期接近漁船橫搖周期時發(fā)生共振，而拉力則不存在這個問題。

圖13 不同有效波高時漁船橫搖角度在半載和空載情況下的比較Fig.13 Comparison of the rolling angle of fishing boat in the half load and no?load conditions with different significant wave height

2.4 港內(nèi)錨泊允許波高值分析

通過之前對時間過程線以及波浪入射角度、載況、波高和周期對于纜繩拉力和船舶運動影響的分析，得出空載、90°橫浪作用為漁船安全錨泊的控制工況，選取橫搖角度作為安全錨泊的控制參數(shù)，在漁船達到圖3所示的臨界入水角時所作用的波高即為此情況的允許波高值。這里不采用錨泊力為控制條件，因為錨泊力可以通過加強錨索、加大錨鏈重量或錨重及其它措施來避免走錨斷錨的發(fā)生。表4給出了90°橫浪作用、漁船空載時的漁船試驗結(jié)果，其中的拉力值為首尾拉力中偏大的值。從表中可以看到，在本次試驗研究范圍內(nèi)，當港內(nèi)波浪的主要周期集中在漁船橫搖周期5 s附近時，港內(nèi)錨泊允許的有效波高應低于0.8 m；當港內(nèi)波浪的主要周期集中在6 s或7 s或8 s時，允許的有效波高逐漸增大。綜合各組次試驗結(jié)果，針對本次試驗條件，此275HP拖網(wǎng)漁船在港內(nèi)錨泊的允許有效波高值按線性插值計算，插值得到的有效波高約為0.75 m，考慮適當?shù)陌踩辉?，建議取為0.7 m，換算成最大波高約為1.0 m［12］左右，與“十二五”期間我國港內(nèi)錨地規(guī)定的允許波高值基本一致。

圖14 90°浪作用下漁船拉力及橫搖角度隨有效波高和周期的變化Fig.14 Changes of the tension force and rolling angle of fishing boat with significant wave height and period with 90 degree transverse wave

表4 漁船試驗結(jié)果Tab.4 Experiment results of fishing boat

3 結(jié)果和討論

對275HP拖網(wǎng)漁船港內(nèi)首尾雙錨錨泊情況進行了不規(guī)則波作用的物理模型試驗，得出了以下結(jié)論，可為相關研究及標準制定提供參考：

（1）考慮實際漁船錨泊多以橫搖過大漁船進水而失穩(wěn)，同時為漁船纜繩設計提供參考，確定以漁船首尾拉力及橫搖角度為主要研究對象。

（2）載況和波浪入射角度對漁船首尾拉力及橫搖角度的影響：載重越大，錨泊力越大，但此時漁船的橫搖角度偏小，漁船自身運動偏于安全。在三個波浪入射方向中，90°橫浪工況作用得到的漁船拉力和橫搖角度均大于其它角度。綜合考慮，確定空載、90°橫浪作用為漁船安全錨泊的控制工況，橫搖角度為控制參數(shù)。

（3）波高周期對漁船首尾拉力及橫搖角度的影響：90°橫浪作用時漁船首尾拉力隨著波高的增大而增大，同時隨著周期的增大而減小；漁船的橫搖角度同樣隨著波高的增大而增大，波浪周期接近漁船橫搖周期時，橫搖角度達到最大，隨后隨著周期的增大而減小。

（4）本文選取橫搖角度作為控制條件，基于本文試驗結(jié)果，考慮一定的安全性，建議275HP拖網(wǎng)漁船在港內(nèi)錨泊的允許有效波高值取0.7 m，換算成最大波高約為1.0 m。

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Experimental research on allowable wave height of bow?stern anchoring of a single ship in port

SUN Yi?yan1,WANG Gang1,CHEN Guo?qiang1,LI Jin?xuan2,ZHENG Wei2
（1.Fishery Engineering Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences,Beijing 100125,China;2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

Currently,the allowable wave height of anchorage in fishing port in our country is empirically deter?mined with reference to foreign regulations,which is lack of effective experimental support.In order to verify the ra?tionality of current regulations on the allowable wave height of anchorage,physical model experiment on allowable wave height of bow?stern anchoring of a single ship was carried out and 275HP trawler was represented as the typi?cal ship.Anchoring force and movement of bow?stern anchoring system of fishing boat under irregular waves were studied.Impacts of wave incident angle,load conditions of fishing boat,wave height and wave period on anchoring force and movement were analyzed.The experimental results show that anchoring force reaches maximum with 90 degree transverse wave,increases with the increasing of load and wave height,decreases with the increasing of wave period.Similarly the rolling angle reaches maximum with 90 degree transverse wave,decreases with the increasing of load and increases with the increasing of wave height.When wave period gets close to the rolling period of fishing boat,the rolling angle reaches maximum and then decreases with the increasing of wave period.Obtained from the results,0.7 m as allowable wave height is suggested in this experiment.The results provide effective support for the determination of allowable wave height in port and fishing cable design.

allowable wave height;275HP trawler;bow?stern anchoring;physical model experiment;anchor?ing force;movement

TV 139.2

A

1005-8443（2016）03-0217-07

2015-07-22；

2015-09-17

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（2014A10XK05）

孫一艷（1981-），女，吉林省人，高級工程師，主要從事漁港相關工程的設計與研究。

Biography：SUN Yi?yan（1981-），female，senior engineer.