施工水域船舶通航对起重船作业的影响

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(大连海事大学 综合运输研究所，辽宁 大连 116026)

在内河水域开展施工作业会占用部分航道，为不影响船舶通航，施工船需停工撤离施工区以避让船舶，等待船舶通航后再恢复施工作业。在既要保证水域通航效率又不影响施工船舶安全作业的情况下，施工水域的船舶通航问题引起了关注。

海上工程建设，海洋资源开发，打捞作业等对起重船的需求较大，起重船的发展也渐趋大型化和复杂化[1-4]。在开敞海域施工区，通航船舶对起重船作业的影响表现为船行波对起重船作业的干扰。通航船舶降速航行虽然可保证通航安全，减小对附近船舶的影响，但同时也降低了通航效率。所以，兼顾两方面考虑，分析讨论施工区通航船舶的合理航速和安全航行距离问题。

1 回转式起重船特性及安全浮态

1.1 起重船特性

起重船甲板平面大，便于安装起重设备和进行起重作业；船宽吃水比B/d大，一般为6～14，对稳性要求高；船型以箱型居多，设有多个压载水舱。在起重作业时，需在短时间内吊起重物，船舶排水量急剧增加，船舶整体重心上移，稳定性能受到一定影响。起重机回转起吊重物，会产生倾覆力矩，通常需要在反向加载压载水以保证船舶安全浮态。

为保持压载水总量不变，压载水只在各压载舱间相互调拨。在起重机旋转作业初期，压载水调拨速度将会慢于起重机旋转速度，倾覆力矩不能被完全抵消，使得在作业过程中船舶向起重机旋转方向倾斜。在施工时，当起重船向起重机旋转方向倾斜约1°时，起重机要停止运作直到调拨压载水将船舶调平为止[5]。

船舶在波浪中会发生6个自由度的摇荡运动，而对船舶安全及作业影响最大的是横摇运动。若最大静倾角能保持在安全范围内，则船舶安全浮态便能得到保障，满足船舶安全作业的要求。

1.2 作业安全浮态

1.2.1 吊装作业

(1)

所以，船舶恢复力矩变为

(2)

重物被吊起，吊臂的旋转角度为β，吊臂及重物形成一倾覆力矩为

(3)

船舶倾斜后，若是水线WL水平时，船体一侧楔形体积浮出水面，另一侧楔形体积浸入水中，船舶浮心位置的变化是由一侧楔形体积移动到另一侧引起；两楔形体积的形心分别为k1、k2，长度Ok1、Ok2均为(2/3)y，见图1。由于波浪的影响，水线为正(余)弦形，船体进出水体积形状发生改变，所受水的浮力矩发生改变[7-8]。单位长度内船舶受到的波浪力矩为

(4)

式中：▽为单位长度内船舶水下体积改变量。而波面角表达式为ζ=ζacos(ky-ωt)，所以有

(5)

对单位长度内的波浪力矩沿船舶长度积分，求得波浪扰动力矩为

(6)

(7)

当船宽和吃水相对波长有限尺度时，船体下的波形曲率发生变化，船体下表面所受浮力方向与波面法线方向不一致，其垂直于某一次波面，该波面为有效波面，波面上的波面角为有效波倾，有效波倾小于表面波倾[9]。船行波对起重船造成扰动，不能以船舷处的表面波倾进行计算，而要以对船舶产生有效影响的有效波倾计算。

最不利的情况是船行波以最大波高到达起重船船舷处，即波浪扰动力矩最大，起重船达到允许安全作业最大橫倾角；根据瞬时受力平衡，即船舶恢复力矩、倾覆力矩和波浪扰动力矩平衡有

Ms=Mh+MF

(8)

1.2.2 吊卸作业

重物在被起重船卸离之前，船舶总的排水量保持不变。重物吊卸过程中，船舶重心提高致使初稳性高度发生改变，吊臂及重物产生倾覆力矩，船舶发生一定程度橫倾。受船行波扰动力矩的影响，船舶橫倾角加大。假设起重船上需要卸载重物重心高度为zc，初稳性高度减少量为

(9)

船舶恢复力矩为

(10)

与吊装作业类似，吊臂及重物产生倾覆力矩见式(3)，船行波产生扰动力矩见式(7)，起重船受到船行波扰动并达到允许安全作业最大橫倾角，由3种力矩达到平衡见式(8)。

2 船行波相关要素计算

根据凯尔文船行波理论，船舶航行在水面上产生压力扰动，在船艏及船艉均激起横波和散波，各横波波峰线和各散波波峰线交点的连线与航线形成一夹角Φ，该角理论值为19°28′。船行波向船舶两侧扩散，任意点的波速为压力扰动点速度在该波峰线垂线上的分量[10]，即VcosΦ，可以推导出波长与波速的关系式λ=2πV2cos2Φ/g。船行波多以散波的形式对附近船舶造成扰动。

在相对水深h/d<2的开敞海域，采用波高计算公式[10]为

(11)

式中：Hm为船舷侧产生船行波波高；V为航速；g为重力加速度；Cb为船舶方形系数；d为船舶吃水；L为船长。

船行波形成后向远处传播，波高随着传播距离的改变而改变，在传播距离s后，波高Hs为

(12)

船舶航行产生的船行波，其波高与航速的二次方成正比，波高随着传播距离的增加而逐渐减小，衰减后的船行波对附近船舶的影响也逐渐减弱。此外，波高还与船舶参数有关，如船长、船宽、方形系数等。

3 算例

以南海号回转式起重船为例，起重船相关参数见表1。通航船舶选择一艘符合BCI指数(波罗的海海峡型指数)规范的好望角型散货船，相关参数见表2。

表1 起重船船体参数

表2 好望角型散货船参数

起重船在某开敞海域进行海上平台的拆卸作业，需要起吊重量为1 000 kN的平台板块，在重物起吊瞬间压载水来不及调拨，起重船由于倾覆力矩发生橫倾，通航船舶生成的船行波以最大波高抵达，使起重船橫倾加剧。选择起重船3个作业状态(见表3)计算横倾角随航速及距离的变化，结果见图2。

表3 起重船作业工况

按照海事局规范，回转式起重船在作业过程中要满足极限静倾角不超过5°的要求[12]。

1)在通航船舶航速一定时，LOAD3状态下，即起重船吊臂旋转90°作业，通航船舶对起重船作业影响较大；此时倾覆力矩达到最大值，初始橫倾角也最大，受船行波扰动以致达到极限静倾角5°所需的条件更低。比较3种作业状态，吊臂与船中线面夹角越大，船舶作业所受影响越明显。为避免安全事故的发生，在吊重作业开始前可进行反向预压载，抵消部分倾覆力矩，减弱船行波对起重作业的影响。

2)当通航船舶航速为12.0 kn时，至少距离起重船61 m，可保证在3种作业状态下起重船最大橫倾角均低于5°；通航船舶航速为13.5kn时，至少距离起重船71 m，可保证在3种作业状态下起重船最大橫倾角均低于5°；通航船舶航速15 kn时，至少距离起重船80 m，可保证在3种作业状态下起重船最大橫倾角均低于5°。

4 结论

1)超重船作业橫倾角与船行波波高呈正相关关系，与传播距离呈负相关关系；起重船吊臂90°作业时受到船行波影响较明显。

2)在波浪中起重船工作稳性分析中引入了船行波理论，并从力矩平衡角度入手分析起重船稳性，所提出的起重船作业周边船舶通航安全航速及航行距离限定值估算方法，可为施工水域范围划定及监管部门工作开展提供定量分析和理论出发点。

3)仅重点考虑了船行波的影响，实际上开敞海域风力因素也不容忽视，所以今后应结合风速值、起重船受风面积等因素对起重船稳性进行更深入研究。