采用MIKE21MA 软件分析长周期波对系泊的影响

肖鑫，卢昭

（中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）

1 背景

随着港口建设逐渐往深海及国外发展以及优质岸线的逐渐减少，拟建区域波浪条件的复杂性日益增加。非洲西部、拉美西部海域受长周期波影响较为明显。长周期波在港口工程一般指周期30 s 以上的波浪，一般包括次重力波（碎波拍）、副震荡、海啸、潮汐等[1]。我国JTS 165—2013《海港总体设计规范》中只给出了波周期小于8 s 的船舶作业标准[2]。因此，对于波周期大于8 s 以上的海况，船舶泊稳的分析都需要进一步研究论证。

长周期波容易导致船舶运动量增大，甚至断缆，对系泊稳定及作业安全产生较大的影响，因此长周期波作用下的船舶系泊问题日益受到工程人员的重视。

码头前沿船舶泊稳分析通常采用2 种方法进行：物理模型试验和数学模型试验。针对于长周期波作用下的整体物理模型试验，为了将自然地形对长周期波的影响考虑进去，需要选择相对较大的试验水池，因此整体物模试验受限于实验室港池的尺寸，且费用较高。相比较而言，数学模型的优势较为明显，时间成本及费用均较为可控。国内工程中通常采用OPITMOOR 软件进行系泊分析[3]，其主要基于静态模型，因此适用于波浪条件较好的码头。对于长周期波影响的码头，波浪条件复杂，更适于采用动态模型的系泊软件进行模拟，MIKE21MA 是丹麦DHI 公司开发的计算系泊船舶响应的软件，该软件可以准确预测各种复杂情况下的系泊船舶运动量和系缆力。该软件可以将DHI 开发的波浪模块和流场模块的结果直接导入，操作便捷，且具有可视化的特点。本文应用MIKE21MA 软件通过波浪周期、入射角度等方面，研究长周期波作用下对泊稳的影响，得出波高保持不变的情况下，缆绳受力及船舶运动量随着波浪周期的增加而增加；在波浪周期不变的情况下，缆绳受力及船舶运动量随入射波高的增加而增加的结论，为类似工程提供参考。

2 原理

MIKE21MA 是DHI 公司开发的计算系泊船舶响应的软件，共有2 个计算模块：FRC 模块和系泊计算模块。FRC 模块主要输入条件为：船舶网格数据。计算出的船型文件和响应数据带入到系泊计算模块中[4]。系泊计算模块主要输入条件分为材料特性（缆绳、护舷、系船柱）、船型文件、缆绳、护舷、系船柱位置设置、受风浪流影响的环境条件等。

3 模型

3.1 工程实例

以国外某集装箱码头项目为例，码头长度500 m，码头面顶高程4 m，码头前沿水深-17.8 m。码头为顺岸式结构，有16 个靠船墩，6 个系缆墩。码头为桩基结构，西侧和南侧设斜坡堤。设计集装箱船型参数为：船长350 m，型宽35 m，型深14 m。缆绳布置见图1。其中L1—L6，L13—L18 为横缆；L7—L12 为倒缆。

图1 缆绳布置图Fig.1 Cable layout

缆绳采用聚丙烯材质，直径为88 mm，破断拉力108.5 t，最大系缆力不得超过75%破断力。护舷采用锥形护舷，护舷的极限荷载为170.6 t。满载集装箱船运动量限制标准参考国际航运协会PIANC 中的规定[5]，见表1。

表1 船舶运动量限制标准Table 1 Limitation standard for vessel movement

3.2 波浪条件

通过对工程区外海-25 m 处30 a 后报的波浪要素进行分析，波高波向和波高周期频率分布统计，见表2 和表3。

表2 30 a 后报数据波高波向联合频率分布Table 2 Joint frequency distribution of wave height and direction of 30-year hindcast data%

表3 30 a 后报数据波高周期联合频率分布Table 3 Joint frequency distribution of wave height and period of 30-year hindcast data %

从表2 波高分布可以看出：1.4 m 以下波高占比48.68%，1.4～2.2 m 占比46.21%，2.2 m 以上占比最小为5.11%。从波向分布可以看出波浪角度主要集中在210°～225°占比78.6%。由表3 周期分布可以看出，12～14 s 波浪占比最大为37.3%，其次是14～16 s 波浪占比35.64%，10～12 s 波浪占10.89%。本案例中受风、流影响较小，不予考虑，下文以此为基础进行研究[6-8]。

采用MIKE21BW 建立模型。计算地形采用四边形网格，尺寸大小为7.5 m×7.5 m 网格，网格数量为1 280×726，计算步长为0.1 s。码头位置参考图2。关于反射系数，桩基结构取0.5，自然岸滩取0.1，其他边界取0.3～0.4。

图2 BW 计算地形Fig.2 Topography calculation by BW model

首先将工况所需的波浪条件设置后带入BW模型，将计算得到的二维波浪结果，作为外部环境条件带入MA 模型，时间步长0.4 s 每组工况计算时长为3 h。

3.3 工况

根据表2 波高波向联合频率分布，210°～225°方向波浪较为集中，因此，BW 入射波浪角度为225°（从正北顺时针计），BW 模型计算出的瞬时水面波动结果作为波浪输入条件带入MA 模型，分析船舶运动量及缆绳受力情况。入射波浪在码头前沿波高约在0～0.3 m 之间。

3.3.1 周期对系泊的影响

先通过BW 模型计算出入射波高2.5 m 周期10 s、12 s、14 s、16 s 的二维波浪分布情况，波浪入射方向与码头岸线垂直，缆绳预张力15 t。计算结果见表4 和图3。

图3 不同周期情况下系缆力对比Fig.3 Comparison of mooring force under different periods

表4 不同周期情况下运动量对比Tabe 4 Comparison of motion under different periods

与表1 对比，除了16 s 横荡超过PIANC 限制外，其余各指标均在PIANC 范围内，但是可以看出各运动量有随波浪周期增大而加强的趋势。

以缆绳75%破断力（78 t）为参考指标，各工况缆绳均未超限，但缆绳受力有随波浪周期增大而加强的趋势，其中，倒缆L7—L12 增加幅度较大。

3.3.2 波高对泊稳的影响

先通过BW 模型计算出入射波高1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m 周期14 s 的二维波浪分布情况，入射方向与码头岸线垂直，缆绳预张力15 t。计算结果见表5 和图4。

表5 不同入射波高情况下运动量对比Table 5 Comparison of motion under different incident wave heights

图4 不同入射波高情况下系缆力对比Fig.4 Comparison of mooring force under different incident wave heights

与表1 对比，虽然各指标均在PIANC 范围内，但是可以看出各运动量有随波浪波高增大而加强的趋势。

以缆绳75%破断力（78 t）作为参考指标，各工况缆绳均未超限，但缆绳受力有随波浪波高增大而加强的趋势。小于2.2 m 波高情况第2 组首尾缆（L4—L6，L13—L15）受力较大，大于2.2 m后，倒缆（L7—L12）受力增加较快。

4 结语

1）MIKE21MA 软件是一种全时域系泊分析软件，可以得出时域内各种复杂情况下的系泊船舶运动量和系缆力。同时与Mike 波浪软件协调性较好。波周期的计算范围可以覆盖从短波到长周期波浪。

2）波高保持不变的情况下，缆绳受力随着波浪周期的增加而增加。各缆绳系缆力随波浪周期的增加而增加，其中倒缆相比其他缆绳增加幅度较大，本算例中，各缆绳均未超过缆绳破断力。

3）船舶运动量随入射波高的增加而增加。各缆绳系缆力随波高的增加而增加，随着波高的增加，由于受力的分配，倒缆相比其他缆绳增加明显。