库区大水位差下趸船系留方式分析与探讨

库区大水位差下趸船系留方式分析与探讨

罗晨

（神华神东电力重庆万州港电有限责任公司重庆市万州区404000）

摘要：随着内河航道的不断发展，趸船的作用和使用量也不断增加。趸船吨位的增加对其系留方式要求更高，本文对库区大水位差下的系留方式进行分析比较，以更好地结合具体的实际情况选择合适的系留方式。

关键词：大水位差；趸船；系留方式

1引言

随着内河航运的快速发展，趸船的吨位不断增加，这也就在很大的程度上对于趸船的系留方式提出更大的挑战。另外，内河库区的水位变化较大，不同季节水位变化最大可达到30m，库区的大水位差决定需要一种特殊的系留方式，以适应水位的变化。本文首先对趸船及其锚链机构系统进行概述，并对常用的趸船系留方式进行说明。最后结合具体的实际情况，对系留方式进行数据分析，以寻求大水位差下的最佳系留方式。

2常见的几种趸船系留方式

趸船系留方式一般可以分为三种：锚杆系统、撑杆系统及定位墩系统，其中锚杆系统的应用案例最多。撑杆系统和定位墩系统主要用于锚杆系统不适用的情况，如趸船不允许出现较大位移、码头不允许进行抛外锚情况。由于锚杆系统的应用情况较多，目前对于锚杆系统的研究案例和经验也相对丰富。对于锚杆系统，国外开展的研究较早，主要分为设计和理论计算方面。锚杆系统主要分为锚杆和锚两部分，锚主要作用于地下表面，提供主要的稳定、固定作用力。锚杆主要起到连接作用，将趸船的作用力传输到锚上，起到平衡趸船的目的。撑杆系统主要分为撑杆和撑墩两部分。撑杆主要用于连接趸船与撑墩，与锚杆作用类似，将趸船的作用力传递到撑墩，保证船体的稳定。另外，如果存在水位变化时，撑杆会发生倾斜，以消耗部分趸船作用力，一般情况下撑杆能够发生水平和垂直方向的自由转动。定位墩系统，采用直钢管桩导桩式结构，主要特点是强度高、弹性好，能够承受较大的作用力，但相对其他系留固定系统，该系统变形量小，如果出现较大的水位差，其应对能力不如其他两种系留方式稳定。如果船舶较大且不许有较大的位移偏差时，可选择定位墩系统系留，定位墩一般布置在趸船的首尾两端，也可以布置在趸船靠近码头一侧的内舷。

3趸船锚链系统概述

3.1锚链系统组成

锚链系统主要由锚链和锚组成，锚链系统通过锚固定水底以固定整个趸船，并依靠锚链来传递趸船的静载荷，另外作用在趸船上的动载荷通过锚链进行吸收。

锚链主要通过链环连接组成，根据锚链形式不同，可以分为有档锚链和无档锚链。有档锚链主要是锚链链环的中央加一个横挡，通过横档来加强整个锚链的抗拉强度，相应地整个有档锚链的伸长和变形量较小，其强度可以比无档锚链高20%以上，另外，横档的存在使得整个锚链更加能够顺利通过锚机链轮，一般重锚多采用有档锚链作为基本的组成单元。

锚的种类相对较多，分类方法也不太一致。一般而言，锚主要由以下几种形式：(1)海军锚。海军锚是一种简单，使用较多的锚。其结构主要是有杆双爪锚，可以适用与多种土质，由于单爪入土，遇到船舶受环境影响而出现转动情况时，锚爪不会轻易地耙松泥土，但容易会出现与锚索缠绕的情况出现，另外也容易会出现浅水区域的刮擦其他船只情况。(2)霍尔锚。霍尔锚和斯贝克锚类型，其特点是整个锚重心更加偏向锚冠，两爪向着锚柄倾斜弯曲。整个结构使得锚尖容易转向地面，因此啮土稳定，减少翻出的可能性。收锚时也可避免刮伤船身。(3)大抓力锚。结合海军锚和霍尔锚的优点，大抓力锚锚爪宽而长，抓土深，锚头处设有横杆，克服了两爪进土不均的缺点，减少了锚爪翻出的可能性。

3.2锚链的选取

锚链的计算一般采用静力学分析方法，可采用悬链线通用的公式进行参数的基本计算，如果存在多个锚链情况，需结合理论力学的几何力学知识进行数据的计算分析。

工作状态下，锚链在水中呈现出一个悬链线的结构，理论状态，悬链线的长度等于抛出锚链的长度，但一般情况下为了更好的稳定船舶，锚链在水下会存在卧链，因此此时锚链的长度等于卧链长度与悬链线长度之和。实际情况下，趸船会设置多个锚，其中中锚沿船体呈纵轴方向布置，其他锚则与纵轴方向呈现一定角度，锚产生的地面抓力通过锚链传递到船体上，与船体上承载的动载荷和静载荷相平衡，使得整个船体保持稳定或者出现较小量的位移。以趸船为研究对象，进行静力学分析，则可以计算出每个锚链的受力情况，根据作用力大小情况进行锚链的型号选取。如果遇到较大的波浪或者波浪周期持续长，则需要对趸船进行动力学分析，需要考虑趸船的位移量和锚链承受的变形情况进行分析，由于动力学分析计算过程相对复杂，一般需要借助计算机程序进行计算。

3.3锚的选取

根据锚链是否存在卧链段进行分析分析锚的选取。

(1)锚链无卧链段。此时悬链线与水平面呈现相交情况，即锚主要受到两个方向的作用力：水平力和垂直力。此时锚的选取主要采用沉块，依靠沉块和上面的土重维持整个趸船的稳定性。(1)锚链有卧链段。此时锚的受力主要来自水平方向，需要考虑锚的抓地力，此时需要根据地下土质的不同选择锚类型，锚的重量应该根据趸船所承受的外力合力和锚的抓重比来确定。

4库区大水位差下趸船系留方式分析

4.1趸船现有情况分析

锚泊设备本船艉部设3780kg霍尔锚2只，配AM2-46电焊锚链3×10节（3×275m），其中一根与岸牛连接。艏部设3780kg霍尔锚2只，配AM2-46电焊锚链3×10节（3×275m），其中一根与岸牛连接。艏部设A46～48螺旋掣链器3个，设46Z停泊掣链器3只；艉部设A46～48螺旋掣链器3个，设46Z停泊掣链器3只。艏艉部各设φ46立式电动起锚系缆绞盘3台（共6台），能快速调整左右舷及中部锚链的长度，以适应在水位的涨跌。

4.2系留方式分析

4.2.1外载荷计算

趸船的外载荷主要包括风、水流的作用力，靠泊船只的系缆力、挤靠力和撞击力。

风载荷的计算可以通过以下公式进行确定，如果没有特殊要求，可按九级风进行处理，即风速为22m/s。

当船舶系泊在码头时，在风或横流的作用下，船舶会产生挤靠力，并通过护舷作用在趸船上，挤靠力应该考虑风和水流对计算船舶作用产生的横向分力的总和。

靠泊船在靠岸时，会以一定的速度靠向趸船，从而对趸船产生撞击力。撞击力的计算国内外普遍采用的是能量法，船舶靠泊时的有效撞击能量可按下列公式计算：

4.2.2实例计算

某库区的相关资料，最低水深9米，最高水深30米。趸船主尺度：80*20*3.2，趸船排水量：1857吨，靠泊船舶主尺度：110*16.2*6.2，靠泊船舶载重量5000吨，靠泊船舶排水量：6500吨。根据库区相关的数据，结合外载荷力的计算公式，可以对各个方向的作用力进行分析求解。

根据库区相关的资料，将数据进行MATLAB程序计算，可以求得各个方向的作用力情况，见表1。

针对目前的使用情况，进行如下分析改进。

(1)锚链校核。当有靠泊船靠泊时，假设此时趸船受到的风载荷、水流力和撞击力全部由锚链平衡，此时锚链受力最不利，在此工况下，锚链承受的最大合外力如表2所示。

表1趸船的外力汇总

由悬链线理论可知锚链的张力为：T=298.8KN，锚链的安全系数为3.14，根据实际工程经验，锚链的安全系数一般取3，所以该安全系数较为合适，满足实际要求。

(2)锚的选取。受力分析，锚的最大水平张力可以求得为298.15KN，同样选择为霍尔锚，抓重比为3，可得到锚重为99.38KN。

(3)钢丝绳的选取。当有船舶停靠时，假设此时趸船受到的风载荷、水流力以及靠泊船产生的系缆力全部由钢丝绳平衡，此时钢丝绳受力最不利，在此工况下，钢丝绳承受的最大合外力如表3所示。

表3钢丝绳承受的最大合外力

建立趸船的受力平衡后，可以得到钢丝绳的最大拉力为380.97KN，数K3，因此钢丝绳最小破断拉力为1142.90KN。

通过分析改进，可以对趸船系留方式进行处理。通过改进可以提升稳定性,同时降低锚链系统的使用成本。

5结语

趸船是一种无动力装置的矩形平底船，通常停靠在河岸边，最初作为浮码头应用，用于装卸货物或者供行人上下。后随着时代的发展，逐渐被应用在商业、学校和政府机构方面。本文对大水位差下的趸船系留方式进行分析介绍，可以更好地促进对系留方式的选择分析，更好地保证趸船船体的稳定性。

参考文献

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[2]长江中下游浮码头系留趸船的柔性定位墩的结构受力特性研究及结构优化[D].重庆交通大学,2014.

[3]三峡库区趸船系泊仿真计算研究[D].重庆交通大学,2014.

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