涌浪、长周期波特性及工程船舶适应性研究

涌浪、长周期波特性及工程船舶适应性研究Contents一、研究背景及目的二、涌浪、长周期波特性研究三、工程船舶适应性研究四、结论与技术创新点随着我国船舶的大型化发展、海上能源开发项目的高度重视以及离岸深水港码头建设的不断发展，传统的港口码头工程也逐步由近岸海域走向深、远海水域。在外海修建大型泊位码头或建设海洋油气钻井平台都离不开工程船舶，但外海的涌浪、长周期波对工程船舶的施工作业带来较大困难。

本项目“涌浪、长周期波特性及工程船舶适应性研究”（2017中国交建）是在“涌浪、长周期波对深水建筑物及外海施工影响的试验研究”（2013中国交建）成果的基础上，对涌浪、长周期波特性研究和工程船舶外海作业能力进行的更全面、深入的试验研究内容。研究背景研究背景及目的----研究背景2013年12月涌浪、长周期波对深水建筑物及外海施工影响的试验研究2017年12月涌浪、长周期波特性及工程船舶适应性研究深入1600T起重船打桩船防波堤透浪防波堤波浪力形成机理与特性分布传播特性及对结构物的影响1600T起重船4000T起重船打桩船及改装方案抓斗挖泥船绞吸式挖泥船耙吸式挖泥船方驳临时消浪结构特性研究研究背景及目的----研究背景研究背景中国交建---中长周期波浪条件下港口工程建造关键技术研究疏浚中心---中长周期波作用下耙吸挖泥船动态响应研究

通过涌浪、长周期波的特性研究，了解涌浪、长周期波的形成机理、波浪特性及传播特征，掌握和分析我国海域及世界其他海域涌浪、长周期波的分布情况；

通过涌浪、长周期波作用下工程船舶的适应性研究，得到起重船、打桩船、抓斗/绞吸/耙吸挖泥船、方驳等不同类型工程船舶在涌浪、长周期波海域的作业能力，为建立工程船舶外海施工作业指南提供有力技术支撑。研究目的研究背景及目的----研究目的

Contents一、研究背景及目的二、涌浪、长周期波特性研究三、工程船舶适应性研究四、结论与技术创新点二、涌浪、长周期波特性研究研究内容研究涌浪、长周期波的机理及特性涌浪、长周期波的分布（我国与世界）涌浪、长周期波的传播特性及对结构物的影响（深水防波堤施工、使用）二、涌浪、长周期波特性研究----机理及特性涌浪、长周期波的定义波浪类型波浪周期风生浪2s-5s海浪4s-11s涌浪10s-25s长周期波30s-300s海啸600s-1h风暴潮0.5h-3h潮波12h25min涌浪、长周期波的特征规则波小低频难察特点三特点二特点一特点四涌浪具有较规则的外形，排列比较整齐波峰线较长接近正弦波的形状。涌浪的传播，频率大的波衰减得快，频率小的衰减得慢，低频支配涌浪的外观周期将不断增大。涌浪的波长比其波高大100~1000倍左右，预示台风来；或形成拍岸浪小振幅的涌浪传播超过2万公里时，衰减不明显，较大波陡的涌浪65%以上只能传播2800km就耗散了大部分能量。二、涌浪、长周期波特性研究----机理及特性涌浪的全球分布情况依据：ERA-40波浪数据为ECMWF根据1957年9月～2002年8月的大气和波浪数据计算的45年再分析波浪数据，并用于ECMWF的大气波浪耦合的预报系统，目前是较好的波浪数据。当全球平均风速全球Hs分布波高受风速影响大二、涌浪、长周期波特性研究----分布涌浪的全球分布情况引入涌浪特征参数：。明显出现涌浪特征的区域主要为印度洋、太平洋东部、大西洋东部，这3个区域特征值均小于0.15，在太平洋的赤道附近，由于U10较小，一般不超过5m/s，因此也出现了特征值小于0.15的情况。冬季大于夏季当全球冬季二、涌浪、长周期波特性研究----分布涌浪的全球分布情况将数据中涌浪特征系数小于0.15出现的频率作为涌浪的频率，得到的全球涌浪频率分布，对比了冬季和夏季的涌浪频率分布。从图中可以看出，印度洋东部、太平洋东部和大西洋东部均有部分区域超过40%的时间受涌浪影响。当涌浪频率分布冬季二、涌浪、长周期波特性研究----分布局部地区的涌浪分布情况我国沿海位于太平洋西部，涌浪特征并不十分突出，而且频率也较低；但我国在海外进行了多个工程项目，包括赤道几内亚、斯里兰卡、毛里塔利亚、委内瑞拉、智利等国家，涌浪出现频率较高，给工程建设带来了一定的困难。当涌浪频率分布冬季涌浪特征系数<0.15分布涌浪频率分布二、涌浪、长周期波特性研究----分布断面物理模型试验

（c）5-10t块石

（d）7-12t块石模型比尺：1：40模型比尺：1：36二、涌浪、长周期波特性研究----对结构物的影响随着波高增大，堤后透浪系数减小，随着波周期增加，堤后透浪系数增大。堤心抛填阶段垫层抛填阶段工程全部建成斜坡堤透浪试验二、涌浪、长周期波特性研究----对结构物的影响规则波H=4mT=10s规则波H=4mT=15s规则波H=4mT=20s规则波H=4mT=25s与规范理论公式计算结果比较：对于周期较短波浪，迎浪面波压力在静水位以下计算值与试验值基本一致，当波周期逐渐增加时，静水位以下的实测的波浪力小于计算值；

对于静水位以上部位，长周期波作用时实测值和计算值符合较好。对于沉箱结构的底部浮托力，在不同周期和波高组合下采用规范公式计算的结果均大于实测值。在长周期波浪作用下，直墙式结构受力符合动水压力受力分布规律，最大值一般均出现在静水位附近，周期一定时，随着波高的增加，底部浮托力增加趋势明显。直立堤波浪力试验结果二、涌浪、长周期波特性研究----对结构物的影响Contents一、研究背景及目的二、涌浪、长周期波特性研究三、工程船舶适应性研究四、结论与技术创新点三、工程船舶适应性研究----试验船型试验船型大型起重船（起重能力分别为1600t、2600t或4000t）大型打桩船（桩架高度在90m以上）大型抓斗式挖泥船（抓斗在18-30m3）大型方驳（8000吨级以上）1600t起重船4000t起重船桩架95m打桩船抓斗量25m3挖泥船计划研究船型实际试验船型4500m3/h绞吸式挖泥船耙吸式挖泥船√√√√√√√13000DWT定位驳总长(L/m)52.21船长(L/m)49.19型宽(B/m)23.6型深(D/m)4设计吃水(T/m)2.8排水量(D/t)2.351打桩船试验研究三、工程船舶适应性研究----打桩船试验试验水深15m锚泊方式见锚泊系缆图缆绳钢丝绳为6*37-Ф39*700m，钢丝绳弹性模量为：6x36WS+IWRC,68kN/mm2波浪条件波向90°横浪风浪条件(不规则波)Hs=0.5m，Tp=12s、14sHs=1.0m、1.2m，Tp=6s、9s涌浪条件（规则波）H=0.5m、1.0m、1.2m，T=4s~15s

试验条件0°浪90°浪三、工程船舶适应性研究----打桩船试验

改装前试验结果满足船舶运动量≤0.5m，摇角≤2°的波浪条件是：H=0.8m，Tp≤10s；H=1.0m，Tp≤8s。满足船舶运动量≤0.5m，摇角≤2°的波浪条件是：H=0.5m，Tp≤6s；规则波（90°浪）试验结果规则波（0°浪）试验结果三、工程船舶适应性研究----打桩船试验四点锚固方案介绍：方案原理：在船体四角沉入锚锭，并通过锚链与船体四角液压缸连接，施加预拉张力将船体整体固定，从而保证了打桩船稳定。

半漂式支腿方案介绍：方案原理：船体上布置四条定位桩腿，桩腿与船体之间设置液压缸，通过液压缸作用增加船舶的吃水，增强船体的稳定性。三、工程船舶适应性研究----打桩船试验四点锚固方案通过增加四根锚链的预张力，增加船舶的吃水，提高船舶的抗浪能力。四点锚固方案试验结果90°波浪作用下，通过施加锚链力增加船舶吃水的方法能够明显降低船舶的运动量。三、工程船舶适应性研究----打桩船试验测定船体在不同吃水深度时受到的波浪力，包括垂向浮托力和横向水平力。半漂式带支腿方案波浪力试验不同吃水条件下的浮托力（kN）水平力浮托力三、工程船舶适应性研究----打桩船试验1600T起重船试验研究总长(L/m)型宽(B/m)型深(D/m)吃水(T/m)98.037.07.23.80排水量(D/t)重心高度(VCG/m)初稳性高（GM/m）横摇周期（Tr/s）90667.8232.08.80三、工程船舶适应性研究----1600T起重船试验1600T起重船试验研究（2013年）风浪结果

涌浪结果

90°横浪作用横移量不超过1.0m，横摇角不超过2°：风浪：H13%≤1.5m、T≤5s或H13%≤1.2m、T≤6s涌浪：H≤1.2m、T≤8sH≤0.8m、18s≤T≤25s。三、工程船舶适应性研究----1600T起重船试验1600T起重船试验研究（2017年）风浪结果

涌浪结果

0°顺浪作用横移量不超过1.0m，横摇角不超过2°：风浪：H13%≤1.0m、T≤10sH13%≤1.5m、T≤8s涌浪：H≤1.0m、T≤15sH≤1.5m、T≤12s。相比90°横浪时，波浪条件明显改善很多。三、工程船舶适应性研究----1600T起重船试验1600T起重船改善试验原锚泊方式改善后锚泊方式增加锚缆绳预张力：由10t增加到30t试验结果：运动量有所减小，但满足作业波浪条件没有明显提高。改变船舶锚系方式：试验结果：风浪作用下船舶运动量略有减小，涌浪作用下改善效果不明显。建议：实际操船过程中可适度增大船舶预张力，以达到降低运动量和控制锚缆力之间的平衡，可适当增大船舶锚缆系统，增强船舶抗浪能力三、工程船舶适应性研究----1600T起重船试验4000T起重船试验研究4000T起重船特征参数

总长(L/m)型宽(B/m)型深(D/m)吃水(T/m)120.048.08.04.8排水量(D/t)重心高度(VCG/m)初稳性高（GM/m）横摇周期（Tr/s）264598.1237.09.5三、工程船舶适应性研究----4000T起重船试验

0°浪45°浪纵移纵摇纵摇纵移纵移纵移横移横移三、工程船舶适应性研究----4000T起重船试验4000T起重船试验研究0°浪作用下，满足运动量不超过1.0m，摇摆角不超过2°，则相应的波浪条件为：

风浪：H13%≤1.0m、T≤10s或H13%≤1.8m、T≤8s涌浪：H≤1.0m、T≤15s或H≤2.0m、T≤12s。在45°浪作用下，满足运动量不超过1.0m，摇摆角不超过2°，则相应波浪条件为：风浪：H13%≤1.0m、T≤10s；涌浪：H≤1.0m、T≤15s或H≤1.5m、T≤12s。三、工程船舶适应性研究----4000T起重船试验总长(m)型宽(m)型深(m)平均吃水(m)满载排水量(t)120.020.36.64.88320装机功率（kW）空船重量(t)绞刀直径（mm）钢桩直径（mm）钢桩长度（m）1720066932500180048三、工程船舶适应性研究----4500m3/h绞吸式挖泥船试验4500m3/h绞吸式挖泥船研究0°浪，不规则波作用下定位桩总力试验结果

0°浪，规则波作用下定位桩总力试验结果三、工程船舶适应性研究----4500m3/h绞吸式挖泥船试验定位桩总力试验结果试验结果在0°浪规则波作用下，比较明显是在波浪平均周期10s左右出现峰值。在T≥15s后，相同波高作用下，水平力逐渐减小。在H≤1.0m、T≥15s，定位桩水平力小于或接近200吨。在H=1.0m、T=10~25s的波浪作用下，船舶运动量均小于0.4m；横移缆力在200kN左右。在0°浪不规则波作用下，在Hs≤1.0m、T≤8s或者Hs≤2.0m、T≤6s时，定位桩的水平力小于或接近200吨。在Hs=1.0m、T=5~10s的波浪作用下，船舶运动量均小于0.3m；横移缆力也在200kN左右。三、工程船舶适应性研究----4500m3/h绞吸式挖泥船试验试验结果在90°浪规则波作用下，在H≤1.0m、10s≤T≤20s，定位桩水平力小于或接近200吨。三、工程船舶适应性研究----4500m3/h绞吸式挖泥船试验总长(m)型宽(m)型深(m)国际干舷吃水(m)挖泥干舷吃水(m)130.325.69.26.88.2泥舱（m3）空船重量(t)吃水6.8m的排水量（t）吃水8.2m的排水量（t）空船重心高（m）104007697.617889.221890.28.1三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验10400m3耙吸挖泥船试验

三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验航行阻力试验试验测试装置示意图航行阻力测试结果三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验水阻力与航速平方呈良好的线性关系（吃水6.8m）（吃水7.5m）（吃水8.2m）航行阻力测试结果三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验船舶拖曳阻力与傅汝德数之间的关系航行动态测试试验三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验说明：（1）船舶通过卡槽与引导钢丝连接，卡槽不限制船舶上下运动；（2）船舶通过高速台车牵引进行航行，台车同时牵引测量架，测量架通过滑轮与船艉相连，主要消除船舶航行中的惯性力；（3）船舶艏、中、艉各安装一个测针并调整好平衡，测针置于直制水槽中，通过测针在水槽中的波动反应船舶的升沉运动。试验测试装置示意图三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验航行动态测试结果三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验无航速条件船舶升沉量试验结果（船中位置，吃水8.2m）波浪条件波向0°波向30°波向150°波向180°正负正负正负正负Hs=2.0m，Tp=6s0.51-0.510.56-0.430.59-0.460.45-0.45Hs=2.5m，Tp=9s0.82-0.781.16-0.971.06-0.980.82-0.95Hs=3.0m，Tp=12s1.19-1.081.43-1.411.33-1.271.21-1.05不同船舶吃水下的升沉量变化航行动态测试结果三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验航速2kn航速3kn0°浪试验航速2kn航速3kn180°浪试验航行动态测试结果三、工程船舶适应性研究----10400m3耙吸挖泥船试验物模试验与数值计算结果对比抓斗量25m3挖泥船总长(m)型宽(m)型深(m)平均吃水(m)60234.52.5排水量(t)空船重量(t)生产量(m3/h)最大挖深(m)3350227880050三、工程船舶适应性研究----抓斗量25m3挖泥船试验

锚缆定位试验结果三、工程船舶适应性研究----抓斗量25m3挖泥船试验船舶纵移量随浪变化趋势船舶纵摇角随浪变化趋势

定位桩定位试验结果0°涌浪，定位桩总力三、工程船舶适应性研究----抓斗量25m3挖泥船试验0°风浪，定位桩总力总长(L/m)型宽(B/m)型深(D/m)115.732.27.0吃水(T/m)载重吨(DWT/t)排水量(D/t)5.01300016746三、工程船舶适应性研究----13000DWT定位驳试验13000DWT定位驳试验初缆力10T时，满足运动量不超过0.5m，摇摆角不超过1°，则相应的波浪条件为：

风浪：H13%≤1.0m、T≤8s或H13%≤1.5m、T≤5s；涌浪：H≤1.0m、T≤12s。三、工程船舶适应性研究----13000DWT定位驳试验0°浪试验试验结果初缆力10T时，满足运动量不超过0.5m，摇摆角不超过1°，则相应的波浪条件为：

风浪：H13%≤1.0m、T≤6s；涌浪：H≤1.0m、T≤12s。三、工程船舶适应性研究----13000DWT定位驳试验45°浪试验试验结果Contents一、研究背景及目的二、涌浪、长周期波特性研究三、工程船舶适应性研究四、结论与技术创新点四、技术创新点与结论四、结论与技术创新点结论（1）通过涌浪、长周期波特性专题研究得到：1）全球大洋基本为涌浪主导，太平洋海域以涌浪为主，大西洋海域常年存在涌浪，大洋东岸存在涌浪强化现象，印度洋涌浪随季节变化最为明显；2）涌浪及长周期波作用于堆石堤，堤后透浪系数随波高的增大而变小，随周期的增大而增大，在周期为15s～20s区间，透浪系数变化较缓，当周期逐渐增加至25s时，此时透浪系数明显加大；3）涌浪及长周期波作用于直立式结构物时，周期较短波浪，迎浪面波压力理论计算值与试验值基本一致，当周期逐渐增加时，静水位以下波浪力的实测值要小于计算值。四、结论与技术创新点结论（2）通过涌浪