超大型船舶推进引擎致流对固壁式码头的抗冲刷设计

GXF360 2019-09-13

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引言

在极端工况下，船舶推进器产生的高速流场对固壁式码头结构墙体、护底块石等造成严重不利影响，主要失效模式包括：造成港池变深、航道变宽，引起前墙底部挡土逐渐流失，导致直立式码头墙前趾部被动土压力损失或踢脚不稳定，进而导致码头结构发生前倾或转动，或者码头结构整体失效。

国内现行防波堤设计与施工规范中有水流作用对堤前海底冲刷设计[1]，但缺少船舶推进器致流对码头结构的影响的量化分析方法。然而大型船舶主、侧推进引擎的功率越来越大，产生的水流分布影响也日益严重。因此，超大型集装箱船、大型邮轮码头设计工作亟需相应的实用抗冲刷设计方法。

本文通过分析PIANC[2-3]和Rock Manual[4]推荐的设计方法，并应用于多个海外实际工程设计，特别侧重探讨超大型船舶靠离泊时主、侧推进引擎产生的水流分布及其对固壁式码头结构的影响作用，总结了相应的抗冲刷设计流程和方法。

1 船舶推进引擎致流的流速分布

1.1 推进器类型

根据推进器构造不同，常见的船舶推进引擎主要包括固定式螺旋桨、可控式螺旋桨、反旋式螺旋桨、管道式螺旋桨、侧推进器和方位角螺旋桨等。螺旋桨按照桨叶多少，螺旋桨有2、3或4个桨叶，甚至更多。一般桨叶数目越多，输出功率越大。

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以Maersk Mv-Kinney Møller集装箱船（18 270 TEU）为例，船长399 m，型宽59 m，船艉设置2×29 680 kW固定式螺旋桨，船艏设置2×2 500 kW侧推器。再以Oasis of the Sea邮轮（224 746 GT）为例，船长361.9 m，型宽47 m（最大型宽60.5 m），船艉设置3×18 860 kW和3×13 860 kW的主推进引擎和3×20 000 kW方位角螺旋桨，船艏设置4×5 500 kW侧推器。

1.2 推进器致流分布

一般地，由推进系统产生的射流流场分布与孔口自由射流基本类似。自由射流的定义是水从孔口流出，而不会受到侧向边界或壁面对其扩展的干扰。因此，船舶引擎射流的计算方法都是基于Albertson提出的孔口射流理论[3]提出的。

孔口射流理论认为，推进器的射流能够考虑为一个水下的喷嘴从出口向无限水体中自由喷射的过程，然后建立出口流场控制方程为：

式中：Vx,y为流场质点的流速；Vaxis为孔口轴线质点的流速；D为孔口出流直径；x为在孔口轴线方向上流场计算点至孔口中心距离；r为在孔口轴线垂直方向上流场质点至孔口轴线的距离。另外，C是孔口射流参数，Albertson（1950）等[3]研究确定了系数C的值为0.081。

根据上述公式，孔口射流理论认为轴线周围的流场速度分布服从高斯分布，且可以预测流动形成区内任一质点的流速。需要注意的是，在离水流出口较近的区域，由于水流流态还没有形成，上述公式不适用。当螺旋桨射流的旋转和涡流（湍流度较高时产生）存在时，会导致水流形成区的长度缩短。

2 抗冲刷设计流程与方法

2.1 设计假定

船舶在主航道航行时，由于距离码头较远，船行波对码头影响较小。但在靠离泊时，由于航行速度一般相对较低，船舶的操纵不再与正常航行时一样可依赖于船舵掌控，往往需要船艏侧推引擎或者拖轮的协助。因此，抗冲刷设计需要考虑针对船舶主、侧推引擎和拖轮引擎致流。根据PIANC Working Group No. 180 Guidelines for the Protecting Berthing Structures from Scour Caused by Ships (2015)[3]推荐假定如下：

1）主推进引擎功率采用5 %～15 %的装机功率，但不排除采用35 %（难靠泊时，“half ahead”操控状态），取决于靠泊条件、船型；

2）侧向推进引擎总是采用100 %的装机功率，当侧推引擎装机功率特别高时，根据具体情况允许降低实际使用功率；

非物质文化遗产是我国传统优秀文化的代表，是真正属于我们“自己”的文化。正因为此，我国对于非物质文化遗产的保护、传承与文化交流越来越重视；在各级政府与社会的帮助下，对非物质文化遗产的保护、传承与文化交流已发展到利用更为先进的理念、技术与手段来实现[1]。南通蓝印花布作为国家首批非物质文化遗产之一，其数字化建设仅仅处于起步阶段。因此，以蓝印花布数字化图像为研究对象，以数字化技术为核心，利用传统的关系型数据库，努力探索一条通过关系型数据库来架设图像数据库，从而实现蓝印花布数字化图像的存储与管理就显得势在必行。

3）拖轮一律采用100 %装机功率。

2.2 抗冲刷设计流程

根据大型或超大型船舶推进引擎致流对固壁式码头结构的失效模式分析，主要抗冲刷目标是，保护码头结构前的基床及其范围，避免受到水流的侵蚀，保护码头结构踢脚稳定和整体稳定。设计流程如图1。

图1 设计流程

1）确定推进引擎的功率，如果没有可用的信息，可以参考船舶尺寸，利用集装箱船舶的宽度和装机功率和螺旋桨的直径与该船舶的宽度之间存在函数关系估计相应的主、侧推进器的输出功率；

在延续旧建筑风格时，需要确保建筑设施的使用功能不会受到影响，保障建筑设施自身的防水及防潮等性能。在设计中，使用各种新材料、新技术保证建筑功能的实现。满足功能的前提下兼具经济、美观。

2）确定靠泊结构物的型式和状态，其中码头型式主要包括固壁式和开敞式，码头结构状态是指既有码头升级或新建结构物；

3）根据步骤1～2，决定采用相应的计算方法得到计算位置质点流速，可以采用成熟的德国计算法或荷兰计算法；

4）根据设计流速进行结构抗冲刷设计，并确定保护范围。

以满堂式布置固壁式码头工程为例，设计船型为3E集装箱船（载箱量为16 000 TEU），码头结构采用重力式混凝土方块结构，然后进行基床护底块石设计。设计流速可以根据德国方法或荷兰计算方法进行估计。

宝玉爹喜欢坐一把木质靠背椅，这椅子很沉，墨黑墨黑的，后面的靠背呈弧形，上面雕了花，还有兽物什么的，据说是他祖上留下来的，人称太师椅。可惜的是，文化大革命的时候，一夜间当上了“全无敌”战斗兵团司令的二狗伢，说那是四旧，封、资、修，派了两个打手，强行将椅子抢走，砸烂，烧了，那是后话。

2.3 抗冲刷设计方法

1）船舶推进系统功率估计

为进一步规范政府行为，净化政府采购市场，严厉查处和打击一批规避招标、限制竞争、围标中标等违法违规违纪行为，根据统一部署，江西省石城县财政局开展了政府采购领域违法违规违纪行为专项检查行动。

大型集装箱船往往需要同时设置主推进器和侧向推进器系统。但由于竞争市场下船公司一般不愿意透露船型的详细资料，设计人员往往很难掌握设计设计所需的推进器资料。根据德国、荷兰港口集装箱船舶统计资料，集装箱船的主推进引擎、侧向推进引擎功率、推进器直径与船舶宽度的统计关系，建议如下：

式中，B为船舶型宽。另外，侧向推进器的水流出口与码头前沿线的距离x=0.5B。

以16 000 TEU的集装箱船为例，已知船长为396 m，船宽54 m。根据上述相关公式，主推进器的功率Pmain=2 800×54-60 000=91 200 kW，直径Dmain=0.15×54+1.2=9.3 m；侧向推进引擎Pthruster=87.5×54-1 350=3 375 kW，直径Dthruster= 0.05×54+0.5=3.2 m；船艏侧向推进器的水流出口与码头前沿线的距离x=0.5×54=27 m。

2）侧推进系统的射流速度

侧推进系统是用于提升大型船舶自身航行和进出港的灵活性的重要动力设施。基于Albertson提出的孔口射流理论，认为推进器的射流能为一个水下的喷嘴从出口向无限水体中自由喷射的过程，根据Albertson公式，推导出推进器的流场速度：

式中：C3为系数，管道（函道）式螺旋桨取1.17，开放式螺旋桨取1.48；PD为最大装机功率；fp为装机功率百分比；DP为推进器的直径；ρw为海水重度。

以16 000 TEU的集装箱船为例，侧向推进引擎Pthruster=3 375 kW，直径Dthruster=3.2 m；侧向推进引擎装机功率百分比fp=1；海水重度ρw=1 025 kg/m3，采用管道式螺旋桨，侧向推进器流场出口速度V0高达7.86 m/s。

根据横向推进器荷兰方法，侧推进器推荐的护底流速计算公式为：

式中：L为水流出口至直墙距离；Dthruster为侧推进器的直径；hthruster为侧推器出流口至海床的距离。

以16 000 TEU的集装箱船为例，侧向推进器流场出口速度为V0=7.86 m/s，流出口与码头前沿线的距离L=27 m，直径Dthruster=3.2 m，假定流出口距海床底h=6 m，则αL=0.6，Vbottom=2.13 m/s。

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3）主推进系统的射流速度

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依然根据Albertson公式，以16 000 TEU集装箱船为例，主推进器的功率Pmain=2 800×54-60 000=91 200 kW，直径Dmain=0.15×54+1.2=9.3 m；主推进引擎装机功率百分比fp=1.15；水重度ρw=1 025 kg/m3，开放式自由螺旋桨C3=1.48，则主推进器流场出口速度为V0=7.81 m/s。

针对不同推进器系统，荷兰计算方法推荐的主推进器的流速计算公式如下：

沿轴线的流体速度：

流体速度分布：

轨系数最大值为2.44，超过限值1.0的最大作用时间为18 ms，而弹性轮的脱轨系数最大值为1.73，超过限值1.0的最大作用时间为14 ms。相比于刚性轮，弹性轮的脱轨系数最大值降低29.10%，超过限值的作用时间降低22.22%。直线轨道上，刚性轮和弹性轮的脱轨系数都没有超过限值，弹性轮的脱轨系数最大值为0.26，略小于刚性轮的0.29。

根据上述公式，将螺旋桨到床底的距离代替r值，可得到床底的流速。根据方程的特殊性，床层的最大流速可以在螺旋桨轴线下方，并且在离开轴线方向，流速也缓慢减小。

此外，荷兰方法推荐采用的最大海床层流流速的简化公式计算为：

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以16 000 TEU集装箱船为例，侧向推进器流场速度为V0=7.81 m/s，直径Dthruster=9.3 m，假定流出口距海床底h=9 m，Vbottom=2.42 m/s。

湖北倍丰农资有限公司的唐杰也表示，近几年农民种地收益极低，以至于很多农民转型搞起了小龙虾的养殖，传统复合肥的需求量正在逐年降低。据唐杰介绍，公司现有复合肥库存1000吨左右，已经把政策报给了下游客户，但是下游观望情绪浓厚，不愿意打款，只有极少的客户打来了一小部分预付款。他说：“考虑到传统复合肥的生产成本过高，市场也正在逐渐缩小，在消纳掉现有库存以后，将有可能采取随进随销的方式，而不会再大量备货。”当记者问及对今年冬储价格的预测时，唐杰表示：“预计会比去年冬储的报价上涨300元/吨左右。”

4）基床底保护设计

根据计算的设计流速，然后进行基床护底设计。护面块石层应满足下列要求：能足够抵抗水力作用；满足倒滤防护要求。荷兰方法使用Pilarczyk提出的块石稳定性方程来估计块石的设计要求。

对于岩石，根据Pilarczyk公式[3-4]建议如下：

式中：△为相对密度，△=ρr/ρw -1；D为特征尺寸/厚度，Dn是岩石的厚度；g为重力加速度；V为垂直平均速度；φ为稳定系数；Ψcr为临界Shields系数；Ksl为坡度系数；Kt为湍流系数；Kh为深度系数/速度分布因素。

Pilarczyk公式可用于岩石以及混凝土块、块垫和石笼。但需要说明的是，对于船舶推进器产生水流作用对块石抗冲刷设计参数的影响仍有待实验验证。实际工程中，应采取适当的判断，确保块石防护的设计安全。对于岩石以外的防护系统，建议从公式中获得的保护厚度，尚应根据适当的试验或历史案例进行确认，以确保安全设计。

此外，块石相对密度参数△m和名义粒径Dn可按下面公式计算：

树脂预处理：AB-8大孔树脂先用无水乙醇浸泡24 h，充分溶胀，然后用无水乙醇冲洗至无白色浑浊现象为止，最后用蒸馏水洗至无醇，再抽滤吸干树脂中水分。

对于石块：D=Dn50=（M50/ρs）1/3或者 Dn50≌0.84D50，△=△m=ρm/ρw-1；

对于放置块和块垫：Dn=D=块石厚度，△m=△；

3.中国新诗“三美”特点多文本阅读分析。以高中必修教材中的《死水》《再别康桥》《雨巷》为主要文本，并搜集如《沙扬娜拉》等新诗，研究新诗“建筑美”“音乐美”“绘画美”特征。

对于石笼和垫块层：Dn=d（垫层厚度），△m=（1-n）△。

填充石块的尺寸Dn可以通过计算得到，垫块的最小厚度为d=1.8Dn。其中，Dn为当量直径；D50为质量分布占50 %颗粒的直径；D为防护系统的厚度；△m为防护系统的相对密度；M50为质量分布中占比50 %的值；ρs为岩石的密度；ρ为水的密度；n为石块的孔隙度，大约为0.4。

3 工程案例

阿布扎比哈里发港二期项目位于阿联酋阿布扎比的奥塔维拉（Al Taweelah），年设计吞吐量为250万TEU/a。二期工程码头岸线长1 200 m，其中800 m岸线为一期已建，采用直立式方块结构，设计最大船型为载重量为180 000 DWT的New Panamax集装箱船，最小船型为载重吨位3 500 DWT的Panamax集装箱船。

由于设计船舶大型化，二期设计船型升级为3E级集装箱船“中海环球”号，载箱量19 100 TEU。码头结构形式为固壁式方块码头，前沿护底块石应进行设计船型的抗冲刷设计。采用荷兰方法复核，经计算，护底块石应大于286 kg。因此，码头结构护底块石实际采用300～1 000 kg级配良好的块石，可以满足抗引擎致流冲刷作用。

针对垃圾的产生量它跟当地的人均消费水平、人均收入、人均零售额以及GDP等有关[6]。因此，在考虑其游客、管理人员和常住居民的日人均垃圾产量时，可根据以上相关因素进行衡量给出。在景区中设置回收点时，考虑所产生垃圾量能被完全清理，所以垃圾产生量与回收点数目成正相关性[7]。