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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[4]基于弹性悬链线理论的斜坡式码头趸船系留设施受力计算方法[J]. 水运工程, 2014(1):70-75.
论文作者:罗晨
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
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