0 引　言

平陆运河是新中国成立以来修建的第一条通江达海的运河工程，也是京杭大运河后一千多年来中国第一条运河。该工程位于广西壮族自治区境内，北起南宁横州市西津库区平塘江口，南至钦州灵山县陆屋镇，沿钦江入北部湾，全长134.2 km^{[1 - 2]}。在平陆运河大型内河建设项目中，不可避免地产生巨量的土石方^{[3 − 5]}，通过挖泥船与驳船相结合的疏浚作业方式面临着效率低下、环境干扰大^[6]与运输成本高等问题，严重影响了工程进度与施工成本。为此，开发了一种新型的航道疏浚物浮式输送装置，可以提高作业效率、减少环境影响并降低运输成本。

在河道疏浚与整治领域，众多学者围绕施工技术与方案优化展开了深入探索。汪建^[7]为解决传统挖泥船水下开挖作业带来的施工效率低、开挖质量难以保证、超挖欠挖现象频繁出现等缺点，模拟公路工程中常用的半幅施工技术，探究老河道疏浚拓宽时河道半幅施工的技术适用性与经济合理性。刘文勇^[8]综合分析对比了各种河道整治工程的开挖方式。王天凡等^[9]围绕某河道拓宽工程，采用一维数学模型对初步拟定的不同河道拓宽方案进行模拟，以分析河段拓宽对洪水位的影响。针对河道整治问题，刘飞民^[10]提出了环保型刀头绞吸式挖泥船开挖方案，解决了岸边结构物密集，施工布置困难的问题。郑伟^[11]结合新近滨海吹填超软基的地基处理方案，对工程范围内的河道形成方案进行研究，总结归纳出一种适用于新近滨海吹填超软基的河道地基处理方案及河道开挖工法。阳发祥^[12]对复杂环境下航道管槽开挖施工技术进行了研究，探讨在吹填施工中布设一条穿越航道的管线技术方案，以解决吹填施工问题。然而，这些研究多聚焦于一般河道工程，针对像平陆运河这类大型运河工程，其在建设中产生巨量土石方，现有技术难以有效应对。

本研究围绕平陆运河工程需求，针对传统疏浚作业的不足，设计出新型航道疏浚物浮式输送装置，通过数值模拟方法，利用有限元软件AQWA、MOSES建立分析模型，通过设定合理的边界条件和初始条件，对新型航道疏浚物浮式输送装置的系泊及稳性进行分析，确保其在实际操作中的稳定性与安全性，从而为内河疏浚作业提供一种更高效、环保且经济的解决方案。

1 数值模型描述 1.1 疏浚物浮式输送新型装置的结构参数

新型航道疏浚物浮式输送装置（以下简称“新型装置”）设计为一种多功能平台，旨在高效地输送疏浚物。该装置主要由浮箱、输送系统、系泊系统组成。浮箱采用高密度泡沫材料制造，以确保足够的浮力，同时减少自身重量。输送系统包括可调节角度的输送带，能够根据疏浚船的位置和作业需求灵活调整，实现疏浚物的高效输送。系泊系统设计用于在不同的水文和气象条件下保持装置的稳定位置，确保作业的连续性和安全性。

新型装置结构总长为60 m，结构型宽为1.8 m，由9个浮箱、钢料斗、输送带、钢桁架组成，9 个浮箱分为4 个类型，浮箱1尺寸为6 m×6 m×1 m（宽×长×高、下同），浮箱2、4、6、8的尺寸为3 m×4 m×1 m，浮箱3、5、7的尺寸为2 m×3 m×1 m，浮箱9尺寸为2 m×6 m×1 m，浮箱各间距依次为9.44、6.3、6.3、6.3、6.3、6.3、6.3、6.3 m，皮带机和钢桁架安装在所有浮箱上，浮箱1设有钢料斗，输送带的速度为1.5 m/s。

新型装置下方9个浮箱采用B150 mm×150 mm×5 mm方钢作为立柱，浮箱通过尺寸为L63 mm×63 mm×6 mm的角钢连接，上部有滚轮及输送带，浮体之间由L63 mm×63 mm×6 mm的角钢连接，航道疏浚物浮式输送新型装置结构如图1所示。

1.2 计算工况及环境载荷

由于航道疏浚物浮式输送新型装置的长宽比达到33.3，且新型装置垂直于河岸布置，因此本研究只校核横向90°（风浪流均沿Y轴负向作用）的稳性和系泊性能。

1）计算工况

为确保航道疏浚物浮式输送新型装置安全可靠性，按4种工况对装置系泊系统与稳性进行分析如图2所示。

工况1　石料在输送装置上均匀分布；

工况2　由于现场施工挖泥船每工作一个节拍的时间为30 s，且挖斗每次挖出石料的重量约为2.5 t，皮带机的转速为1.5 m/s，因此间隔45 m施加2个2.5 t的石料载荷；

工况3　考虑新型装置极限运行情况，因此在输送装置上等间距施加了3个2.5t的石料载荷；

工况4　自存工况，即输送装置空载工况。每种工况的具体施加载荷以及每种载荷对应的动载荷系数如表1所示。

除工况4外每种工况又分为2种分布方式，即石料均匀分布和石料偏向一侧的偏心分布，石料在输送带上的分布方式如图3所示。石料偏向Y轴负向时比石料偏向正向所受到的风浪流影响更大，仅考虑较危险工况即石料偏向Y轴负向。故共有7种工况，环境条件相同，石料重量分布存在差异。

根据不同工况的运载能力，可得出如下各工况重量重心表（坐标原点位置见图1，XOY面位于浮箱底部）。

2）风载荷

本研究使用NDP风谱，其计算公式如下：

海面上z米处的1 h平均风速为：

$ {U}_{z}={U}_{10}\left[1+C\mathrm{ln}\left(\frac{{z}}{10}\right)\right] ,$

(1)

$ C = 0.0573\sqrt {1 + 0.15{U_{10}}} 。$

(2)

式中：U_z为海平面以上1 h的平均风速；U₁₀为海平面以上10 m处的1 h平均风速^[13]。

风力载荷系数根据公式计算出：

$ F_X^{'} = 0.5\rho {C_{\text{d}}}A\cos \beta，$

(3)

$ F_Y^{'} = 0.5\rho {C_{\text{d}}}A\sin \beta。$

(4)

式中：ρ为空气密度；C_d为风力系数；A为迎风面积；β迎风面积与风向相对角度。空载（设备自身）计算风速为32 m/s；其他工况计算风速为13.8 m/s。

3）流载荷

当只考虑海流作用时，作用在浮体水下部分的构件的水流载荷按下式^[13]：

$ F = 0.5{C_D}\rho {V^2}A。$

(5)

式中：ρ为水的密度；C_D为曳力系数；A为构件在与流速垂直平面上投影面积；V为实际的水流速度。装置应用场景在平陆运河围堰区，该区域水流速较小，取1 m/s^{[14 - 15]}。

4）波浪载荷

由于工况环境为运河，所以可不考虑波浪。但在实际的挖泥船施工过程中，通过施工方提供的现场施工监测数据，可考虑挖泥船引起的涌浪波高为0.25 m，周期为1.5 s。波浪采用规则波中的Airy波理论。

对于Airy波，其波面表达式为：

$ \eta ({x}\text{，}{y}\text{，}{t})=0.5H\mathrm{cos}(\omega {t}-{kx})。$

(6)

式中：H为波高；ω为波浪圆频率；k为波数^[13]。

波浪载荷计算公式可视为：

$ F = 0.5\rho {\text{g}}{A^2}{\cos ^2}\beta。$

(7)

式中：A为波幅；β为规则波入射角；ρ为水的密度；g为重力加速度。

1.3 计算模型建立

为了对新型航道疏浚物浮式输送装置的系泊及稳性进行深入分析，利用AQWA和MOSES软件进行数值模拟。

首先根据新型装置的实际设计参数，精确构建了三维几何模型。模型包括浮体、系泊系统等关键部件，确保模型的几何特征与实际装置一致。根据重量与排水量之间的关系计算各工况的吃水，吃水位置设为水线，分割模型；系泊分析中坐标原点位于1号浮箱尾端中点处，Z轴以浮箱吃水处为起点，X轴向艏为正，Y轴向右舷为正，如图4所示。为了提高模拟的效率和精度，设置最大网格尺寸0.5 m，对模型进行网格划分，如图5所示。新型装置在不同工况下的重量重心如表2所示。

在稳性计算中浮体上部结构对稳性影响较小，将上部结构简化后再建模，利用MOSES建立的分析模型。考虑系泊分析的坐标系的Y轴向右舷为正，不方便稳性计算，改为坐标原点位于1号浮箱尾端中点处，Z轴以浮箱底面为起点，X轴向艏为负，Y轴向左舷为正。

2 稳性分析

对于新型航道疏浚物浮式输送装置，稳性分析至关重要，以确保其在作业过程中的安全性和稳定性。通过MOSES软件建立模型，定义波浪、流、风等环境载荷，并计算浮体在不同倾斜角度下的浮力中心和重心位置，通过静水力计算模块与稳性计算模块，进而得到静水力计算结果以及静稳性曲线，如图6、图7所示，静水力计算表详见表3。

由图6可看出，新型装置的纵稳心半径较大，而横稳心半径较小，说明该装置抵抗纵摇的能力较强，抵抗横摇的能力较弱，且随吃水的增加，装置的稳定性越弱。图7中面积比是指在某横倾角下，复原力臂与轴线围成的面积和风倾力臂与轴线围成的面积比值。稳性衡准数K是对浮体稳性的重要基本要求之一，等于复原力矩（力臂）与风倾力矩（力臂）的比值。

由于浮箱是全封闭的，所以并无进水口，稳性曲线的衡准数K是按照进水口对应倾斜角度和静稳性曲线和风倾曲线的第二交点对应角度取其小者进行校核^[16]。因此本文中的稳性衡准数K取图7中复原力臂与风倾力臂的第二交点处对应横倾角的面积比。此外本计算模型长宽比非常大，所以只校核横向90°（风向沿Y轴负方向作用）的完整稳性，稳性计算结果详见表4。

GM为初稳性高，根据船舶静力学的规定，初稳性高应不小于0.15 m，GM过低会导致稳性不足，可能引发倾覆。对于最大复原力臂应不小于0.2 m，稳性衡准数应大于1。新型输送装置的重心高低直接影响初稳心高 GM，对比表2与表4不难发现，随着装置重心降低，初稳心高 GM 会增大，工况4初稳心高 GM值最大，为6.03 m；各工况的稳性衡准数 K 均大于1，满足不小于1的要求。其中工况1（偏心）状态下的K值为5.16，在所有工况中相对较高；工况4（空载）的K值为1.4，在所有工况中相对较低，但依然满足要求；所有工况下的最大复原力臂l_q均不小于0.2 m，满足规定要求，工况2（偏心）状态下l_q值为0.537 m，在所有工况中相对较高，工况1（正常）状态下l_q值为0.349 m，相对较低。从由表4整体数据来看，不同工况以及同一工况下正常和偏心状态对吃水、稳性衡准数、初稳心高和最大复原力臂都有一定影响，但在所有工况下新型输送装置的稳性都处于安全可靠范围内。

3 系泊分析

新型航道疏浚物浮式输送装置的系泊系统设计旨在确保装置在各种工况下的稳定性和安全性^[17]。系泊系统由8根φ17.5 mm的钢丝绳组成（破断力为185.71 kN），每根缆绳的一端固定在浮体上，另一端固定在河岸或挖泥船预设的锚点上。缆绳的布局根据装置的尺寸和预期作业环境进行优化设计，最终布置如图8所示。

通过模拟，计算每根缆绳在不同工况下的拉力，以及新型装置的运动情况，并分析其变化趋势。通过时域分析得出的各个参数数据，经过整理后，得出各个工况最大位移、横摇角及缆绳张力如图9所示。

由于本计算模型长宽比非常大，所以只重点关注其横摇、横荡及纵荡，图中位移及横摇角均为取绝对值。对于浮式结构的允许偏移量，按照国际海事组织（IMO）中的建议，在作业工况下浮式结构的水平偏移量通常不应超过水深的5%，横摇角度一般不超过10°。该浮式设施作业水深6.5 m，最大水平偏移量不应超过0.33 m。新型装置的横向位移（Y方向）最危险工况为工况2（偏心），最大位移0.23 m，纵向位移（X方向）最危险工况为工况2（正常），最大位移0.31 m，垂向（Z方向）最大位移变化不大，在0.09～0.11 m之间。在系泊情况下，横摇角度最大为工况1（偏心），最大横摇角度为2.59°。以上参数指标均满足要求。

由于没有关于内河浮动设施系泊的相关规定，本文遵循《海上浮动设施入级规范》中有关系泊缆绳安全系数的规定^[18]，以及《带缆桩》（GB/T 554-2008）中对于带缆桩的相关规定^[19]，对缆绳及带缆桩进行校核。如图9(a)所示，缆绳最大张力约为70.2 kN，按照《海上浮动设施入级规范》规定动态作业工况缆绳的安全系数选取2.25，已知系泊钢丝绳破断力为185.71 kN，此时对应的安全系数为2.65，满足规范要求；根据施工现场挖泥船上的带缆桩尺寸，确定挖泥船带缆桩的安全工作载荷为105 kN，已知与挖泥船连接的缆绳最大张力为70.2 kN，此时安全系数为1.5，满足要求。

4 结　语

通过对航道疏浚物浮式输送新型装置的稳性及系泊的分析，得出以下结论：

1）由稳性计算结果可知，本浮式输送装置的稳性衡准数K>1，初稳性高GM>0.15，各工况下横向完整稳态计算结果均有一定安全余量。这表明该浮式装置的完整稳性满足要求。

2）对于浮式结构的允许偏移量，按照IMO建议，在作业工况下浮式结构的水平偏移量通常不应超过水深的5%，横摇角度一般不超过10°。该浮式设施作业水深为6.5 m，最大水平偏移量不超过0.33 m。对于结构在风浪流作用下的运动量，其中横向最大位移为0.23 m，纵向最大位移为0.31 m，垂向最大位移为0.11 m，最大横摇角度为2.59°，均满足要求。

3）对于缆绳张力的计算，缆绳张力最大值为70.2 kN，按照《海上浮动设施入级规范》规定动态作业工况缆绳的安全系数选取2.25，故缆绳破断力不得低于158 kN。该装置系泊使用直径17.5 mm的钢丝绳，破断力为185.71 kN，此时安全系数为2.65。满足规范要求。

4）对于带缆桩的安全计算，根据《带缆桩》（GB/T 554-2008）以及施工现场挖泥船上的带缆桩尺寸，确定挖泥船带缆桩的安全工作载荷为105 kN，已知与挖泥船连接的缆绳最大张力为70.2 kN，此时安全系数为1.5，满足要求。