船舶冰区锚泊的受力分析

摘 要：在冰情严重的年份，海冰对锚泊船舶的威胁不可小视，但对其危害的研究主要集中在经验方法。本文引用海冰对海上结构物的静冰力公式，综合流、风对船舶的影响，计算冰区锚泊船舶所受的外力。在外力的作用下，假设在任何情况下锚均能发挥其最大的抓力，计算船舶的最小出链长度，判断船舶锚泊是否安全，为船舶驾驶员提供量化的决策依据。

关键词：冰区受力分析安全锚泊

1. 前言

2010年初，我国北方海域出现了40多年来历史同期最严重的冰冻灾害，致使部分港口完全封港，对水上交通运输和港口安全生产造成了严重影响。根据海冰所造成的灾害，可把海冰的危害归纳如下七种形式：封锁港口、航道；堵塞舰船海底门；使锚泊舰船走锚；挤压损坏舰船；破坏海洋工程建筑物及各种海上设施；使渔民休渔；船舶积冰。其中，对锚泊船舶的主要影响是造成船舶走锚。1月1日至1月26日，仅在天津港船舶交通管理系统监控水域内，就因冰情发生船舶走锚212艘次。如果没有充分了解冰区情况，在流、风、冰的作用下，冰区锚泊的船舶容易发生断链、走锚等情况，造成搁浅、碰撞等严重的海上事故。

目前，对冰区安全锚泊的研究主要停留在经验方法，例如：某船（载重量19796吨）在冰厚l0cm以内的海域抛6节锚链就能稳住锚位；冰厚在15～20cm时船舶稳不住锚位，而调整锚链到4节；冰厚在20～30cm船舶出锚链2节；冰厚大于30cm出1节锚链或起锚漂航。由于缺乏量化计算，经验方法在实际应用时，存在较大的不足：对于不同的海冰、船舶类型、天气情况，经验方法并不适用。因此，经验方法存在较大的局限性，并不具备普遍的指导意义。

2. 海冰概述

海冰与海上结构物的相互作用，涉及到海冰的物理、力学性质以及其与海上结构物相互作用的机制等。因此，要计算海冰对结构物作用力，就必须了解海冰的物理和力学性质。

海冰形成的物理过程比较复杂：寒潮天气使海面气温下降，大风搅拌，海面散失热量，海水冷却，海温降低，当海水盐度低于24.695时，海水的结冰过程与淡水相同，表层海水达到冰点即开始结冰，一般为靠近河口的海域发生这种情况；盐度大于24.695的海水，温度接近冰点时，密度会加大，从而下沉，下层温度较高的水则上涌，这种过程反复进行，直到整个下沉上升水层密度达到均一、稳定时才停止，并开始结冰，整个结冰过程较为缓慢。初生冰在适宜的条件下继续成长，最后形成冰层。

分析海冰的物理性质是研究其力学性质的基础。它的物理性质主要有：海冰的盐度和温度。海冰的盐度是指其融化后海水的盐度，一般为3～7左右，主要与海水结冰速度、结冰前海水的盐度及冰龄有关。海冰的下部主要受海水温度的影响，相对稳定在-1.3以下，而海冰的上部受气温的影响较大。

海冰力学性质是研究海冰与海上结构物相互作用的基础。海冰力学性质主要有：抗压强度、剪切强度、弯曲强度等。海冰的抗压、弯曲、剪切强度与海冰的盐度、温度和冰龄均有密切的关系。

海冰对海上垂直结构物的主要失效方式主要有三类：挤压、弯曲和屈曲。当冰排与窄细的垂直结构物作用时，海冰的失效方式为挤压破碎。对于纵横比(结构物直径与海冰厚度的比值)小于5的海上结构物来说，海冰通常以挤压的方式破碎。挤压破碎是最常见和对结构物的作用最严重的一种失效方式。当冰排与斜面结构物作用时，冰的失效方式为弯曲破坏,海冰对结构物的作用力较小。对于纵横比大于20的结构物，冰排作用于海上结构物，海冰破碎后会在结构物前形成碎冰堆积，这时冰的失效方式为屈曲破坏。当运动着的冰排遇到锚泊船舶时，由于渤海的冰厚较小，船舶的纵横比一般大于20，海冰的破坏方式适用于屈曲破坏。

3. 冰区锚泊船舶的受力计算

当船舶在冰区锚泊时，在风、流、波浪、冰的作用下，船舶所受的外力有：风压力；流压力；波浪作用力；冰压力；锚链和锚的抓力。当锚和锚链的抓力或强度小于外力时，会导致船舶走锚或锚链断裂。在上述外力的作用下，船舶发生漂移，可能会造成搁浅、碰撞、触礁等严重海上事故。因此，有必要对船舶在锚泊状态时的受力进行计算，为船舶驾驶员的决策提供依据。在冰区，波浪会明显减弱，波浪作用力较小，本文忽略其对船舶的影响。

3.1 风压力的计算

船舶的风压力是船体水线以上部分所受的空气压力。风压力的计算引用Hughes的试验式:

式中：―风压力(kg)；―空气密度系数(0.125)；―相对风速(m/s)；―水线以上船体的正面投影面积(m2)；―水线以上船体的侧面投影面积(m2)；―相对风向(°)；cra―风压系数，由以下公式估算：

3.2 流压力的计算

流压力主要由船体表面与水流之间的摩擦力产生的，其作用力采用公式计算：

式中：k―系数（0.156m/s）；V―流速（m/s）；S―船舶浸水面积(m2)，其估算式如下：

式中：m3―排水体积（m3）；―水线长（m）；―船宽（m）；―吃水（m）；―方形系数。

3.3 海冰压力的计算

渤海海区的海冰均为一年冰，而且平整冰的冰厚较小，例如：鲅鱼圈，50年重现期冰厚为53cm。对于一般的船舶来说，其纵横比大于20，海冰的破坏方式适用于屈曲破坏，冰压力可由下式计算：

式中：Ri―水平方向的冰压力(N)；―海水密度(kg/m3) ；―海冰与结构物接触面的投影宽度(m)；

―海冰的特征长度，可由以下公式求得：

式中：―冰的弹性模量；―海冰厚度（m）;―泊松比，可由以下公式求得：

式中：―海冰的平均温度（℃）。

为冰的弹性模量，可由以下公式求得：

式中：―平整冰盐水体积，可由以下公式求得[3]：

式中：―平整冰温度(℃)；―平整冰的盐度，由以下公式求得，其中，为海冰的厚度（cm）：

4. 船舶的出链长度

船舶锚泊后，在重力的作用下，在海底与锚链筒之间的锚链形成悬链线。为了保证任何情况下锚都能发挥其最大抓力，锚链的出链长度应大于卧底链长与悬垂链长之和，因此，可以计算船舶在外力作用下的最小出链长度。为锚链在水平方向所受的外力，为风、流、冰压力之和，可由下列公式求得：

式中：、 、 分别由式（1）、（3）、（5）求得。

锚抓力的大小主要取决于锚型、锚重、抛锚方法、水深、底质和水底地形等因素。锚的抓力与链的抓力之和。锚泊船舶在外力的作用下产生锚泊力以抵御外力，在数值上为锚的抓力和锚链对海底的抓力之和，主要与锚的重量、类型和锚链的出链长度、重量以及锚泊所在地的底质、地形、水深有关，锚泊力由下列公式求得：

式中：和―分别是锚的抓力系数和锚链的抓力系数（取值为0.75-1.5）；―锚在海水中的重量(kg/m)；

―单位长度锚链在海水中的重量(kg/m)；―锚链的卧底长度(m)。

锚链在外力作用下的悬垂长度（m）为：

式中：―锚链孔到海底的垂直高度(m)；

则船舶在外力作用下的最小出链长度（m）为：

由式（12）、（13）、（14）式可知，如果外力已知，就可以求出船舶为抵御外力所需的最小出链长度。如果外力增大，出链长度一定时，由式（13）可知：悬垂长度增大，卧底链长将相应减小，从而锚链的抓力也会随之减小。当锚泊力小于外力时，船舶就会发生走锚。如果存在一定长度的卧底锚链，锚干平卧在海底上，锚爪有适宜的入土角度，锚就有可能产生较大的抓力。否则，锚的抓力将会大幅减小。研究表明，当船舶走锚时，霍尔锚的抓力系数将由3-5降低至0.75-1.5左右。因此，根据锚泊海域的情况，合理安排船舶的出链长度，以保持必要的卧底链长，保证锚泊船舶的安全。

5. 实例计算

中国渤海黄骅港锚地的一组海冰参数如下（冰厚/冰温（cm/℃））：3.0/-4.4；4.1/-4.5；4.8/-4.2；6.1/-3.8；8.7/-2.8；9.8/-2.8。分别选取万吨级和三千吨级船舶作为计算对象，计算在不同风、流、冰的情况下的最小出链长度，其中万吨级船舶的资料：船舶尺度L=118.35m，B=19.4m，d=7.9m，锚地水深为15m,锚地流速为1kn，风力6级，底质良好，锚抓力系数取3.5，锚链抓力系数取1，满载抛锚；三千吨级船舶的资料：船舶尺度L=76m,B=72m,d=4.98m。

通过计算，万吨级船舶的出链情况为：4.8cm海冰的最小出链长度3.4节；6.1cm海冰的出链长度为5.4节；8.7cm海冰的出链长度为7.1节，与本文前言中所引用万吨级船舶的观察结果基本吻合，验证了上述计算的正确性。而三千吨级船舶在冰厚在5cm左右就开始走锚。通过计算可以得知：随着冰厚、风舷角、风速、流速的增大以及冰温的下降，船舶的最小出链长度也随之增大。另外，船舶的出链长度也应考虑水深、底质、锚地情况、冰情的发展情况。

6. 结语

通过对冰区锚泊船舶的受力分析与计算，可以量化地判断锚泊是否安全。因此，船舶尽量避免在冰区锚泊，应在海上滞航等待。如果必须在冰区锚泊，应选择在海冰冰厚较小的海域，同时，出链也不应过长，否则易造成断链。冰区锚泊的原则是出链长度宜短，遇厚冰时绞锚容易，具体出链长度应根据当时实际情况，允许船舶在一定范围内随海冰漂移，同时，选择锚位时应保持适当的船舶间距。在值锚班时，应密切注意气温的变化，当冰温下降时，海冰的静冰力也会相应增大。

参考文献

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