扩建港口中双向波浪诱发的系泊绳失效：机理分析与系泊布置优化

《Ocean Engineering》：Bidirectional wave-induced mooring line failure in expanded ports: Mechanism analysis and mooring arrangement optimization

　　

• 双向波模型解释新建码头反射引起的系泊失效问题 • 在港口受限环境中，一阶波浪力主导系泊缆绳张力 • 优化系泊布置方案在无需防波堤的情况下将最大缆绳张力降低44.5%

引言

全球贸易的持续增长和船舶尺寸的不断扩大使得天然避风海岸线资源日益稀缺，迫使越来越多的新建或改扩建码头位于开放或半开放水域中（Zhu等，2024；Izaguirre等，2021）。在船舶大型化的背景下，码头对风、浪、流等环境载荷的敏感性显著增加，系泊安全已成为港口运营、结构安全和环境风险管理中的核心问题之一。在过去几十年中，全球多个港口频繁发生因船舶运动过大导致的系泊缆绳断裂和碰垫损坏事故，这些事故不仅中断了装卸作业，还对人员、设施及近岸生态环境构成严重威胁（Sakakibara等，2001；Gonzalez-Marco等，2008；Wim等，2015）。其中，一类特殊的系泊缆绳断裂现象带来了重大工程挑战：在港口改扩建之前，码头泊位具有优越的掩护条件，在极端海况下从未发生系泊缆绳断裂；改扩建之后，尽管新建码头并未削弱原有泊位的掩护条件，但在类似的极端海况下却突然发生了系泊缆绳断裂。传统设计理论和计算方法无法充分解释该现象的成因，使其成为港口改扩建项目中亟需解决的关键科学与工程问题。

国内外学者对系泊失效问题进行了大量研究。传统研究主要将系泊失效归因于外部载荷幅值增大或频率变化，包括风（Zhang等，2023）、波浪（Costas等，2022；Guler等，2024）、水流（Cheng等，2021）、地震（Zheng等，2022；Kim等，2024）、过船效应引起的力（Sreedevi和Nallayarasu，2023）以及多船干扰（Parisi等，2021；Yang，1989）。然而，此类研究主要关注单一或组合载荷强度的增强，忽略了港口池布置变化引起的波场重构效应。一些学者指出，港池中的长周期波浪振荡与系泊缆绳断裂事故密切相关（Uzaki等，2010；Zheng等，2022；Van der Molen等，2003、2006）。现场观测和物理模型试验也证实，长周期涌浪是诱发船舶低频纵荡运动和增加系泊缆绳张力的关键因素（Kelp?aite-Rimkien等，2018；Sakakibara和Kubo，2008；Lopez和Iglesias，2014）。然而，现场测量数据表明，许多港口系泊缆绳断裂事故对应的波浪周期仅为10秒左右（Gao等，2024），远低于传统长周期波浪的范围，表明长周期波浪并非港口系泊失效的唯一原因。从工程设计角度看，系泊系统通常将纵荡、横荡和艏摇方向的固有周期有意设置在主波频范围之外，使系统无需直接承受一阶波浪载荷（Rui等，2024）。因此，二阶慢漂力长期以来被认为是开阔海域环境中系泊缆绳峰值张力的主要贡献者（Pinkster，1981；Faltinsen，1990）。然而，在波浪能量集中于中短周期且波场被邻近码头结构反射重新构造的受限港池中，一阶力与二阶力的相对重要性变得不再明确。Van der Molen等（2006、2015）的研究表明，在此类港口受限环境中，一阶波浪力对船舶运动和系泊载荷有显著贡献——这一细微之处值得进一步系统研究。本研究在改扩建港口双向波激励的背景下提供了这样的研究。

在以上波浪载荷研究的同时，港口环境中波浪能量分布的方向性特征也引起了越来越多的研究关注。方向性波谱描述了波浪能量在频率和方向上的分布情况，研究表明其对系泊船舶的波浪力有显著影响，特别是在波反射和绕射产生复杂多向波场的受限港池中（Young，1999；Goda，2020）。新建港口结构引起的波浪能量空间再分配可以将原本温和的单向波浪环境转变为多向波浪环境，从根本上改变了系泊系统的激励模式。然而，现有文献中尚未系统研究这种波场重构效应与由此产生的船舶运动和系泊载荷响应之间的耦合作用，这为本研究提供了动力。

在理解多向波场的基础上，港内非线性波-结构-船舶耦合过程的数学模型研究逐渐揭示了复杂波场的空间-频率特征对系泊靠泊响应起着决定性作用。Marco等（2014）证明，即使对港口几何形状进行微小修改也会显著改变港内波浪能量分布；Kwak等（2013）发现港口共振会选择性放大大型船舶的纵荡和垂荡运动响应以及小型船舶的横摇和艏摇运动响应；Gourlay（2019）将港-船系统视为耦合双体系统，成功复现了复杂港口环境下的船舶动态响应。最近，Yan等（2026）采用混合Boussinesq-面板方法研究了港池振荡下系泊集装箱船的流体力学响应；Zhang等（2026）通过物理模型试验研究了波浪条件、泊位位置和系泊缆绳类型对5万吨集装箱船系泊系统动力特性的耦合效应。Ma等（2026）进一步开发了结合Boussinesq波浪模拟和面板方法的数值模型，用于评估考虑港池振荡的自动系泊系统下的船舶运动。这些最新研究共同凸显了对港口波场与系泊船舶响应耦合效应日益增长的研究兴趣。这些发现共同指向一个核心结论：改扩建引起的港口布置变化重构了港口波场，从而放大了系泊靠泊系统特定运动模式的响应。然而，使用现有的主流系泊力计算方法（Men等，2023；Mi?kov等，2023），即使不断调整预张力、缆绳刚度和布置方案，也无法在不显著增加环境载荷的情况下复现改扩建后的系泊缆绳断裂现象，表明现有理论仍存在明显不足。

对现有研究的综述表明，当前的系泊靠泊安全分析普遍采用单向波假设，即假定入射波来自单一方向（斜向、横浪或尾流），忽略了港内多向波叠加的复杂效应。港口改扩建后，新码头结构引起的波浪反射、绕射和折射效应在港池内形成了多向波入射的复杂波场。由于影响一阶船舶运动和二阶慢漂力的波浪频率差异显著，传统的单向波模型已无法准确描述泊位的实际波浪环境，这是其无法解释改扩建后系泊缆绳断裂现象的根本原因。

为解决上述科学问题和工程挑战，本研究提出了一种双向波模型，以替代传统的单向波模型，用于计算复杂港口波浪条件下系泊靠泊系统的力分布。该模型将港内系泊船舶经历的波浪环境简化为两个主方向差异显著的两组波浪：一组为从外海直接传入的原始波浪系统，另一组为新建码头反射的二次波浪系统。该模型能够全面描述改扩建后的波场重构效应。通过将二阶波浪力理论相结合，构建了船舶-系泊缆绳-码头时域计算模型，本研究成功复现了系泊缆绳断裂时刻各缆绳的受力状态，计算结果与实际事故条件完全吻合。基于该理论框架，通过优化系泊布置可使所有系泊缆绳力保持在断裂强度以下，为昂贵的防波堤延伸改造提供了一种具有实用吸引力的替代方案。本研究的成果可为类似港口改扩建项目的系泊安全评估和事故预防提供重要的理论支持和技术参考。

本文的具体结构安排如下：第2节建立本研究的理论框架，阐述Boussinesq波浪模型、系泊船舶流体力学计算理论、二阶波浪力计算方法以及所提出的双向波模型的基本原理。第3节基于实际港口改扩建项目建立港内波浪传播与船舶系泊耦合数值模型，完成波场数值模拟并设计多组对比工况。第4节基于数值计算结果揭示双向波作用下的系泊缆绳断裂机理，提出系泊布置优化方案并验证其防护效果。第5节总结主要研究结论并展望未来研究方向。

各节摘要

方法论框架

双向波模型对改扩建后港池内复杂波浪入射环境的简化描述：港内系泊船舶经历的波浪可简化为来自主方向的入射波，每个方向由基于JONSWAP谱的随机波序列组成，其平均周期。整个波频域被分解为若干子列，和频率列和

港口模型设置与波面分析

本研究的案例基于一个实际的港口改扩建项目。具体港口位置和事件信息具有敏感性，无法披露。本研究的案例如图1所示：码头岸线位于港口北侧，东南入口朝向东南偏东（ESE）。港口原有一个码头（1号码头），随后在附近新建了一个码头（2号码头），

船舶运动响应与系泊缆绳力分析

基于三个设计工况的数值计算结果，并以现场测量数据为基准，本节从五个维度系统揭示了港口改扩建后双向波作用下船舶系泊缆绳断裂机理：整体船舶运动响应、系泊力分布特征、流体力学载荷追踪、缆绳断裂直接原因识别以及运动响应频谱分解。

结论与展望

本研究调查了港口扩建后原有泊位的系泊缆绳断裂机理，并提出了一种双向波分析模型，以弥补传统单向波方法的局限性。主要结论如下：

（1）港口改扩建通过新建码头的波浪反射重构了港口波场，将原来的单向入射波场转变为双向叠加波场。这

作者贡献声明（CRediT）

贺大川：论文撰写——初稿撰写、验证、软件、方法论、数据整理、概念构思。刘雅坤：论文撰写——审阅与编辑、监督、调查、形式分析。张曦：论文撰写——审阅与编辑、验证、软件。王柯：论文撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/人际关系：王柯有一项待批专利与大连理工大学相关。如还有其他作者，声明不存在已知的财务利益冲突或可能影响本文所报告工作的个人关系。

致谢

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的专项资助。

贺大川|刘雅坤|张曦|王柯