CN114462840A - 一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，包括如下步骤：步骤一：得到施工海域模拟波浪后报，从而模拟出各桥墩位处的波浪场条件；步骤二：编制波浪周期双要素统计表，并对船舶进行选型；步骤三：得到船舶的运动响应；步骤四：确定船舶运动阈值；步骤五：根据船舶运动响应和运动阈值，计算可施工的船舶作业窗口期；步骤六：根据工效要求确定船舶选型；步骤七：现场波浪逐墩预报；步骤八：形成波浪预报与船舶辅助决策系统，并根据此系统对船舶进行派遣。本发明的方法使管理人员在办公室便能观测到施工海域的海况及船舶信息，利用波浪预报技术和船舶窗口期，提出有效的调度，提高海上船舶的作业效率，保障海上船舶的高效施工。
Description
技术领域
本发明涉及跨海大桥海上船舶施工领域。更具体地说，本发明涉及一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法。
背景技术
伴随着我国经济的蓬勃发展，越来越多的工程建设在海洋环境中，与平静的内河相比，恶劣的涌浪常导致施工船舶较大的摇摆运动，当涌浪大到超过施工船舶作业的允许范围时，将无法满足精度要求的进行作业；甚至在更恶劣涌浪下，船舶需前往港湾锚地进行避险，因此有必要尽可能抓住船舶施工窗口期进行作业。另一方面，由于跨海大桥施工时涉及的船舶数量可达到数十艘，但由于交通和沟通不便，特别在海况更为恶劣的海外工程中，施工船舶的组织调度难度非常大，常导致船舶排队停靠临时码头等工效降低的情况。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，形成从船舶选型到现场辅助决策的方法，使管理人员在办公室便能观测到施工海域的海况及船舶信息，利用波浪预报技术和船舶窗口期，提出有效的调度，提高海上船舶的作业效率，从而保障海上船舶的高效施工。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，包括如下步骤：
步骤一：得到施工海域模拟波浪后报，从而模拟出各桥墩位处的波浪场条件；
步骤二：编制波浪周期双要素统计表，并统计出现场不规则波的波浪谱，从而掌握现场各桥墩位处波浪分布的具体情况，并根据此依据对船舶进行选型；
步骤三：基于上述模拟波浪场条件，得到上述备选船舶的运动响应；
步骤四：根据现场的施工工艺确定船舶运动阈值；
步骤五：根据船舶运动响应和运动阈值，计算出可施工的波浪条件，也是可施工的船舶作业窗口期；
步骤六：根据工效要求确定船舶选型，根据步骤五中确定窗口期波浪条件，结合步骤二中的波浪波高、周期分布，确定船舶可施工的频率；
步骤七：现场波浪逐墩预报；
步骤八：形成波浪预报与船舶辅助决策系统，并根据此系统对船舶进行派遣。
优选的是，所述步骤一具体为：获取施工海域的地形地势、风场数据、边缘条件，并设置在模型中，采用基于动谱平衡方程的WAVEWATCH3数学模型和SWAN模型进行模拟，在大范围的粗地形网格中采用WAVEWATCH3数学模型进行计算，计算出小范围的细地形网格边界处的波浪条件，再将该边界条件作为SWAN模型细地形网格时的边界输入进行计算，从而模拟出各桥墩位处的波浪场条件。
优选的是，采用波浪监测仪在各桥墩位处的某一点位进行多个月份的波浪场条件监测，获得监测数据后对上述模型进行修正，以提高各桥墩位处的波浪场条件的模拟精度。
优选的是，所述步骤三具体为：基于势流理论计算方法，计算出船舶在波浪作用下的运动响应，船舶纵横摇的运动响应，通过挪威船级社DNV研发的SESAM/HydroD进行模拟，或采用ANSYS/AQWA势流分析软件进行模拟，从而得出船舶运动响应与波浪输入参数之间的关系。
优选的是，所述步骤五中，系统内含船舶随波浪运动反应的库回归的计算公式，从而根据船舶船长、船宽、吃水信息，快速获得船舶的运动窗口期。
优选的是，所述步骤五中，船舶运动响应为纵摇运动响应，并针对每秒周期限定一个可施工的波浪波高的条件。
优选的是，所述步骤七具体为：采用与步骤一相似的方法，通过掌握未来的风场预报数据，来获取未来七天的波浪预报数据，并结合波浪监测仪获得的实测波浪监测数据，对预报数据进行修订，从而获得高精度的波浪预报数据。
优选的是，所述步骤八具体为：系统中记载了波浪预报信息、船舶定位信息、施工窗口期设置、施工工效记录，其中船舶定位信息由船舶的GPS定位传输，系统显示屏上显示所有船舶的位置信息和当前施工作业情况，系统中的船舶对应记载的数据包括船舶船长姓名、联系方式、船舶尺寸信息，当需要派遣船舶时，调度人员输入派遣信息，系统根据预报的桥墩波浪数据，判断未来设定的时间内是否可以作业，若可以作业，则发送派遣信息给船舶上的接收端，若不可以作业，则根据实际情况派遣船舶到其他施工区域进行作业，船舶上的船长通过接收端接收信息后通过回复确定指令，即完成此次派遣。
优选的是，根据最终派遣的船舶施工作业窗口期与步骤五计算获得的船舶作业窗口期进行比较，若出现偏差，则通过现场实测船舶的作业窗口期对船舶施工窗口期进行修正。
优选的是，施工作业窗口中包含波高、周期和波向信息。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明能将跨海大桥施工项目的总平面图、海况、船舶位置形象地展示出来，进而提高项目组织管理；
2、本发明能将实时显示的波浪监测数据和船舶GPS定位信息，从而实现良好地监测；
3、本发明包含海上施工的成套关键技术，即水文条件、船舶运动响应、施工窗口期确定、船舶是否可作业判断等，能帮助技术人员更好地保证捕捉施工窗口期；
4、本发明能针对每个船舶设定不同窗口期，当海况过于恶劣时，能帮助施工船舶更好地避险，从而保证海上施工的安全；
5、本发明基于设计要求的施工精度，确实窗口期范围，并在窗口期内施工，从而确保施工精度满足施工要求，保证了工程质量；
6、本发明的辅助决策系统，能提高海上施工的效率，降低施工成本。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的施工流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例
如图1所示，本发明提供一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，包括如下步骤：
步骤一、施工海域波浪后报；一般而言，由于跨海大桥范围大，各桥墩位处的波浪条件差异较大，因此有必要进行各墩位处的波浪后报。波浪后报方法需要近远场的地形数据、风场数据、边缘条件等；地形数据采用美国国家海洋大气局NOAA(National Oceanicand Atmospheric Administration)网站上提供的一分网格全球地形数据集ETOPO1(1Minute Gridded Global Relief Data Collection)海底地形数据。在靠近桥墩的海域，同时具有业主提供的地勘数据。海浪模式的驱动风场采取的是GFS风场，通过美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家业务模式档案和分发系统(NOMADS)下载。风场数据覆盖全球，水平方向分辨率是0.25度，对于施工海域而言，分辨率仍较高，还需获取当地风场实测数据。陆域边界数据则需要从业主处获得，因为陆域边界如果为直立墙，则会导致更多的波浪反射，如果为斜坡堤，更波浪反射较小。将施工海域的地形地势、风场数据、边缘条件设置在模型中，采用基于动谱平衡方程的WAVEWATCH3数学模型和SWAN模型进行模拟，在大范围的粗地形网格中采用WAVEWATCH3数学模型进行计算，计算出细地形网格(小范围)边界处的波浪条件，再将该边界条件作为SWAN模型细地形网格时的边界输入进行计算，从而模拟出各桥墩位处的波浪场条件。为了提高模拟的精度，可采用波浪监测仪器在现场某一点位进行多个月份的监测，从而对计算模型进行修正。波浪预报数据以折线的数据进行延伸波浪预报数据以折线的数据进行延伸。波浪预报方法以采用SWAN、WAVEWATCH-Ⅲ等第三代海浪能谱数值模式为主，也可考虑采用机器学习方法进行的波浪预报。
步骤二、编制波浪周期双要素统计表，并统计出现场不规则波的波浪谱，从而掌握现场波浪分布的具体情况，并作为船舶选型的依据。
步骤三、模拟波浪下备选船舶的运动响应；施工船舶能否满足高精度作业，受到作业精度要求、波浪波高、波向、波周期等影响，可基于势流理论计算方法，计算出船舶在波浪作用下的运动响应。船舶纵横摇的运动响应，可通过DNV(挪威船级社)研发的SESAM/HydroD进行模拟，或采用其它势流分析软件，如ANSYS/AQWA等软件进行模拟，从而得出船舶运动响应与波浪输入参数之间的关系。波浪预报模拟精度根据波浪监测数据进行不断修正，从而进一步保证能准确捕捉到施工窗口期。船舶作业窗口条件的优化中，可采用船舶六自由度监测设备，记录可施工的船舶摇荡幅度，从而更好地确定实际船舶作业窗口条件。系统内含较多船舶随波浪运动反应的库回归的计算公式，从而能根据船舶船长船宽吃水等信息，快速获得船舶的运动窗口期。船舶运动响应模拟时，是以船舶施工方提供的船舶型线图进行建模，通过三维势流软件模拟得出船舶运动响应。
步骤四、确定船舶运动阈值确定；根据现场的施工工艺确定船舶运动响应的阈值，如在常见的沉桩精度中，一般有1/100、1/150和1/200的倾斜度要求，对于桩基1/100的倾斜度，考虑1.25倍的分项系数，即船舶运动的纵横摇偏角为0.45度；对于桩基1/150的倾斜度，考虑1.25倍的分项系数，即船舶运动的纵横摇偏角为0.3度；对于桩基1/200的倾斜度，考虑1.25倍的分项系数，即船舶运动的纵横摇偏角为0.22度；也即对于1/200的桩基倾斜度要求时，船舶允许的纵横摇的角度是在0.22度以内，方可保证高精度的作业。如吊装作业时，船舶运动响应阈值为0.45°。
步骤五、确定船舶作业窗口期，根据船舶运动响应和运动阈值，计算出可施工的波浪条件，也是可施工的窗口期。由于波浪条件一般包括浪向、周期、波高三个条件，实际施工时要求顺浪向进行，也即限定浪向角在15°时进行作业，这时纵摇将是船舶运动响应的主要因素，故采用纵摇运动响应为波浪窗口条件的限制要求，一般而言波浪周期越长，相同波高条件下船舶运动响应更大，而在限定船舶运动响应极值的情况下，波浪运动越小，故有必要针对每秒周期限定一个波浪波高的施工条件。
步骤六、根据工效要求确定船舶选型，在恶劣海况下，通常能保障80％以上的施工效率，便可进行满足施工工期要求，但也根据具体工程工期要求来安排；同时波浪条件也存在季风期，也即一年当中的几个月波浪更为恶劣，另外几个月则相对平静，船舶选型的核心在于用更经济的船舶满足施工工期安排即可；根据步骤五中确定窗口期波浪条件，结合步骤二中的波浪波高、周期分布，确定船舶可施工的频率。
步骤七、现场波浪逐墩预报，采用与步骤一类似的方法，通过掌握未来的风场预报数据，来获取未来七天的波浪预报数据，通常未来1天具有较高的预报精度，未来3天的精度也可以信赖，但未来7天的波浪数据则精度不高，主要考虑波浪发展趋势；
步骤八、形成波浪预报与船舶辅助决策系统；考虑技术与管理相结合的系统，能大幅度提供施工工效，将建立波浪预报与船舶辅助决策系统，在系统中包括为了波浪预报信息、船舶定位信息、施工窗口期设置、施工工效记录等，其中船舶定位信息则由船舶的GPS定位传输，施工实现船舶的定位数据的可视化，并促使项目管理人员在调度办公室观察到所有船舶的位置信息和当前施工作业情况，当需要进行调度时，在系统总平面图中点击处于当前位置的船舶，将显示船舶船长姓名、联系方式、船舶尺寸信息等，点击派遣到某桥墩进行作业时，系统将根据未来的波浪预报数据，判断出未来3小时、6小时、9小时、12小时、24小时是否可进行作业，以及预报波高占可作业波高的百分比；当操作人员接受辅助决策信息后，如不可进行作业，可考虑派遣船舶到其它工区进行作业，从而避免船舶无效的闲置工作，在阅读完预警信息后，确认派遣时，系统将发送信息给船长，船长接受信息后回复确认指令，即完成了此次调遣。当海况过于恶劣时，船舶辅助决策系统将提示船舶应回锚区系泊。船舶辅助决策系统中，当可进行施工时，弹绿色窗口说明，当不可进行施工时，弹红色加下划线窗口说明。系统收集了诸多船舶作业类型允许的作业波高，并在使用过程中不断优化，从而供项目管理者选择特定船舶作业的窗口期，而各自项目可根据实际情况进行调整。施工作业窗口中包含波高、周期和波向信息。不同类型的作业船舶，用不同的示意点表示。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：得到施工海域模拟波浪后报，从而模拟出各桥墩位处的波浪场条件；
步骤二：编制波浪周期双要素统计表，并统计出现场不规则波的波浪谱，从而掌握现场各桥墩位处波浪分布的具体情况，并根据此依据对船舶进行选型；
步骤三：基于上述模拟波浪场条件，得到上述备选船舶的运动响应；
步骤四：根据现场的施工工艺确定船舶运动阈值；
步骤五：根据船舶运动响应和运动阈值，计算出可施工的波浪条件，也是可施工的船舶作业窗口期；
步骤六：根据工效要求确定船舶选型，根据步骤五中确定窗口期波浪条件，结合步骤二中的波浪波高、周期分布，确定船舶可施工的频率；
步骤七：现场波浪逐墩预报；
步骤八：形成波浪预报与船舶辅助决策系统，并根据此系统对船舶进行派遣。
2.如权利要求1所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，所述步骤一具体为：获取施工海域的地形地势、风场数据、边缘条件，并设置在模型中，采用基于动谱平衡方程的WAVEWATCH3数学模型和SWAN模型进行模拟，在大范围的粗地形网格中采用WAVEWATCH3数学模型进行计算，计算出小范围的细地形网格边界处的波浪条件，再将该边界条件作为SWAN模型细地形网格时的边界输入进行计算，从而模拟出各桥墩位处的波浪场条件。
3.如权利要求2所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，采用波浪监测仪在各桥墩位处的某一点位进行多个月份的波浪场条件监测，获得监测数据后对上述模型进行修正，以提高各桥墩位处的波浪场条件的模拟精度。
4.如权利要求1所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，所述步骤三具体为：基于势流理论计算方法，计算出船舶在波浪作用下的运动响应，船舶纵横摇的运动响应，通过挪威船级社DNV研发的SESAM/HydroD进行模拟，或采用ANSYS/AQWA势流分析软件进行模拟，从而得出船舶运动响应与波浪输入参数之间的关系。
5.如权利要求1所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，所述步骤五中，系统内含船舶随波浪运动反应的库回归的计算公式，从而根据船舶船长、船宽、吃水信息，快速获得船舶的运动窗口期。
6.如权利要求1所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，所述步骤五中，船舶运动响应为纵摇运动响应，并针对每秒周期限定一个可施工的波浪波高的条件。
7.如权利要求3所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，所述步骤七具体为：采用与步骤一相似的方法，通过掌握未来的风场预报数据，来获取未来七天的波浪预报数据，并结合波浪监测仪获得的实测波浪监测数据，对预报数据进行修订，从而获得高精度的波浪预报数据。
8.如权利要求1所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，所述步骤八具体为：系统中记载了波浪预报信息、船舶定位信息、施工窗口期设置、施工工效记录，其中船舶定位信息由船舶的GPS定位传输，系统显示屏上显示所有船舶的位置信息和当前施工作业情况，系统中的船舶对应记载的数据包括船舶船长姓名、联系方式、船舶尺寸信息，当需要派遣船舶时，调度人员输入派遣信息，系统根据预报的桥墩波浪数据，判断未来设定的时间内是否可以作业，若可以作业，则发送派遣信息给船舶上的接收端，若不可以作业，则根据实际情况派遣船舶到其他施工区域进行作业，船舶上的船长通过接收端接收信息后通过回复确定指令，即完成此次派遣。
9.如权利要求8所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，根据最终派遣的船舶施工作业窗口期与步骤五计算获得的船舶作业窗口期进行比较，若出现偏差，则通过现场实测船舶的作业窗口期对船舶施工窗口期进行修正。
10.如权利要求9所述的恶劣海况条件下跨海大桥水上施工方法，其特征在于，施工作业窗口中包含波高、周期和波向信息。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116500704A (zh) * | 2023-06-05 | 2023-07-28 | 中交第三航务工程局有限公司 | 一种海上风电施工船舶的可作业性预报方法 |
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