陳 里，楊渠鋒，喻 濤，王平義

滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究

陳 里1，楊渠鋒2，喻 濤3，4，王平義3，4

(1. 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002； 2. 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550001； 3. 重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074; 4. 重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

隨著我國逐步加快在長江中上游山區(qū)河流的水利水電和港口航道工程建設(shè)，內(nèi)河庫港在滑坡涌浪作用下，如何保證船舶系泊安全成為一個極其關(guān)鍵的問題。為了提高滑坡涌浪對內(nèi)河庫港運行安全影響程度的認識，以江南沱口直立式高樁碼頭為依托，選擇內(nèi)河3 000 t甲板駁船為研究對象進行物理模型試驗。深入分析了滑坡涌浪作用下系泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，以及波高、水深等因素影響下系泊船舶系纜力和撞擊能的變化規(guī)律。結(jié)合規(guī)范和試驗數(shù)據(jù)，得出了涌浪作用下船舶系纜力和船舶撞擊能的經(jīng)驗計算式，確定了滑坡涌浪對內(nèi)河庫港船舶系泊安全的影響程度，并提出了相應(yīng)的對策和意見。

滑坡涌浪； 系纜力； 撞擊能

隨著我國內(nèi)河航道和港口建設(shè)的發(fā)展，船舶噸位等級不斷提高，港口泊位能力不斷增強，現(xiàn)有研究和設(shè)計規(guī)范已不能滿足要求，尤其是在庫區(qū)蓄水后，滑坡涌浪災(zāi)害[1-2]對于現(xiàn)有碼頭和船舶存在較大威脅。對波浪作用下船舶運動響應(yīng)的理論研究[3-7]和物理模型試驗研究[8-11]考慮的是海浪和風(fēng)浪對系泊船舶的作用，在計算分析時主要參考海港部門的研究成果。庫岸滑坡涌浪從形成機理而言與風(fēng)浪、海浪的性質(zhì)完全不同，現(xiàn)有理論分析和計算公式是否適用于庫區(qū)水深條件下滑坡涌浪對系泊船舶作用的計算有待進一步探討。因此，結(jié)合工程實際，開展滑坡涌浪作用下船舶系纜力和撞擊作用的物理模型試驗研究，對涌浪作用下船舶系泊安全的預(yù)估具有較大實際意義。

1 模型設(shè)計與量測技術(shù)

(1)河道和碼頭模型的依托工程為萬州江南沱口碼頭河段，模型采用斷面法制作并對河底地形進行概化。原型碼頭結(jié)構(gòu)平臺長253m，寬30m，將原型碼頭按比尺制模，按剛性結(jié)構(gòu)處理，用塑膠將其連成一體固定在河道模型內(nèi)，兩個碼頭分別布設(shè)在滑坡入水點正對岸及同岸，距滑坡入水點6.37m，具體布置見圖1。

圖1 試驗平面布置(單位：m)Fig.1 Layout of test model (unit: m)

(2)資料統(tǒng)計表明，庫區(qū)滑坡的坡度大多分布在20°～60°，因此，模型滑面傾角選取20°，40°和60°，選擇固定滑坡體模型長度為1 m，寬度分別為0.5，1.0和1.5 m，厚度為0.2，0.4和0.6 m共9 組塊體方案。考慮三峽水庫運行的3個水位145，155 及175 m，相應(yīng)的試驗水深分別為0.74， 0.88和1.16 m。綜上所述，試驗選用3 種水深、3個水平坡度和9個水平塊體體積，共計81組試驗工況。

表1 船舶主尺度參數(shù)

(3)試驗船型選擇3 000 t甲板駁船?？紤]船模滿載下吃水、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩和自振周期等與原型相似。實船和船模主尺度及有關(guān)參數(shù)見表1。系纜布置采用八字纜，首尾各1根，打纜角度均為30°，纜繩長度、系纜位置以及角度與原型相似，模擬采用35 mm尼龍纜。船舶撞擊護舷模擬考慮護舷受力變形曲線相似，其設(shè)置高度與原型護舷中心受力點位置相同。模型護舷分別位于船首1/3處和船尾1/4處，共4個測點分別位于兩個碼頭。船舶系纜力和船舶撞擊力采用重慶交通大學(xué)自主研制的船舶系纜力傳感器和撞擊護舷傳感器測量，撞擊能值通過撞擊護舷傳感器的力學(xué)性能曲線計算得出。儀器采樣精度為100 Hz，所有數(shù)據(jù)利用計算機進行采集處理。

2 涌浪作用下系泊船舶影響因素分析

滑坡涌浪作用下，系泊船舶運動過程和受力過程[12]較為復(fù)雜，影響系泊安全的主要是船舶系纜力和對碼頭的撞擊力?；掠坷俗饔孟孪挡大w系的船舶運動響應(yīng)規(guī)律如下：當涌浪作用于系泊船舶時，船舶向碼頭方向運動，纜繩處于松弛狀態(tài)，對船舶無拉拽作用，船舶將撞擊碼頭護舷。當護舷變形被壓縮至最大值后，船舶在護舷反力作用和波浪共同作用下開始向反方向運動，當運動一定距離后，纜繩迅速拉緊，船舶系纜力將達到最大值。隨后，在涌浪、纜繩和護舷共同作用下，系泊船舶將會出現(xiàn)和涌浪周期大致相同的往復(fù)運動。

作用于船舶上的波浪荷載，與波浪特性(波高、周期、波浪入射角度等)有關(guān)，同時也與船舶本身尺度(長度、寬度、吃水深度)、載度(滿載、半載、壓載)和運動特性(橫搖、縱搖、升沉)等有關(guān)。根據(jù)試驗工況，考慮系泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，分別選取涌浪波高、周期及庫區(qū)水深影響下的系纜力和撞擊能值進行單因素對比統(tǒng)計(見表2)。

表2 典型涌浪參數(shù)工況

由表2可見，內(nèi)河3 000 t甲板駁船滿載時，在固定系纜方式和纜繩尺寸情況下，涌浪的入射波高越大，作用于船舶上的波浪荷載越大。系纜力和撞擊能值也越大，系纜力、撞擊能與波高近似為線性關(guān)系，與以往的模型試驗研究結(jié)果及規(guī)范公式相符；在波高相同的工況下，涌浪周期不同，系纜力、撞擊能值變化較小。由于波浪周期變化范圍與船舶的固有橫搖周期相差較大，船舶橫搖運動受涌浪周期變化影響較小，系纜力和撞擊能值也變化不大。以往的研究表明，若波浪周期與船舶固有橫搖周期相差較小，船舶運動量大，將會導(dǎo)致系纜力、撞擊能增大。在相同涌浪入射波高和周期的工況下，庫區(qū)水深的變化對系泊船舶的系纜力和撞擊作用影響較小。

3 涌浪作用下船舶系纜安全預(yù)估

目前，《港口工程荷載規(guī)范》[13-14]公式中規(guī)定靠泊碼頭的船舶受到的總荷載包括風(fēng)荷載、水流荷載和波浪荷載，主要考慮風(fēng)、浪、水流等因素作用下船舶系纜力的大小。公式中一般考慮港口在波浪較小情況下系泊船舶的受力，對于較大波浪船舶系纜力的計算沒有涉及，尤其是來自破壞能量較大的滑坡涌浪作用下船舶系纜的安全計算。

3.1 船舶系纜力的計算

規(guī)范中規(guī)定的波浪荷載船舶系纜力計算式，分別通過水流作用下船舶縱向力和橫向力進行計算：

(1)

式中：K為船柱受力不均勻系數(shù)；n為系船柱數(shù)目；α為船纜的水平投影與碼頭前沿線的夾角；β為系船纜與水平面之間的夾角。

當水流與船舶縱軸平行或流向角θ<15°，θ>165°時，水流力船首橫向分力Fx1，船尾橫向分力Fy1及船舶縱向分析Fy2的計算式為：

Fx1=Cx1ρV2B′/2,Fy1=Cy1ρV2B′/2,Fy2=Cy2ρV2S/2

(2)

式中：Cx1，Cy1分別為船舶首、尾橫向分力系數(shù)；ρ為水體密度；V為水流速度；B′為船舶以下吃水橫向投影面積；S為船舶吃水線以下表面積。

當15°≤θ≤165°時，船首橫向分力Fx1，船尾橫向分力Fy1計算式分別為：

Fx1=Cx1ρV2Ax1/2

(3)

Fy1=Cy1ρV2Ay1/2

(4)

式中:Ax1，Ay1為船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積。

通過測點所測入射涌浪的周期T和水深h，用二分法迭代波浪的彌散方程，即可求出原始波波長L。通過試驗涌浪的波長L和周期T計算涌浪波速V，將涌浪波速近似于水流速度代入規(guī)范計算式。由于同、對岸碼頭涌浪入射角度分別為0°和90°，計算得出波浪荷載對船舶的作用力。選擇入射波高值范圍為0.21～7.11m的試驗工況，其波長和周期范圍分別為0.64～2.13s，0.8～3.8m，通過計算對不同工況下船舶系纜力的計算值和試驗值進行對比分析(見圖2)。

圖2 涌浪作用下船舶系纜力試驗值和計算值對比Fig.2 Comporison between test values and calculation values of ship mooring force by action of surge

通過分析計算發(fā)現(xiàn)，由于規(guī)范中的計算公式未引入波高參數(shù)，涌浪入射波高H<2 m時，對岸碼頭船舶的系纜力計算值和試驗值吻合較好，平均相對誤差為10.3%；當船舶涌浪前波高大于2 m，其偏離程度較大，平均相對誤差達110%；大于2.5 m涌浪波高入射同岸系泊船舶時，其計算值與試驗值吻合也較差，平均相對誤差達30%。因此，涌浪波高較大時，規(guī)范中的計算公式已不適用于滑坡涌浪作用下船舶系纜力的計算。在固定船型參數(shù)以及船舶滿載情況下，主要考慮入射涌浪波高對系泊船舶的影響。 結(jié)合本次模型試驗并參考以往研究的經(jīng)驗公式，對《港口工程荷載規(guī)范》系泊船舶的波浪荷載系纜力計算式進行修正。涌浪作用下船舶系纜力與波高值近似線性關(guān)系，引入波高H及水深h參數(shù)，通過無量剛化線性回歸確定涌浪作用下船舶系纜力的經(jīng)驗計算式為：

(5)

式中：H為波高；h為水深。通過線性回歸計算，確定修正系數(shù)η為-0.73。

對本次試驗的試驗值和修正式中的計算值進行比較，對岸碼頭系泊船撞擊能的計算值和試驗值具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為R=0.91；由于船舶系纜力的大小除了受環(huán)境荷載如滑坡涌浪等影響外，還與碼頭系泊布置方式、船舶類型、噸位、纜繩類型和數(shù)量、綴繩初張力、護弦類型和數(shù)量及布置方式等因素有關(guān)?？紤]模型試驗的局限性，該計算式只對相似船型、滿載及雙纜系泊時的船舶系纜力計算具有較高準確性，對其他系泊條件下系纜力的計算具有一定的參考價值。

3.2 船舶系纜安全的預(yù)估

考慮3 000 t甲板駁船滿載下的系纜方式，模擬采用35 mm尼龍纜，纜繩破斷力應(yīng)按產(chǎn)品規(guī)格確定，當缺乏資料時，對于聚丙烯尼龍纜繩其破斷力可按下式計算：Np=0.16D2，其中:Np為聚丙烯尼龍纜繩的破斷力；D為尾纜繩直徑。通過計算3 000 t船舶系纜力的標準值為200 kN。典型涌浪波高下船舶系纜力值見表3。

表3 典型涌浪波高下船舶系纜力值

表3表明，初始波高3.3 m以上，涌浪入射波高大于0.9 m時，對岸碼頭船舶首纜系纜力均大于標準值；對于船舶尾纜，初始波高3.5 m以上，涌浪入射波高大于1.1 m時，其系纜力均大于標準值；同岸碼頭船舶首纜系纜力只有1/3工況下滿足船舶系纜力的標準值，而尾纜系纜力有一半以上工況滿足船舶系纜力的標準值；同岸碼頭首纜系纜力的初始波高和入射波高額定值分別為2.4和0.9 m；尾纜系纜力的初始波高和入射波高額定值分別為2.8和1.3 m。因此，將0.9 m的入射波高值作為本次試驗工況下系泊船舶系纜力的安全極限(警戒)波高值。

4 涌浪作用下船舶撞擊安全預(yù)估

4.1 船舶撞擊能計算

《港口工程荷載規(guī)范》中規(guī)定在橫浪作用下，系泊船舶的有效撞擊能量計算式為：

E=αCmMgH(H/L)(L/B)(d/D)2.5tanh(2π/(Ld))

(6)式中：E為橫浪作用下系泊船舶有效撞擊能量(kJ)；α為系數(shù)， 采用橡膠護舷時為0.004；Cm為船舶附加水體質(zhì)量系數(shù)；M為船舶滿載排水質(zhì)量；H為浪高；B為船舶型寬；D為船舶吃水深；d為碼頭前沿水深;L為波長。

試驗包括高、中、低3個水位，發(fā)現(xiàn)當波高H一定時，水深d的變化并不會引起撞擊力和撞擊力能的變化，且系泊船舶型深遠小于水深d。通過理論及試驗數(shù)據(jù)分析表明，當初始涌浪傳播至系泊船舶處，入射波高對系泊船舶撞擊力和撞擊能起著決定性的作用。因此，在固定船型參數(shù)以及船舶滿載的情況下，主要考慮涌浪入射波高對船舶撞擊能的影響。 結(jié)合模型試驗資料分析，參考以往研究的經(jīng)驗公式，對規(guī)范中系泊船舶的有效撞擊能量的經(jīng)驗公式進行修正，確定滑坡涌浪作用下船舶撞擊能的經(jīng)驗計算式為：

E=KαCmMgH(H/B)(D0/D)2.5

(7)

式中：K為修正系數(shù)；D0為船舶型深。

對滑坡涌浪作用下的試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，運用線性回歸法確定參數(shù)K，得到涌浪作用下船舶最大撞擊能量的經(jīng)驗計算式為：

E=0.023 2αCmMgH(H/B)(D0/D)2.5

(8)

比較所有工況的試驗值和公式中的計算值，對岸碼頭系泊船撞擊能的計算值和試驗值具有較好相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為R=0.93。式(8)適用于相似船型及系泊條件的船舶撞擊能的計算，對其他船型或不同裝載情況下船舶撞擊能的計算有一定參考價值。

4.2 船舶撞擊安全預(yù)估

《港口工程荷載規(guī)范》中船舶有效撞擊能的計算式為：E0=ρMVn2/2，其中，E0為船舶有效撞擊能(kJ)；ρ為有效動能系數(shù)(取0.7～0.8)；Vn為船舶法向撞擊速度(m/s)。根據(jù)規(guī)范中河船方向靠岸速度的統(tǒng)計表，取Vn=0.3m/s。通過計算，碼頭原型橡膠護舷設(shè)計標準值En=108kJ。

撞擊能經(jīng)驗式計算及試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表4。由表4可見，初始波高大于3.3m，入射波高大于0.9m時，對岸碼頭船首撞擊能均大于橡膠護舷設(shè)計標準值；對于船尾撞擊能，在初始波高大于3.5m，入射波高大于1.1m時，其撞擊能均大于標準值。同岸碼頭船首撞擊能值只有1/3工況下滿足橡膠護舷設(shè)計要求，船尾撞擊能值2/3工況下滿足橡膠護舷設(shè)計標準值。同岸碼頭船首撞擊能在初始波高和入射浪高分別小于2.4和0.9m時，滿足橡膠護舷的設(shè)計要求；船尾撞擊能的初始波高和入射波高額定值分別為11.0和2.8m。因此，將0.9m的入射波高值，作為本次試驗工況下船舶撞擊能的安全極限(警戒)波高值。

表4 典型涌浪波高下船舶撞擊能值

5 結(jié) 語

模型試驗研究建立了滑坡涌浪作用下系纜力和撞擊能經(jīng)驗計算式，其中系纜力的計算引入了波高參數(shù)，計算結(jié)果提高了對滑坡涌浪作用下庫區(qū)船舶及港口影響程度的認識。另外，當初始波高達到一定高度時，如工況62， 69和81(初始波高分別為15.3，15.6和16.0 m，入射波高分別為7.3，7.6和7.8 m)等，波浪荷載對系泊船舶的作用力極大。系泊船舶因為橫搖的劇烈運動而導(dǎo)致纜繩崩斷，從而引發(fā)船舶撞壞碼頭或者傾覆。試驗結(jié)果表明，初始波高達到15 m以上，入射涌浪在7 m左右時，船舶發(fā)生嚴重橫搖和傾覆，此時，系纜力和撞擊能的數(shù)值已經(jīng)不是真實數(shù)據(jù)。

因此，滑坡涌浪作用下現(xiàn)有庫區(qū)港口運行和設(shè)計規(guī)范已不能滿足實際要求，實際運行中，為減小滑坡涌浪對庫區(qū)港口的危害程度，可采取以下相應(yīng)有效措施：

(1)提高系泊船舶系纜繩強度等級。根據(jù)本次系泊船舶系纜力試驗數(shù)據(jù)的研究，可針對類似船舶類型提高船舶系纜繩強度30%左右。其他類型船舶的系纜繩強度的提高，可作相應(yīng)參考。

(2)減小系泊船舶系纜力。為減小涌浪作用下系泊船舶系纜力，在實際運行過程中，可增大系纜繩的預(yù)張力。在條件允許情況下，可改變布纜方式，采取多纜系纜方式，增加首纜、腰纜和尾纜。通過多纜方式，將較大系泊船舶系纜力分散在不同位置纜繩上。

(3)提高庫區(qū)港口碼頭橡膠護舷設(shè)計標準。根據(jù)本次系泊船舶撞擊能的試驗數(shù)據(jù)，建議提高庫區(qū)港口碼頭橡膠護舷設(shè)計標準30%左右。

(4)改變庫區(qū)港口碼頭橡膠護舷的布置方式。港口碼頭橡膠護舷的基本形式主要有連續(xù)布置和間斷布置。在間斷布置情況下，可考慮加大間斷布置橡膠護舷的密度。

(5)當出現(xiàn)極具破壞性的滑坡涌浪波高時，應(yīng)停止系泊船舶的作業(yè)，駛離碼頭，轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。

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Model experimental studies of safety of moored ship under landslide surge action

CHEN Li1， YANG Qufeng2， YU Tao3, 4， WANG Pingyi3, 4

(1.ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China； 2.GuizhouTransportationPlanningSurveyandDesignAcademyCo.，Ltd.，Guiyang550001,China； 3.NationalEngineeringResearchCenterforInlandWaterwayRegulation，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China； 4.KeyLaboratoryofHydraulicandWaterwayEngineeringofMinistryofEducation,ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China)

With a fast development of hydraulic engineering, the hydropower engineering and port waterway engineering in the middle-upper reaches of the Yangtze River, how to ensure the safety of the moored ships in the inland navigation ports under the action of landslide surge is an extremely important issue. In order to well understand the influence degrees of the landslide surge impacting the inland navigation ports, model test researches were carried out by taking 3 000 t deck barges moored in the Jiannan Tuokou port as a research object. On the basis of analyses and studies of the impact factors of the mooring force and the impact energy by the action of the landslide surge, the change law of the mooring force and the impact energy was found out from the surge wave height and water depth. According to the specifications and test data, the empirical formula for the mooring force and impact energy was given by a regression analysis. Ascertaining the influence degrees of the landslide surge impacting the inland navigation port, some countermeasures and suggestions were put forward for the port operation and management. The research results show that the findings have a high practical value and can be applied to the forecast and prevention of the landslide surge impacts on the navigation ports located at mountain rivers.

landslide surge; mooring line force; impact energy

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.011

2016-01-22

西部交通建設(shè)科技項目(20113288141160)

陳 里(1982—)，男，河南信陽人，講師，博士，主要從事航道整治理論及技術(shù)研究。 E-mail:429683361@qq.com

TV139.2+3

A

1009-640X(2017)01-0080-07

陳里， 楊渠鋒， 喻濤， 等. 滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(1): 80-86. (CHEN Li, YANG Qufeng, YU Tao, et al. Model experimental studies of safety of moored ship under landslide surge action[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(1): 80-86. (in Chinese))