謝志剛，鄧 宇，王吉誥，鄭 興，蘇 磊

（1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003；3.包頭市平安航運(yùn)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000；4.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

破冰船破冰是國(guó)際上先進(jìn)的機(jī)械破冰技術(shù)之一，主要應(yīng)用在高緯度地區(qū)遠(yuǎn)洋航行、湖泊或內(nèi)河航道凌期破冰，為船舶航行時(shí)開辟航線。內(nèi)河破冰主要用于小型河流、航道或港口進(jìn)出港區(qū)域，應(yīng)用較多的地區(qū)有荷蘭、德國(guó)、加拿大、芬蘭等國(guó)家［1］及我國(guó)的東北地區(qū)。20世紀(jì)五六十年代，黃河下游建造了克凌1號(hào)和克凌2號(hào)兩艘破冰船，嘗試開展使用破冰船破除封凍期和開河期河道冰蓋，以解決其壅水阻流問題；1974年以后，由于河道水淺不能滿足破冰船吃水條件，加之出現(xiàn)反復(fù)封開河的情況，因此破冰船未再使用［2］。破冰船破冰主要依靠船身自重和動(dòng)力沖擊壓迫冰面，利用冰層抗剪切強(qiáng)度小的特點(diǎn)，致使冰層斷裂，達(dá)到破冰目的。內(nèi)河破冰船和破冰機(jī)械自重和動(dòng)力較小，破冰厚度范圍為10～50 cm，破冰效率可達(dá)2 000 m2／h。近幾年，國(guó)內(nèi)外也使用兩棲破冰機(jī)械，借助機(jī)械動(dòng)力破除冰蓋［3］。

黃河的凌汛問題主要在上游寧蒙河段、中游北干流河段及下游利津至河口河段，目前寧蒙河段是重點(diǎn)防凌河段［4］。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，跨河橋梁和水工建筑物增多，傳統(tǒng)航彈或火炮破冰實(shí)施的難度增大。把適宜黃河寬淺、彎曲多變的河道特性的破冰船破冰作為一種機(jī)械破冰方式，應(yīng)用于無法實(shí)施爆破破冰的河段，具有較好針對(duì)性和可操作性。

1 輕型破冰船結(jié)構(gòu)及性能

1.1 破冰船吃水深度分析

內(nèi)河破冰船主體必須適應(yīng)凌汛期河道的水文、河床形態(tài)。黃河內(nèi)蒙古段河道凌汛期在不發(fā)生冰塞冰壩的情況下，大部分河段水面寬度在300～500 m之間，水深在3～5 m之間，冰下流速為1 m／s左右。該河段河槽與其他河流相比，最大的不同點(diǎn)在于沒有固定的寬度和深度，而是呈變化的寬淺狀，滿足淺吃水的要求對(duì)于船舶設(shè)計(jì)而言尤其重要。在船型一定的條件下，吃水深度與排水量相關(guān)。船舶排水量大，相應(yīng)破冰能力強(qiáng)，但吃水深度也大，同時(shí)適應(yīng)河道的能力也差。綜合考慮黃河現(xiàn)行船舶及黃河下游破冰船的研制和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)的破冰船吃水深度不宜大于1.4 m。

1.2 船體尺度和主機(jī)功率分析

分析國(guó)內(nèi)外內(nèi)河破冰船參數(shù)和試驗(yàn)河段河道條件，可知船長(zhǎng)和船寬決定著船型。一般而言，破冰船屬工程輔助船，長(zhǎng)寬比相對(duì)航行船只小，即為短而寬的船型。不同類型典型破冰船的長(zhǎng)寬比見表1。

黃河內(nèi)蒙古段河道凌汛期水面寬在300～500 m之間，考慮破冰船作業(yè)時(shí)調(diào)頭的需要，參考現(xiàn)有船舶尺度，破冰船的寬度為7～8 m，船長(zhǎng)為20～30 m，較符合該河段作業(yè)要求。

冰荷載是破冰船設(shè)計(jì)建造需考慮的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)破冰船動(dòng)力的選擇有直接的影響，而冰荷載又與冰力學(xué)參數(shù)及環(huán)境溫度直接相關(guān)［5］。對(duì)于內(nèi)蒙古河段，開河前期氣溫較高，最低冰溫為-5℃；典型工況下冰的密度為0.77～0.99 g／cm3，一般在0.90 g／cm3以上；彎曲強(qiáng)度在冰溫-10.0、-5.0、-2.5℃時(shí)分別為1.2、0.9、0.6 MPa［5］；剪切強(qiáng)度在冰溫-5℃時(shí)約為350 kPa；河道典型冰厚為0.4～0.6 m。

應(yīng)用Lindqvist公式預(yù)測(cè)船破冰阻力。Lindqvist公式基于冰阻力與速度為線性關(guān)系的假設(shè)，將冰阻力分為3部分進(jìn)行計(jì)算，包括擠壓阻力、浸沒阻力和彎曲破壞阻力［6］。

破冰阻力Rice計(jì)算公式如下：

式中：RC為破碎阻力；RB為彎曲阻力；RS為浸沒阻力；L為船長(zhǎng)；V為船速；g為重力加速度。

破碎阻力RC計(jì)算公式為

式中：ρw為水密度；ρi為冰密度；T為吃水深度。

主要計(jì)算參數(shù)見表2。計(jì)算得到航速4節(jié)、彎曲強(qiáng)度0.6 MPa情況下，冰厚為0.3、0.4、0.5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)總阻力分別為179、272、380 kN。冰荷載隨著冰厚的增加而急劇增大；航速4節(jié)、在平整冰情況下，冰厚為0.4 m時(shí)對(duì)應(yīng)總阻力大于200 kN，破冰船的功率不應(yīng)小于400 kW。

表2 主要計(jì)算參數(shù)

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能設(shè)定

依據(jù)黃河內(nèi)蒙古河道特征及破冰實(shí)際需求，由包頭市平安航運(yùn)有限責(zé)任公司建造了用于黃河內(nèi)蒙古河段的輕型破冰船。破冰船類型為工程輔助船，航區(qū)為內(nèi)河C級(jí)航區(qū)。船型為鋼質(zhì)、單甲板、雙槳、雙舵、艉機(jī)型，具有前傾式船艏和方艉。船總長(zhǎng)27.7 m，型寬7.0 m、型深2.2 m，設(shè)計(jì)吃水深度1.3 m，主機(jī)為2臺(tái)柴油機(jī)，主機(jī)功率772 kW，總噸位116 t。船體前部設(shè)計(jì)輔助破冰機(jī)構(gòu)。破冰機(jī)構(gòu)選用斗山300挖掘機(jī)上部結(jié)構(gòu)，由控制臺(tái)、伸縮臂、破冰器構(gòu)成。

破冰功能分為連續(xù)式破冰、沖撞式破冰、輔助式破冰和碎冰區(qū)航行4種模式。連續(xù)式破冰是依靠船體自重在低速航行中連續(xù)壓破壓斷冰蓋的破冰方式，這種方式一般應(yīng)用于冰厚小于20 cm的冰層。沖撞式破冰是利用船的速度和質(zhì)量反復(fù)沖擊冰蓋造成冰塊破裂的破冰方式，這種方式一般應(yīng)用于大面積冰蓋且冰厚大于20 cm時(shí)。輔助式破冰和碎冰區(qū)航行是依靠輔助破冰器的鏟斗和挖機(jī)臂對(duì)大塊較厚冰塊（厚度一般大于40 cm）或大面積碎冰堆積體進(jìn)行錘擊、鏟擊和挖掘作業(yè)進(jìn)行破冰的方式。內(nèi)河破冰不同于海洋和港口破冰，破冰船沒有從無冰區(qū)進(jìn)入有冰區(qū)的過程。破冰船除具備破冰功能外，還需具備自救能力，即依靠輔助器完成破冰開始階段和河道冰凌密度過大時(shí)船體掉頭和降低船體周圍冰凌密度，達(dá)到自身脫困效果。

2 破冰試驗(yàn)

2.1 仿真試驗(yàn)

以黃河內(nèi)蒙古包頭磴口河段7 km河道地形為依據(jù)，結(jié)合破冰船和開河期河冰參數(shù)，建立了船-冰-水耦合模型，模擬船在冰-水環(huán)境中的破冰阻力F。模擬工況為：航速4節(jié)，浮冰密集度C=70%，河道水流流速為0.7 m／s，冰厚為0.3 m，彎曲強(qiáng)度σ分別為0.6、0.9、1.2 MPa。由圖1可見，破冰阻力模擬結(jié)果與Lindqvist經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果具有較好一致性。

圖1 冰厚0.3 m時(shí)不同彎曲強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的破冰阻力

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2021年2月28日—3月2日，在黃河內(nèi)蒙古德勝泰大橋上游2 km處河道內(nèi)進(jìn)行了4種破冰模式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該河段凌汛期觀測(cè)到的最大冰厚為0.85 m。試驗(yàn)前，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)冰層最大厚度為0.6 m，最小厚度0.2 m。試驗(yàn)結(jié)果顯示，整體破冰情況與仿真測(cè)試預(yù)估成果基本一致。

在連續(xù)式破冰模式（見圖2）下，破冰阻力與仿真測(cè)試相近，破冰船可以快速斷裂冰蓋，航速最大4節(jié)，破冰厚度0.2～0.3 m，隨船行進(jìn)可以開辟一段航行通道。船-冰作用過程中的冰激振動(dòng)不明顯，對(duì)船艏結(jié)構(gòu)影響較小。

圖2 連續(xù)式破冰模式

在沖撞式破冰模式下，破冰厚度0.3～0.4 m。此冰厚條件下，破冰阻力大于破冰船動(dòng)力，破冰船僅能短距離反復(fù)沖擊冰蓋。船艏處冰荷載在同一肋骨上衰減較快，船舶舷側(cè)縱向構(gòu)件的強(qiáng)度較高，冰激應(yīng)變幾乎不能影響到相鄰肋位。通過觀察船艏舷部外側(cè)甲板，發(fā)現(xiàn)船體與大塊冰蓋擠壓、摩擦、沖擊下，船首右側(cè)出現(xiàn)了多處刮擦痕跡，但是鋼板并未出現(xiàn)凹陷和破損。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足破冰要求。

在輔助式破冰模式下，冰層厚度大于0.4 m。破冰鏟斗能夠很輕易地破碎較厚的冰蓋，并將破裂的大塊冰打碎。從鏟斗翻起的冰塊能夠看到，河段冰層多處冰蓋呈現(xiàn)兩層冰的結(jié)構(gòu)，單層冰厚度為25～30 cm，冰層中夾雜有泥沙等雜物。僅依靠鏟斗的錘擊和鏟擊作用，破冰效果不理想。而配合沖撞式破冰并利用船體左右晃動(dòng)，形成下壓和振動(dòng)的合力，破冰效率較高。歷經(jīng)1 h破冰，最大破冰厚度大于0.5 m，破冰面積達(dá)2 200 m2／h。

在碎冰區(qū)航行模式下，原航線上的平整冰區(qū)在船-冰作用下已破碎為大量較小塊不規(guī)則的浮冰，碎冰聚集在船體四周。航行過程中，被覆蓋在水面碎冰層以下的浮冰與船體結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，冰塊體積較小，與船體產(chǎn)生的冰激勵(lì)響應(yīng)可以忽略。

4種方式綜合破冰2 h，疏通河道長(zhǎng)度1 km，破冰面積4萬m2。破冰船船艏結(jié)構(gòu)、外舷甲板均無損壞，滿足該河段航行安全性要求。

3 結(jié) 語

破冰船破冰作為一種機(jī)械破冰手段，能有效解決爆破破冰存在的不足，具有較好的針對(duì)性和可操作性。本文依據(jù)輕型破冰船在開河期的破冰試驗(yàn)，得出以下研究成果，可為破冰船破冰操作和數(shù)值仿真研究提供參考。

（1）設(shè)計(jì)建造的輕型破冰船船型為鋼質(zhì)、單甲板、雙槳、雙舵、艉機(jī)型，具有前傾式船艏和方艉。船總長(zhǎng)27.7 m，型寬7.0 m，設(shè)計(jì)吃水深度1.3 m，主機(jī)為2臺(tái)柴油機(jī)，主機(jī)功率772 kW，總噸位116 t，滿足黃河河道凌汛期破冰需求。

（2）基于仿真模型分析結(jié)果可知，輕型破冰船在黃河內(nèi)蒙古河段開河期進(jìn)行破冰試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)需求。

（3）通過對(duì)連續(xù)式破冰、沖撞式破冰、輔助式破冰和碎冰區(qū)航行4種模式下現(xiàn)場(chǎng)破冰試驗(yàn)分析可知，連續(xù)式破冰和沖撞式破冰模式下，破冰厚度在20～40 cm；輔助式破冰模式下破冰厚度在40 cm以上，最大破冰厚度超過50 cm。

（4）黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期具有河槽窄、水深淺、冰層厚的特點(diǎn)，破冰船型深和吃水深度一般設(shè)計(jì)得較小。封河期發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳葉片和方向舵的位置正好處于冰凍層。開河前期，需要提前解凍該部位區(qū)域的冰蓋。鑒于河道水流攜帶的雜草秸稈等雜物較多，加裝加熱除冰裝置會(huì)造成雜物纏繞和附著。建議在應(yīng)用中，改變目前的水箱壓重方式為配重塊壓重。在流凌期，輕型破冰船?？看a頭后，加載配重塊使吃水深度接近最大吃水深度線，減小螺旋槳葉片和方向舵在冰蓋中的深度，以利于開河期快速完成船體四周的消冰作業(yè)，做好破冰準(zhǔn)備。