滑坡涌浪對船舶破壞能力的分析

(重慶交通大學(xué)航運與船舶工程學(xué)院 重慶 430074)

引言

在今天，航海事業(yè)在經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和在世界貿(mào)易中起著的作用越來越重要。沿?；蛘呤莾?nèi)河航運山體滑坡引發(fā)安全問題也受到越來越高的重視，尤其是在船舶通過山體滑坡險情點產(chǎn)生的涌浪影響船舶的航行安全問題。船舶在水上某些區(qū)域航行時遇到山體滑坡造成的險情時有發(fā)生，就如長江三峽工程自蓄水成庫后，三峽庫區(qū)已發(fā)生了2起滑坡涌浪災(zāi)難造成小型船舶的大規(guī)模損毀事故:2003年7月13日，秭歸清干河左岸爆發(fā)了滑坡災(zāi)害，22 艘船舶被滑坡形成的涌浪打翻，10多人落水失落消失。類似船舶通過山體滑坡險情點發(fā)生的遇險事故數(shù)見不鮮，而且船舶航行安全管理不規(guī)范、安全認(rèn)識不足等原因，船舶遇險幾率大大增加。

山體滑坡對航道的損毀主要表現(xiàn)為滑坡體直接滑入、甚至跨過航道，造成航道阻塞而導(dǎo)致航道斷航。同時也減小船舶穩(wěn)性，例如對于沿江兩側(cè)處在滑坡體滑移方向上的航行船舶、簡易錨泊船舶可能直接被巨型滑坡涌浪淹沒和快速掀翻。浮性方面對于山體滑坡附近水域的航行船舶、錨泊船舶、系泊船舶，可能被巨型涌浪傳播而淹沒，涌浪可能持續(xù)疊加傳播幾分鐘，若這些船舶水密性及儲備浮力不夠，則容易被浸水沉沒。為了減少船舶航行途中山體滑坡險情和遭遇險情后能積極采取有效的措施，通過分析山體滑坡發(fā)生所引起涌浪破壞的特征，本研究擬船舶通過山體滑坡險情點涌浪的危害，來對船舶實施交通管制。

一、沖擊能力估算

涌浪的撞擊力測量值也為脈沖值，最大撞擊力出現(xiàn)在多個周期以后，且不斷出現(xiàn)大值，隨著涌浪的衰減，撞擊力慢慢減小，且船首和船尾測點大小和變化規(guī)律基本一致[1]。圖1所示：

圖1 同岸碼頭船舶系纜力時域圖

表明滑坡涌浪的初始涌浪對同岸船舶撞擊力的影響較小，涌浪經(jīng)過反射和疊加所造成的影響要大。造成這種現(xiàn)象的原因是涌浪經(jīng)過反射疊加后對船舶作用的角度要大于初始涌浪對船舶作用角度。[1]

沖擊能力可用沖力能量和沖量估算。

沖擊力:

滑坡涌浪的初始涌浪對對岸碼頭系纜力影響較大，首纜和尾纜的變化規(guī)律基本一致:初始涌浪對同岸船舶系纜力的影響較小，合成波影響較大，首纜和尾纜的變化規(guī)律基本一致。[2]

對岸、同岸碼頭船舶系纜力和撞擊力均隨著涌浪波高的增大而增大，水位的漲落對對岸、同岸碼頭船舶系纜力和撞擊力值影響較小[2];確定了涌浪作用下對岸、同岸碼頭船舶系纜力和撞擊力的安全極限(警成)波高值為0.9m，即系泊船舶碼頭停泊的安全極限(警戒)波高值0.9m[3];對系泊船舶的有效撞擊能量的經(jīng)驗公式進(jìn)行修正，確定了滑坡涌浪作用下船舶撞擊能的經(jīng)驗計算公式，公式適用于涌浪作用下其它的船型及不同船舶裝載度的船鮊撞擊能計算。

二、滑坡涌浪對船舶的浮性的破壞過程

船舶通過滑坡涌浪時，較高的涌浪會越過船舷(越浪)，涌入船舶的貨倉、甲板，海水將貨物浸泡，造成貨物損失，當(dāng)大量波浪涌入時，波浪對船舶的重力加劇，使得船舶的浮力不足，自由液面增多，穩(wěn)性不足，使得暫時或者更嚴(yán)重的永久性淹沒。

波浪下船的其浮性對船舶的安全有著直接的影響，就浮性而言，水上用作運輸?shù)拇に鼈兊母B(tài)有四種:即正浮、機頃、縱傾和任意傾斜。

在正浮狀態(tài)下，船舶既沒有縱傾又沒有模傾，即船觸的中縱創(chuàng)面和中橫制面均垂直于水面，此時船舶有:

W=△=ρ；Xg=Xb；yg=yb=0

W：表示船的重力、△：表示船的浮力、ρ：表示舷外水密度、：表示排水量、Xg：表示重心的縱坐標(biāo)、Xb：表示浮心的縱坐標(biāo)、yg：表示重心的橫坐標(biāo)、yb：表示浮心的橫坐標(biāo)。

此種船舶浮態(tài)下，船舶的安全保障較高。在傾斜狀態(tài)下，船舶可以表現(xiàn)為橫傾狀態(tài)或縱傾狀態(tài)，處于橫傾狀態(tài)時，可得：

W=△=ρ； Xb-Xg=(Zg-Zb)tanφ； yg=yb=0

因此，經(jīng)分析可知，當(dāng)船處于橫傾或過大縱傾時，容易涌上船舶甲板，造成貨物損壞，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致船舶在滑坡涌浪中穩(wěn)性喪失，造成船舶出現(xiàn)永久性的傾斜或者沉沒事故。

船舶在滑坡涌浪保持正常的浮性是重力和浮力相等，當(dāng)船舶在滑坡涌浪中行進(jìn)時，必須保障船舶的浮性，滑坡涌浪對船舶的浮性破壞影響較大，使得船舶可能出現(xiàn)傾覆、沉沒。

由于船舶裝載了貨物，使得船舶干舷的高度預(yù)留不夠，而船舶的浮性與船舶的預(yù)留的船的干舷高度有密切關(guān)系，干舷是指從船舶中部從干舷甲板上邊緣量至有關(guān)滿載水線的垂直距離，其直接影響船舶的儲備浮力，干舷高度根據(jù)實驗表明一要預(yù)留0.5米左右，當(dāng)干舷高度少于這個高度的船舶行駛于有滑坡涌浪險情的地點，船舶的儲備浮力不足，這個危險是毀滅性的。積載不當(dāng)，容易導(dǎo)致船舶干舷過低、儲備浮力不足，在滑坡涌浪的作用下，使船舶容易浸水沉沒。

三、滑坡涌浪對船舶穩(wěn)性的破壞過程

通常船舶受到各種外力的干擾時，船舶會出現(xiàn)任意角度的橫候或者縱傾。船舶的穩(wěn)性是指受外力作用時，船舶發(fā)生傾斜而沒有傾覆，當(dāng)外力作用消失后，仍能恢復(fù)到原來的平衡位置的能力。因此舶的穩(wěn)心的大小可以直接用于評價船舶航行安全性能的好壞。

減小船舶穩(wěn)性的情況：(1)船舶的重心高度較大，從而使得船舶的初始穩(wěn)性較小(GM=KM-KG)。(2)未對貨物進(jìn)行平艙，導(dǎo)致的船舶傾斜。(3)貨物吸收水分后，形成的流態(tài)化貨物。

圖2 靜穩(wěn)性曲線圖

以上情況使得船舶更容易遭受涌浪的危害。一且稍微具有沖擊能量的波抵達(dá)船舶時，就很容易失去穩(wěn)性。船舶的橫傾角大于15°至上甲板邊緣開始入水后的船船穩(wěn)性階段，在此階段內(nèi)，船舶產(chǎn)生的復(fù)原力矩與船舶橫傾角的關(guān)系與船舶的初穩(wěn)性階段一致，均為隨著船舶橫傾角的增大而增大，但在大傾角穩(wěn)性第一階段內(nèi)所產(chǎn)生復(fù)原力矩與初穩(wěn)性階段相比，復(fù)原力矩隨船舶橫傾角增加的幅度更大。同時由于水線面的形狀變化較大，導(dǎo)致漂心的位置不斷變換，使船舶等容微傾的傾斜軸不再通過正浮水線面的漂心，因而在水線面的面積慣性距的改變下使穩(wěn)性半徑改變，最終導(dǎo)致船舶的GM值不斷變化。如圖2所示。

四、滑坡涌浪對浮動設(shè)施的破壞過程及其特征

滑坡涌浪對碼頭及浮動設(shè)施的危害性極大，對于對岸碼頭有一半以上的工況的系泊船舶系纜力和撞擊能值均超過其標(biāo)準(zhǔn)值，且其平均值超過標(biāo)準(zhǔn)值的40%以上:而同岸碼頭也有將近1/3工況超過庫區(qū)港口運行參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，且其均值超過標(biāo)準(zhǔn)值得20%以上。提出通過提高系泊船舶系纜繩強度等級、改變庫區(qū)港口碼頭橡膠護(hù)舷的布置方式等方法，可減小滑坡涌浪對庫區(qū)船舶及碼頭的破壞程度。

涌浪作用下錨泊船舶錨鏈拉力測量值均為脈沖值，且首個脈沖值均為極大值，在出現(xiàn)脈沖極大值之后會不斷出現(xiàn)幾個較大值，然后迅速減小;涌浪初始浪高對不同位置處錨泊船舶錨鏈拉力值起著決定性的作用:通過對滑坡附近錨泊船舶錨鏈最大拉力的統(tǒng)計結(jié)果可知，涌浪直接作用一側(cè)測點錨鏈拉力值較大。這是由F涌浪作用下，船舶發(fā)生偏移，涌浪直接作用一側(cè)船舶錨鏈迅速拉緊，當(dāng)船舶再次向相反側(cè)偏移時，船舶受到涌浪的作用力，速拉緊時，其作用力相對較?。幌禄赂浇帯澋捞?、河道遠(yuǎn)端錨泊船舶安全極限(警戒)波高值分別為：1.5m、0.5m、1m。

五、船舶的航行限制范圍

滑坡涌浪首浪高度與臨滑水深、滑坡體入水角度、滑技的厚度及寬度有關(guān)，涌浪沿程波高與首浪高度、涌浪的傳播距離有關(guān)，即與臨滑水深、滑坡體入水角度、滑坡的厚度及寬度、傳播距尚有關(guān)，井給出了涌浪首浪高度和沿程波高的經(jīng)驗公式。分別見式(1)和(2)

(1)

式中:H為首浪高度，h為臨滑水深，w和b分別為滑塊的厚度和寬度，單位均為m；β為滑坡入水角度，單位為強度。

(2)

式中:H為沿程波高，L為傳播距離，單位均為m。

六、結(jié)束語

對交通管制水域范圍計算分析:

通過目前的資料表明查黃河甘肅地段我們通過實際的查資料和一些有關(guān)的當(dāng)?shù)亓私?，在黃河流入甘肅地段滑坡險情家常便飯，沿岸河道受損壞的嚴(yán)重，(黃河的總的歷 5464公里，它的面積為752443平方公里)，滑坡體，滑下來的物體多數(shù)為沙質(zhì)但硬度較大，體積較大，隱患及其嚴(yán)重，沿岸的水上交通工具受到影響比較嚴(yán)重。陜西省將黃河治理列為重點工作之一。

本文實測和結(jié)合資料得到黃河這段滑移體的縱深長大約150m、它的寬度約100m、厚度約50m、入滑角45°(轉(zhuǎn)換為弧度計算)、當(dāng)時河道實際水深約150m。由船舶限制波高1m作為沿程波高的限制值，由式(2)推算涌浪傳播距離L。

假設(shè)在其航行的船舶交管部門把涌浪在0.3m限制波高下的按計算傳播距離為交通管制水域范圍，可航的水域范圍就如計算出的數(shù)值8920m。結(jié)合內(nèi)河的實際的情況就可以根據(jù)滑坡體誕生的地方劃分在9000米范圍內(nèi)分段實施交通管制。