滑坡涌浪水域船舶通航安全試驗研究

袁培銀，王平義，趙 宇,3，喻 濤，韓林峰，程志友

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2. 重慶交通大學 航運與船舶工程學院，重慶 400074；3. 重慶交通大學 建筑與城市規劃學院 重慶 400074)

0 引 言

陸地上的滑坡會對城市建設、公路產生直接影響，而在水庫、河流、港口或者海岸等具有一定水深的區域發生山體滑坡，將會產生巨大的水波散射傳播，突發涌浪會對航道內的船舶產生巨大的沖擊力，造成船舶橫搖運動幅值過大，船舶翻沉。2015年6月，重慶巫山大寧河江東寺北岸發生嚴重山體滑坡，事故造成21艘船舶翻沉，另有21艘靠泊船舶斷纜漂航，導致長江干線附近水域航道禁航，2017年12月菲律賓東部連續降雨，發生大規模洪水及山體滑坡，致使29人死亡，23人失蹤，直接受到山體滑坡影響的村民有33戶，間接受到山體滑坡影響的有196戶。

對于滑坡涌浪的傳播規律及船舶在波浪中的運動影響分析，國內外專家做過相關的部分研究。H. M.Fritz等[1]利用三維物理試驗方法對涌浪影響參數進行研究，分析涌浪引起的流場特點；Rita Fernandes de Carvalha[2]通過試驗研究分析涌浪的影響因素及對庫岸的實時壓力；B. Ataie-Ashtiani[3]通過120組模型試驗，分析了波浪周期、振幅和能量在涌浪作用下的變化趨勢；M. Di Risio 等[4]通過半橢圓形的剛性滑坡模型對圓形岸邊的滑坡涌浪高度進行監測；隨著時域計算范圍的發展，非線性的影響愈加成為研究重點。Debabrata Sen[5]通過計算得到非線性項對船舶運動響應的影響，Mingkang Wu等[6]根據非線性時域方程求解出波浪作用下船舶運動響應結果；汪洋等[7]對滑坡涌浪的形成原因進行分析并對流體力學明渠非恒定流理論進行深入理解，基于滑坡涌浪產生的運動連續性，計算滑坡涌浪在緩慢衰減和急劇衰減2個階段的傳播情況；馬山[8]利用二維時域格林函數方法，研究了船舶在高速航向狀態下的水動力特性、運動和載荷響應；段文洋等[9]采用模型試驗的方法，對船舶在涌浪作用時的甲板上浪現象進行研究，并得出上浪沖擊壓力的特點和規律，得到船舶運動、上浪沖擊壓力等時實數據；韓端鋒等[10]對船舶在冰區航行時所受到的冰阻力進行研究分析，并對經驗計算、數值模擬和試驗研究的方法進行總結對比。

1 物理模型試驗設計

1.1 試驗相似理論

基于相似性原理，為使模型試驗和實際情況得到的現象相似，需要滿足幾何相似，運動相似和動力相似的條件。縮尺比即實物和模型各項相應線性尺度之比，其值為常數：

式中：L，B，d分別為長度，寬度及吃水；下標m及s分別為模型和實體；為縮尺比。

在對波浪作用下船舶或海洋結構物運動問題進行相似實驗研究時，通常不考慮黏性的影響，實驗過程中只需保持實體與模型的傅汝德數和斯特勞哈爾數相等，即兩者的重力和慣性相似：

式中：V，L，T分別為速度，特征線尺度及主要周期。

1.2 試驗河道及滑坡體模型設計

本文選取長江流域萬州沱口河段為研究對象，橫截面水寬為804.8 m。模型的設計按照縮尺比1:70進行制作，模型制作采用斷面法，概化、處理河底地形。試驗工況根據“地質災害防治監測預警工程專業監測崩塌滑坡體災害點涌浪分析與危害評估”報告中列出的122個滑坡體尺寸、滑移速度以及斜坡角等因素的分析并利用正交試驗法確定，對不同工況的滑坡涌浪作用下船舶運動響應全過程進行研究。本文滑坡體密度參考巖體的常見密度為2.3～2.8 g/cm3，而庫區滑坡體多為泥巖和砂巖，砂巖天然密度2.2～2.7 g/cm3，泥巖天然密度 2.45～2.65 g/cm3。

1.3 船體模型設計

本文選取3 000 t甲板駁船作為試驗船模，采用鐵質砝碼壓載方法控制船舶的不同載重，使船舶模型滿足吃水、重量、重心位置、質量慣性矩和自振周期與原型基本相似，表1為船舶試驗模型的尺度。

表1 船舶試驗模型尺度Tab. 1 Parameters of ship model

1.4 試驗量測系統

本文試驗通過重慶交通大學西南水運工程科學研究所研制的UBL-2超聲波多點波浪系統采集試驗數據，采集頻率為25 Hz。試驗過程中在船舶航行區域布置若干監測點，對采集的波面散點數據進行處理，可計算得到各監測點準確的涌浪高度，并監測甲板駁船的橫搖運動幅值。

表2 試驗工況設計Tab. 2 Design of working condition

1.5 試驗工況設計

2 船舶運動方程的描述

本文研究船舶在波浪中的運動時，將其視為剛體在無限介質中的運動，適合剛體運動的一般規律。剛體的運動包括質心的平動和繞質心的轉動，根據質心運動的動量定理和繞質心運動的動量矩定理，可得：

其中：M為剛體的質量；v0為質心的運動速度； ω為繞質心的某瞬時軸轉動的角速度；交變張量符號 εijk的定義如下：

式中：3個下標有2個相同時，其值為0；3個下標成偶排列時，其值為1；3個下標成奇排列時，其值為–1；

由于慣性矩I都是在隨體坐標系內計算，因此其是一個定量，故動量矩定理可寫成：

式（4）為坐標系中的一般剛體運動方程，它可以用來描述船舶在波浪中的運動。

3 試驗結果研究

3.1 滑坡涌浪傳播及衰減規律

根據彎曲河段波高等值線圖，沿程涌浪的波高衰減可以分為滑坡體寬度范圍內衰減區域，滑坡體寬度范圍外直道衰減區域，彎道衰減區域和過彎后衰減區域4個區域，如圖1所示。

圖1 河道波高衰減區域圖Fig. 1 The regional figure of wave height attenuation in the channel

滑坡涌浪受河道形態和斷面形狀的影響，在沿河道傳播過程中傳播和衰減規律有所差異。選取工況5波高在滑坡體寬度范圍內直道、滑坡體寬度范圍外直道和彎道處的衰減曲線如圖2所示。

圖2 巖體滑坡涌浪波高衰減圖Fig. 2 The wave height attenuation of landslide surge

從圖2可以看出，涌浪在彎道處的傳播呈現隨距離的增加，浪高減小同時衰減緩慢的特點。距離相同時，滑坡體寬度范圍內直道波高衰減最慢，滑坡寬度范圍外直道次之，而彎道波高的衰減最快。這是由于滑坡入水過程中，滑坡體寬度范圍內直道方向在滑坡體與水體之間的能量轉換相比其他兩種情況更加完全，同時向兩側傳遞，因此波高在滑坡體寬度范圍內衰減最慢。彎道中的水面介質范圍相比于直道的范圍更廣，所以在彎道中波高的衰減最快。

3.2 船舶橫搖運動幅值結果分析

船舶的6個自由度是指在笛卡爾直角坐標系內，沿著3個軸移動和繞3個軸轉動的6種運動形式，其中最大橫搖角度作為國際海事組織規定船舶隨浪航行安全的重要指標，其角度不能超過40°，當橫搖角度大于40°時船舶的穩定特征發生改變，甚至導致災難性的危害。為了防止貨物移動和甲板上浪等問題，船舶行船安全的標準還需考慮船舶進水角和最大動傾角的影響，取其最小值，因此本文取工程經驗值15°。

試驗主要研究巖體滑坡涌浪影響下，船舶由靜止到左右舷擺動，再到船體靜止的過程中船體隨時間的運動規律，重點分析橫搖角度隨時間的變化曲線。選定編號為19，20，21，22，23，24六組工況條件，其時域圖分別如圖3～圖8所示，圖中縱軸正方向表示順涌浪傳播方向，縱軸負方向表示逆涌浪傳播方向。

由圖3～圖8橫搖時程曲線圖可知，結合試驗結果得出滑坡涌浪影響下船舶橫搖運動響應規律：1）波要素對橫搖初始方向具有很大影響，當波峰先與船體接觸時船體向順波浪方向傾斜，當波谷先接觸船體時船體向逆波浪方向傾斜。2）橫搖角度會因為原始波的作用在整個過程中先達到最大值，之后在作用力和阻力的影響下再迅速呈非線性衰減。3）基于船體在靜止時豎中線的橫搖左右幅值不對稱，船體初始向左傾斜時，左側的橫搖幅值較大；船體初始向右傾斜時，右側的橫搖幅值較大。4）由于橫搖影響，易引起集裝箱發生位置上的偏移，甚至落水，從而改變了船體重心位置，影響船舶行駛穩定性。5）當橫搖運動幅度過大時會產生甲板上浪等現象，嚴重時會影響船員、貨物以及航行的安全。

圖3 工況 19 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 3 The time history of roll motion in case 19

圖4 工況 20 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 4 The time history of roll motion in case 20

圖5 工況 21 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 5 The time history of roll motion in case 21

圖6 工況 22 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 6 The time history of roll motion in case 22

圖7 工況 23 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 7 The time history of roll motion in case 23

圖8 工況 24 船舶橫搖運動時歷曲線Fig. 8 The time history of roll motion in case 24

4 結 語

1）山體滑坡所產生的滑坡涌浪，衰減趨勢在不同區域范圍內有所差別；

2）山體滑坡涌浪的浪高在沿程傳播時會隨距離的增加而不斷衰減；

3）滑坡體不同的斷面形狀，即不同的長寬比，滑坡體與水體能量交換的充分程度不同；

4）船舶在滑坡涌浪作用下，其初始運動方向很大程度上取決于涌浪傳播特性；

5）由于滑坡涌浪的初始波高較大，船舶初始橫搖幅值較大，隨著涌浪傳播過程中能量衰減，船舶橫搖幅值逐漸減小，最終恢復正常狀態。