庫區滑坡涌浪水域船舶系泊系統動力特性試驗研究

袁培銀，趙 宇

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

三峽庫區內水位交替變化，庫區兩岸邊坡長時間受到水體浸泡及沖擊、地震、暴雨等影響，岸坡上散體或塊體失穩沖入河道內會形成滑坡涌浪，其會沿著河道上下游傳播，對河道內的建筑、人員、設備設施產生直接影響[1]。為保證三峽庫區船舶通航的安全性，提高海事部門在災害下應急應變能力，減少傷亡及損失，研究庫區滑坡涌浪水域船舶系泊系統的動力特性，具有極高的社會效益和經濟效益[2]。

Mohammed等[3]基于Froude相似原理，開展三維滑坡涌浪物理模型試驗，研究滑坡入水體積和入水沖擊速度對滑坡涌浪特性的影響。楊渠鋒等[4]利用室內水槽試驗，以不同滑坡類型為工況，研究滑坡初始涌浪高度的變化規律。袁培銀等[5]采用物理模型試驗的方法研究了涌浪傳播至船舶附近時的爬高特性，研究表明涌浪受障礙物阻攔后的回流波與初始波疊加，在船舶附近產生多次波峰，會對船舶造成二次危害。胡小衛[6]通過大規模物理模型試驗，以三峽庫區土質滑坡和陡巖滑坡為變量，對滑坡坡度、固流有效接觸面積、水深等因素進行分析，推導滑坡涌浪的經驗計算公式和能量交換系數。Sergej等[7]以1∶20的縮尺比進行模型試驗，研究極端滑坡涌浪載荷對系泊纜索布置的影響。Carlos等[8]通過系泊試驗，研究滑坡涌浪作用下系泊結構物運動響應的非線性成分。許海勇等[9]通過三維物理模型試驗，研究滑坡涌浪隨傳播距離的變化規律。Lindstrom[10]通過二維水槽模型試驗，研究滑坡體類型對涌浪特性的影響，探討滑坡體滲透性對涌浪的形成機理。Evers等[11]基于三維滑坡涌浪水池模型試驗，對滑坡涌浪高度的衰減規律進行研究，驗證滑坡涌浪產生項和滑坡涌浪傳播衰減項的準確性。Tessema等[12]研究滑坡體產生的涌浪對壩體的沖頂機理，提出基于滑體體積、滑體釋放高度、靜水深的最大波峰預測方程。徐曉菲等[13]、田野等[14]利用水槽物理模型試驗的方法，研究三峽庫區滑坡涌浪對躉船、橋墩的撞擊規律，通過多元回歸分析滑坡涌浪對躉船撞擊力和橋墩最大沖擊波壓的計算公式。

中外采用物理模型試驗對滑坡涌浪及系泊系統進行了一定程度的研究，現采用物理模型試驗方法，研究滑坡涌浪對船舶系泊系統的動力響應影響，為三峽庫區船舶通航安全提供新的理論依據。

1 庫區滑坡涌浪試驗模型設計

依據河道橫斷面圖，按照縮尺比，建造滑坡涌浪模型試驗水槽，水槽中心線長60 m，寬8 m，河道轉彎處呈90°，結合三峽庫區巖體特點，分析滑坡體的離散程度，采用不同規格滑坡體疊放的方式，確定滑坡體的方量[15]。工況主要考慮因素：船舶系泊位置、船泊錨鏈布置、船舶與入水點距離，制定物理模型試驗方案過程中，通過搜集三峽庫區水位變化資料，確定試驗水深為0.74 m[16]?；掠坷税l生裝置采用可前后移動、上下升降及角度調節的控制裝置(自制滑架及滑槽)，試驗過程中，通過超聲滑坡涌浪采集分析儀對滑坡涌浪的波高、周期進行實時監測，錨鏈拉力的測試是采用動態信號測試分析系統。

1.1 模型縮尺比

為獲得原型和模型中的物理現象相似，物理模型試驗設計需滿足相似理論，即幾何相似、運動相似、動力相似[17]。

1.2 測點布置

1.2.1 船舶及浪高儀布置

如圖1所示，船舶布置在#A、#B兩點，#A點設置在距離滑坡點對岸3.5 m處，#B點設置在距離#A點8.3 m處的水平線上。為了保證浪向角一致，在#A點位置船舶沿河道平行于河岸布置，#B點船舶于河岸呈112°角布置，船艏朝河道的凸岸。要求精準地監測到滑坡體產生涌浪的滑坡涌浪要素以及涌浪傳播到#A、#B兩點位置時滑坡涌浪要素的變化情況，以便研究滑坡涌浪衰減對系泊船舶的影響，且為避免滑塊撞擊到波高儀，選取了距離船舶0.5 m處的D1和D2作為滑坡涌浪要素監測點。

圖1 船舶位置及浪高儀布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of ship model position and wave height meter layout

1.2.2 系泊錨鏈的布置

試驗選取的系泊方式為張緊式，錨鏈一端固定在河道模型的河床上，距離船舶重心的系泊半徑為1.5 m。船舶采用4根錨鏈的多點系泊形式時，錨鏈分別固定在船艏和船艉的左右舷兩側，采用兩根錨鏈的系泊形式時錨鏈分別固定在船舶艏艉的中線上，不同的船舶系泊布置方式示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 多點系泊示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi-point mooring

圖3 艏艉系泊示意圖Fig.3 Schematic diagram of head and tail mooring

1.3 船舶設計

1.3.1 船舶及錨鏈設計

根據傅汝德相似定律，按照模型和實船1∶70的縮尺比，對3 000 t的實船進行縮放制作，保證船舶的重心、吃水、自振周期均與實船的相應參數保持相似。船舶和實船的主要參數如表1所示。船舶所用材質選用易加工的木板和木條制作。為保證船舶水密性和結構強度的要求，利用玻璃鋼對船體進行結構加強，以達到試驗要求。為保證試驗船舶的安全性，船舶載況選用滿載排水量，試驗過程中，為有效減小誤差及試驗的不確定性，每組試驗工況開始前，對水面漂浮物、實驗室防風措施、滑槽的光滑度進行處理，以保證試驗結果的準確性。

表1 船舶參數表Table 1 Ship parameter table

根據海港工程設計手冊中錨鏈強度要求，查閱實船錨鏈直徑為42 mm，依據相似準則采用1∶70的縮放比例，試驗設計錨鏈的直徑為0.6 mm。為滿足重力相似，設計試驗所用錨鏈材質采用不銹鋼，并配有彈簧及重物塊。根據懸鏈線方程，計算錨鏈拋出長度、系泊半徑等，所選取錨鏈長度為2 m，錨鏈參數如表2所示，錨鏈環示意圖如圖4所示。

表2 錨鏈參數表Table 2 Anchor chain parameter table

圖4 錨鏈環示意圖Fig.4 Schematic diagram of anchor chain ring

1.3.2 河道模型設計

根據三峽庫區貨運量的統計分析，試驗選取重慶萬州段航道進行建造，整個試驗過程中的縮尺比均為1∶70，采用橫截面分段建造法進行施工[19]，河道模型寬度為8 m，河道模型如圖5所示。

圖5 河道模型Fig.5 River model

1.4 試驗模型設計

(1)滑坡體。根據實地調研結果，需要按照三峽庫區滑坡體參數，采用河沙、水泥等材料進行配比，預制模具對滑坡體進行不同幾何尺寸的制作，通過不同規格的塊體模擬滑坡體的離散程度，裂隙發育情況。

(2)滑槽。采用鐵質材料制作滑槽，為保證滑坡體下滑條件相同，將滑槽底部平板打磨拋光，滑槽長度為2 m，兩側為可變寬度擋板，可變范圍為0.5～1.5 m，如圖6所示。

圖6 滑坡體與滑槽Fig.6 Landslide mass and chute

(3)滑架。滑架采用20號的槽鋼制作而成，滑架上配有滑槽，提升裝置，角度調節器，滑架的高度、寬度為2 m，側面長度為3 m。

(4)測量設備。對于波高和周期的監測，采用重慶西南水運工程科學研究所自主研發的超聲滑坡涌浪采集分析儀，采集時間為50 s，頻率為50 Hz，測試分析系統及采集系統如圖7和圖8所示。

1.5 試驗方案選擇

結合巖體滑坡模型設計考慮，采用單因子試驗方案設計，滑坡體方量為1.0 m×1.0 m×0.4 m，水深0.74 m，滑坡傾角40°，共4組試驗工況，如表3所示。

表3 工況表Table 3 Working condition table

2 滑坡涌浪作用下船舶系泊系統的動力特性分析

不同方量的滑坡體入水后，與水體進行能量交換，激起滑坡涌浪，滑坡涌浪在傳播過程中，能量逐漸衰減，為了更清楚地研究滑坡涌浪作用下系泊系統的動力特性，采用固定變量法，深入分析滑坡涌浪水域船舶系泊系統的動力特性。

2.1 不同系泊形式下系泊系統動力特性

圖9為各工況系泊纜索頂端張力的時間歷程曲線，可以看出，各工況作用下，系泊纜索呈現出張緊松弛狀態，且系泊纜索時間歷程曲線變化趨勢與滑坡涌浪各時刻波高變化趨勢一致。

圖10為不同系泊形式的錨鏈最大拉力對比圖，由圖10可知，采用艏艉系泊方式錨鏈所受最大拉力值大于多點系泊方式錨鏈的最大拉力值，以系泊方式為單一變量，艏艉系泊錨鏈數量較少，每根錨鏈所受到的分量較大，而采用多點系泊系統時，錨鏈受力相對均勻，在復雜水域環境條件下，采用多點系泊系統能夠更好地保障船舶安全性。

2.2 不同位置下系泊系統動力特性

如圖11和圖12所示，工況2、3和工況1、4進行對比研究，工況2中船舶距滑坡點的距離大于工況3，最大拉力出現的時刻工況2延后于工況3，且錨鏈的拉力在工況3時遠大于工況4錨鏈拉力。在工況2和工況3中，越靠近滑坡點錨鏈受到的最大拉力越大，表明在距離滑坡點越近的位置，波能量越大，對船舶運動響應影響越明顯。對于多點系泊系統存在同樣特性，表明發生滑坡涌浪時，船舶在遠離滑坡點時所受到的影響越小。對比工況1和工況4，位置B處船艏錨鏈所受拉力大于船艉錨鏈拉力。

圖12 多點系泊錨鏈最大拉力對比圖Fig.12 Comparison chart of maximum tension of multi-point mooring chain

2.3 滑坡涌浪沿程衰減對船舶系泊系統的動力特性影響

工況2、3下錨鏈拉力隨涌浪變化，如圖11所示。工況3對比圖表明錨鏈拉力的大小變化和滑坡涌浪衰減的趨勢一致，波高越大的區域錨鏈拉力越大；錨鏈拉力較大值多集中出現在波形變化的初始區域。對于工況2而言，涌浪從滑坡點傳播到船舶放置的B位置處能量較小，使得錨鏈拉力值在工況2時要明顯小于工況3。作用于船體或岸堤后的滑坡涌浪會在其表面發生反射，與初始方向傳來的滑坡涌浪經過多次疊加后波能增加，使得錨鏈拉力最大值出現在滑坡涌浪作用于船體相當長一段時間之后。以上特征表明在距離滑坡點較近位置處，錨鏈拉力最大值的大小取決于初始波能大??；在距離滑坡點較遠位置處，錨鏈拉力最大值取決于合成波波能大小。錨鏈拉力大小的變化與波高隨時間的變化一致。

圖11 艏艉系泊錨鏈最大拉力對比圖Fig.11 Comparison of the maximum tension of the first and last mooring chains

3 結論

通過不同工況下船舶系泊錨鏈的受力及不同位置處涌浪的衰減情況的研究，對比分析相同位置不同系泊方式錨鏈的受力情況、不同位置相同系泊方式時錨鏈的受力情況，主要結論如下。

(1)采用艏艉系泊形式情況下，滑坡涌浪對船艏錨鏈的作用大于對船艉錨鏈的作用。

(2)采用多點系泊方式可以降低錨鏈設計時的強度要求，減小系泊船舶系纜力，多點系泊系統的系泊性能比艏艉系泊系統更好，可以為錨鏈設計和選用不同的系泊方式提供依據。

(3)在距離滑坡點較近位置處，錨鏈拉力最大值的大小取決于初始波能大小，在距離滑坡點較遠位置處，錨鏈拉力最大值取決于合成波波能大小。

(4)相同系泊方式，船舶遠離滑坡點時所受到的影響越小，頂端張力最大值與滑坡涌浪傳播過程中能量耗散程度有關。