黃河輕型破冰船開河期破冰試驗

謝志剛，鄧 宇，王吉誥，鄭 興，蘇 磊

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

破冰船破冰是國際上先進的機械破冰技術之一，主要應用在高緯度地區遠洋航行、湖泊或內河航道凌期破冰，為船舶航行時開辟航線。內河破冰主要用于小型河流、航道或港口進出港區域，應用較多的地區有荷蘭、德國、加拿大、芬蘭等國家［1］及我國的東北地區。20世紀五六十年代，黃河下游建造了克凌1號和克凌2號兩艘破冰船，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，加之出現反復封開河的情況，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力沖擊壓迫冰面，利用冰層抗剪切強度小的特點，致使冰層斷裂，達到破冰目的。內河破冰船和破冰機械自重和動力較小，破冰厚度范圍為10～50 cm，破冰效率可達2 000 m2／h。近幾年，國內外也使用兩棲破冰機械，借助機械動力破除冰蓋［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防凌河段［4］。隨著經濟社會的高速發展，跨河橋梁和水工建筑物增多，傳統航彈或火炮破冰實施的難度增大。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械破冰方式，應用于無法實施爆破破冰的河段，具有較好針對性和可操作性。

1 輕型破冰船結構及性能

1.1 破冰船吃水深度分析

內河破冰船主體必須適應凌汛期河道的水文、河床形態。黃河內蒙古段河道凌汛期在不發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于船舶設計而言尤其重要。在船型一定的條件下，吃水深度與排水量相關。船舶排水量大，相應破冰能力強，但吃水深度也大，同時適應河道的能力也差。綜合考慮黃河現行船舶及黃河下游破冰船的研制和應用經驗，本次設計的破冰船吃水深度不宜大于1.4 m。

1.2 船體尺度和主機功率分析

分析國內外內河破冰船參數和試驗河段河道條件，可知船長和船寬決定著船型。一般而言，破冰船屬工程輔助船，長寬比相對航行船只小，即為短而寬的船型。不同類型典型破冰船的長寬比見表1。

黃河內蒙古段河道凌汛期水面寬在300～500 m之間，考慮破冰船作業時調頭的需要，參考現有船舶尺度，破冰船的寬度為7～8 m，船長為20～30 m，較符合該河段作業要求。

冰荷載是破冰船設計建造需考慮的關鍵參數，對破冰船動力的選擇有直接的影響，而冰荷載又與冰力學參數及環境溫度直接相關［5］。對于內蒙古河段，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；彎曲強度在冰溫-10.0、-5.0、-2.5℃時分別為1.2、0.9、0.6 MPa［5］；剪切強度在冰溫-5℃時約為350 kPa；河道典型冰厚為0.4～0.6 m。

應用Lindqvist公式預測船破冰阻力。Lindqvist公式基于冰阻力與速度為線性關系的假設，將冰阻力分為3部分進行計算，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；V為船速；g為重力加速度。

破碎阻力RC計算公式為

式中：ρw為水密度；ρi為冰密度；T為吃水深度。

主要計算參數見表2。計算得到航速4節、彎曲強度0.6 MPa情況下，冰厚為0.3、0.4、0.5 m時對應的預報總阻力分別為179、272、380 kN。冰荷載隨著冰厚的增加而急劇增大；航速4節、在平整冰情況下，冰厚為0.4 m時對應總阻力大于200 kN，破冰船的功率不應小于400 kW。

表2 主要計算參數

1.3 結構參數與性能設定

依據黃河內蒙古河道特征及破冰實際需求，由包頭市平安航運有限責任公司建造了用于黃河內蒙古河段的輕型破冰船。破冰船類型為工程輔助船，航區為內河C級航區。船型為鋼質、單甲板、雙槳、雙舵、艉機型，具有前傾式船艏和方艉。船總長27.7 m，型寬7.0 m、型深2.2 m，設計吃水深度1.3 m，主機為2臺柴油機，主機功率772 kW，總噸位116 t。船體前部設計輔助破冰機構。破冰機構選用斗山300挖掘機上部結構，由控制臺、伸縮臂、破冰器構成。

破冰功能分為連續式破冰、沖撞式破冰、輔助式破冰和碎冰區航行4種模式。連續式破冰是依靠船體自重在低速航行中連續壓破壓斷冰蓋的破冰方式，這種方式一般應用于冰厚小于20 cm的冰層。沖撞式破冰是利用船的速度和質量反復沖擊冰蓋造成冰塊破裂的破冰方式，這種方式一般應用于大面積冰蓋且冰厚大于20 cm時。輔助式破冰和碎冰區航行是依靠輔助破冰器的鏟斗和挖機臂對大塊較厚冰塊（厚度一般大于40 cm）或大面積碎冰堆積體進行錘擊、鏟擊和挖掘作業進行破冰的方式。內河破冰不同于海洋和港口破冰，破冰船沒有從無冰區進入有冰區的過程。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船體掉頭和降低船體周圍冰凌密度，達到自身脫困效果。

2 破冰試驗

2.1 仿真試驗

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

圖1 冰厚0.3 m時不同彎曲強度對應的破冰阻力

2.2 現場試驗

2021年2月28日—3月2日，在黃河內蒙古德勝泰大橋上游2 km處河道內進行了4種破冰模式的現場試驗。該河段凌汛期觀測到的最大冰厚為0.85 m。試驗前，現場探測冰層最大厚度為0.6 m，最小厚度0.2 m。試驗結果顯示，整體破冰情況與仿真測試預估成果基本一致。

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

圖2 連續式破冰模式

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力，破冰船僅能短距離反復沖擊冰蓋。船艏處冰荷載在同一肋骨上衰減較快，船舶舷側縱向構件的強度較高，冰激應變幾乎不能影響到相鄰肋位。通過觀察船艏舷部外側甲板，發現船體與大塊冰蓋擠壓、摩擦、沖擊下，船首右側出現了多處刮擦痕跡，但是鋼板并未出現凹陷和破損。船體結構設計滿足破冰要求。

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兩層冰的結構，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，形成下壓和振動的合力，破冰效率較高。歷經1 h破冰，最大破冰厚度大于0.5 m，破冰面積達2 200 m2／h。

在碎冰區航行模式下，原航線上的平整冰區在船-冰作用下已破碎為大量較小塊不規則的浮冰，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構發生作用，冰塊體積較小，與船體產生的冰激勵響應可以忽略。

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

3 結 語

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

（1）設計建造的輕型破冰船船型為鋼質、單甲板、雙槳、雙舵、艉機型，具有前傾式船艏和方艉。船總長27.7 m，型寬7.0 m，設計吃水深度1.3 m，主機為2臺柴油機，主機功率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果可知，輕型破冰船在黃河內蒙古河段開河期進行破冰試驗滿足設計需求。

（3）通過對連續式破冰、沖撞式破冰、輔助式破冰和碎冰區航行4種模式下現場破冰試驗分析可知，連續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）黃河內蒙古河段凌汛期具有河槽窄、水深淺、冰層厚的特點，破冰船型深和吃水深度一般設計得較小。封河期發動機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造成雜物纏繞和附著。建議在應用中，改變目前的水箱壓重方式為配重塊壓重。在流凌期，輕型破冰船停靠碼頭后，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，做好破冰準備。