袁培銀，趙 宇

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

三峽庫區(qū)內(nèi)水位交替變化，庫區(qū)兩岸邊坡長時(shí)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(wěn)沖入河道內(nèi)會(huì)形成滑坡涌浪，其會(huì)沿著河道上下游傳播，對(duì)河道內(nèi)的建筑、人員、設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生直接影響[1]。為保證三峽庫區(qū)船舶通航的安全性，提高海事部門在災(zāi)害下應(yīng)急應(yīng)變能力，減少傷亡及損失，研究庫區(qū)滑坡涌浪水域船舶系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性，具有極高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)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(yàn)，研究滑坡入水體積和入水沖擊速度對(duì)滑坡涌浪特性的影響。楊渠鋒等[4]利用室內(nèi)水槽試驗(yàn)，以不同滑坡類型為工況，研究滑坡初始涌浪高度的變化規(guī)律。袁培銀等[5]采用物理模型試驗(yàn)的方法研究了涌浪傳播至船舶附近時(shí)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(chǎn)生多次波峰，會(huì)對(duì)船舶造成二次危害。胡小衛(wèi)[6]通過大規(guī)模物理模型試驗(yàn)，以三峽庫區(qū)土質(zhì)滑坡和陡巖滑坡為變量，對(duì)滑坡坡度、固流有效接觸面積、水深等因素進(jìn)行分析，推導(dǎo)滑坡涌浪的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式和能量交換系數(shù)。Sergej等[7]以1∶20的縮尺比進(jìn)行模型試驗(yàn)，研究極端滑坡涌浪載荷對(duì)系泊纜索布置的影響。Carlos等[8]通過系泊試驗(yàn)，研究滑坡涌浪作用下系泊結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的非線性成分。許海勇等[9]通過三維物理模型試驗(yàn)，研究滑坡涌浪隨傳播距離的變化規(guī)律。Lindstrom[10]通過二維水槽模型試驗(yàn)，研究滑坡體類型對(duì)涌浪特性的影響，探討滑坡體滲透性對(duì)涌浪的形成機(jī)理。Evers等[11]基于三維滑坡涌浪水池模型試驗(yàn)，對(duì)滑坡涌浪高度的衰減規(guī)律進(jìn)行研究，驗(yàn)證滑坡涌浪產(chǎn)生項(xiàng)和滑坡涌浪傳播衰減項(xiàng)的準(zhǔn)確性。Tessema等[12]研究滑坡體產(chǎn)生的涌浪對(duì)壩體的沖頂機(jī)理，提出基于滑體體積、滑體釋放高度、靜水深的最大波峰預(yù)測(cè)方程。徐曉菲等[13]、田野等[14]利用水槽物理模型試驗(yàn)的方法，研究三峽庫區(qū)滑坡涌浪對(duì)躉船、橋墩的撞擊規(guī)律，通過多元回歸分析滑坡涌浪對(duì)躉船撞擊力和橋墩最大沖擊波壓的計(jì)算公式。

中外采用物理模型試驗(yàn)對(duì)滑坡涌浪及系泊系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的研究，現(xiàn)采用物理模型試驗(yàn)方法，研究滑坡涌浪對(duì)船舶系泊系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)影響，為三峽庫區(qū)船舶通航安全提供新的理論依據(jù)。

1 庫區(qū)滑坡涌浪試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

依據(jù)河道橫斷面圖，按照縮尺比，建造滑坡涌浪模型試驗(yàn)水槽，水槽中心線長60 m，寬8 m，河道轉(zhuǎn)彎處呈90°，結(jié)合三峽庫區(qū)巖體特點(diǎn)，分析滑坡體的離散程度，采用不同規(guī)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(diǎn)距離，制定物理模型試驗(yàn)方案過程中，通過搜集三峽庫區(qū)水位變化資料，確定試驗(yàn)水深為0.74 m[16]?；掠坷税l(fā)生裝置采用可前后移動(dòng)、上下升降及角度調(diào)節(jié)的控制裝置(自制滑架及滑槽)，試驗(yàn)過程中，通過超聲滑坡涌浪采集分析儀對(duì)滑坡涌浪的波高、周期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，錨鏈拉力的測(cè)試是采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。

1.1 模型縮尺比

為獲得原型和模型中的物理現(xiàn)象相似，物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)需滿足相似理論，即幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似[17]。

1.2 測(cè)點(diǎn)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(diǎn)，#A點(diǎn)設(shè)置在距離滑坡點(diǎn)對(duì)岸3.5 m處，#B點(diǎn)設(shè)置在距離#A點(diǎn)8.3 m處的水平線上。為了保證浪向角一致，在#A點(diǎn)位置船舶沿河道平行于河岸布置，#B點(diǎn)船舶于河岸呈112°角布置，船艏朝河道的凸岸。要求精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到滑坡體產(chǎn)生涌浪的滑坡涌浪要素以及涌浪傳播到#A、#B兩點(diǎn)位置時(shí)滑坡涌浪要素的變化情況，以便研究滑坡涌浪衰減對(duì)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(jiān)測(cè)點(diǎn)。

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(yàn)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(diǎn)系泊形式時(shí)，錨鏈分別固定在船艏和船艉的左右舷兩側(cè)，采用兩根錨鏈的系泊形式時(shí)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(diǎn)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(shè)計(jì)

1.3.1 船舶及錨鏈設(shè)計(jì)

根據(jù)傅汝德相似定律，按照模型和實(shí)船1∶70的縮尺比，對(duì)3 000 t的實(shí)船進(jìn)行縮放制作，保證船舶的重心、吃水、自振周期均與實(shí)船的相應(yīng)參數(shù)保持相似。船舶和實(shí)船的主要參數(shù)如表1所示。船舶所用材質(zhì)選用易加工的木板和木條制作。為保證船舶水密性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，利用玻璃鋼對(duì)船體進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，以達(dá)到試驗(yàn)要求。為保證試驗(yàn)船舶的安全性，船舶載況選用滿載排水量，試驗(yàn)過程中，為有效減小誤差及試驗(yàn)的不確定性，每組試驗(yàn)工況開始前，對(duì)水面漂浮物、實(shí)驗(yàn)室防風(fēng)措施、滑槽的光滑度進(jìn)行處理，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 船舶參數(shù)表Table 1 Ship parameter table

根據(jù)海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)中錨鏈強(qiáng)度要求，查閱實(shí)船錨鏈直徑為42 mm，依據(jù)相似準(zhǔn)則采用1∶70的縮放比例，試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨鏈的直徑為0.6 mm。為滿足重力相似，設(shè)計(jì)試驗(yàn)所用錨鏈材質(zhì)采用不銹鋼，并配有彈簧及重物塊。根據(jù)懸鏈線方程，計(jì)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(shù)如表2所示，錨鏈環(huán)示意圖如圖4所示。

表2 錨鏈參數(shù)表Table 2 Anchor chain parameter table

圖4 錨鏈環(huán)示意圖Fig.4 Schematic diagram of anchor chain ring

1.3.2 河道模型設(shè)計(jì)

根據(jù)三峽庫區(qū)貨運(yùn)量的統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)選取重慶萬州段航道進(jìn)行建造，整個(gè)試驗(yàn)過程中的縮尺比均為1∶70，采用橫截面分段建造法進(jìn)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(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

(1)滑坡體。根據(jù)實(shí)地調(diào)研結(jié)果，需要按照三峽庫區(qū)滑坡體參數(shù)，采用河沙、水泥等材料進(jìn)行配比，預(yù)制模具對(duì)滑坡體進(jìn)行不同幾何尺寸的制作，通過不同規(guī)格的塊體模擬滑坡體的離散程度，裂隙發(fā)育情況。

(2)滑槽。采用鐵質(zhì)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(cè)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?；懿捎?0號(hào)的槽鋼制作而成，滑架上配有滑槽，提升裝置，角度調(diào)節(jié)器，滑架的高度、寬度為2 m，側(cè)面長度為3 m。

(4)測(cè)量設(shè)備。對(duì)于波高和周期的監(jiān)測(cè)，采用重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所自主研發(fā)的超聲滑坡涌浪采集分析儀，采集時(shí)間為50 s，頻率為50 Hz，測(cè)試分析系統(tǒng)及采集系統(tǒng)如圖7和圖8所示。

1.5 試驗(yàn)方案選擇

結(jié)合巖體滑坡模型設(shè)計(jì)考慮，采用單因子試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，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(yàn)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(tǒng)的動(dòng)力特性分析

不同方量的滑坡體入水后，與水體進(jìn)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(tǒng)的動(dòng)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(tǒng)的動(dòng)力特性。

2.1 不同系泊形式下系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性

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

圖10為不同系泊形式的錨鏈最大拉力對(duì)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(diǎn)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(shù)量較少，每根錨鏈所受到的分量較大，而采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)時(shí)，錨鏈?zhǔn)芰ο鄬?duì)均勻，在復(fù)雜水域環(huán)境條件下，采用多點(diǎn)系泊系統(tǒng)能夠更好地保障船舶安全性。

2.2 不同位置下系泊系統(tǒng)動(dòng)力特性

如圖11和圖12所示，工況2、3和工況1、4進(jìn)行對(duì)比研究，工況2中船舶距滑坡點(diǎn)的距離大于工況3，最大拉力出現(xiàn)的時(shí)刻工況2延后于工況3，且錨鏈的拉力在工況3時(shí)遠(yuǎn)大于工況4錨鏈拉力。在工況2和工況3中，越靠近滑坡點(diǎn)錨鏈?zhǔn)艿降淖畲罄υ酱?，表明在距離滑坡點(diǎn)越近的位置，波能量越大，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響越明顯。對(duì)于多點(diǎn)系泊系統(tǒng)存在同樣特性，表明發(fā)生滑坡涌浪時(shí)，船舶在遠(yuǎn)離滑坡點(diǎn)時(shí)所受到的影響越小。對(duì)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(diǎn)系泊錨鏈最大拉力對(duì)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(duì)船舶系泊系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)比圖表明錨鏈拉力的大小變化和滑坡涌浪衰減的趨勢(shì)一致，波高越大的區(qū)域錨鏈拉力越大；錨鏈拉力較大值多集中出現(xiàn)在波形變化的初始區(qū)域。對(duì)于工況2而言，涌浪從滑坡點(diǎn)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(shí)要明顯小于工況3。作用于船體或岸堤后的滑坡涌浪會(huì)在其表面發(fā)生反射，與初始方向傳來的滑坡涌浪經(jīng)過多次疊加后波能增加，使得錨鏈拉力最大值出現(xiàn)在滑坡涌浪作用于船體相當(dāng)長一段時(shí)間之后。以上特征表明在距離滑坡點(diǎn)較近位置處，錨鏈拉力最大值的大小取決于初始波能大?。辉诰嚯x滑坡點(diǎn)較遠(yuǎn)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(shí)間的變化一致。

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

3 結(jié)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(duì)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(shí)錨鏈的受力情況，主要結(jié)論如下。

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

(2)采用多點(diǎn)系泊方式可以降低錨鏈設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度要求，減小系泊船舶系纜力，多點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊性能比艏艉系泊系統(tǒng)更好，可以為錨鏈設(shè)計(jì)和選用不同的系泊方式提供依據(jù)。

(3)在距離滑坡點(diǎn)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(diǎn)較遠(yuǎn)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(yuǎn)離滑坡點(diǎn)時(shí)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(guān)。