波流作用下浮子式围油栏的运动响应实验研究

李绍武，郑德梅，时 洋，陈汉宝

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

波流作用下浮子式围油栏的运动响应实验研究

李绍武1，郑德梅1，时 洋1，陈汉宝2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

海上溢油会对海洋生态环境造成极大危害。围油栏是一种能够有效地防止溢油扩散、缩小溢油面积、配合回收的简易而有效的工具。由于海洋波、流环境复杂，针对不同海况选择围油栏型号时，预先估算围油栏在波、流作用下的运动响应十分必要。本试验通过水槽实验，研究不同结构参数和特性的围油栏对波、流条件的运动响应，分析围油栏的最小吃水及最小干舷高度与围油栏的尺度、波流要素间的关系。

海上溢油；围油栏；运动响应；最小干舷高度；最小吃水；物模实验

海上溢油是最主要海洋污染之一［1］。围油栏又称为油障，是一种用于阻止溢油扩散、缩小溢油面积、便于溢油清除及保护水域的简易而有效的设备，近几十年得到广泛应用［2］。围油栏一般由浮体（或称浮子）、屏体（或称裙体）和配重三部分组成。浮体用于保持围油栏的悬浮状态，屏体在水下形成阻挡油污溢出的屏障，配重则垂于裙体底部，起保持围油栏垂向平衡作用［3］。

围油栏受到风、浪、流作用其围油效果将显著降低。在风、浪、流作用下，围油栏主要有五种失效形式：（1）油层流失失效：大量中等粘度溢油聚集在栏前，油层厚度超过围油栏吃水深度，导致油层从底部流失而失效；（2）夹带失效：由于油水界面不稳定，头波处的油滴被水流从油层中撕扯下来发生失效；（3）越过失效：围油栏干舷高度不足时，油层越过围油栏顶部发生失效；（4）淹没失效：当围油栏浮子未提供充足浮力时，由于水流流速或拖带流速较大，围油栏淹没而失效；（5）平躺失效：极端情况下当风、流逆向且流速较大时，围油栏平躺，完全失效［4］。上述五种失效模式不仅与波流要素有关，还与围油栏几何尺寸及浮重比等结构参数关系密切。

本文拟通过围油栏波流水槽实验，探讨不同结构参数和特性的围油栏在波流作用下的运动响应，分析围油栏拦油效果与波流环境参数、围油栏自身设计参数的关系，为围油栏进一步优化提供依据。

1 围油栏主要尺度和特性

图1为刚性、柔性围油栏在波流作用下的运动姿态及围油栏几何尺度示意图，其中，r和h分别为浮子半径和平衡状态下裙体高度；F0和D0分别为初始干舷高度和初始吃水；Fi和Di分别为瞬时干舷高度和瞬时吃水；θi和φi分别为浮子转动量和裙体转动量［5］。

围油栏的特性主要包括刚性与柔性。刚性围油栏浮子与裙体刚性连接，裙体无变形，柔性围油栏浮子与裙体柔性连接，裙体有变形［6］。

图1 围油栏主要结构特性定义示意图Fig.1 Sketch of the key structures of oil boom

2 围油栏运动响应试验

2.1 试验设置

该实验在天津水运工程科学研究院室外水槽进行，水槽长45.0 m，宽0.5 m，深1.1 m，波流水槽两侧为透明玻璃，水槽采用推波板式造波系统，两端有消波设施，水槽配有双向造流系统。围油栏模型放置在水槽中部，单侧双线锚定，锚线采用尼龙长丝合股捻线，长1.5 m。采用普通监控摄像一体机，记录围油栏控制运动过程（图2），运用分析程序从视频中提取围油栏控制点的运动轨迹。

根据不同的浮子直径、裙体长度、浮重比共设计制作了18种围油栏装置［7］（表1）。

2.2 试验条件及组次

试验采用规则波，试验水深0.80 m，各组次波浪要素见表2，水流要素见表3。

2.3 试验结果分析

2.3.1 最小吃水

（1）裙体高度对最小吃水的影响。围油栏的吃水表征其工作效果，吃水越深，围油栏越不易失效。静态时，围油栏吃水主要取决于浮重比和裙体高度，但是在波、流作用下，吃水将受波、流条件的影响。图3给出了3种浮重比的围油栏，其最小吃水随水流速度变化的情况，并将有无波浪结果进行了对比，可以看出，吃水随流速增大而减小，且有波浪情况下，吃水更小，表明流速、波浪使得围油栏更易失效。由图3还可以看出，浮重比较小时，裙底高度越大，围油栏的最小吃水也越大；但在浮重比较大时，出现了在水流速度增大到一定值时，裙体高度较大的围油栏的最小吃水反而比裙体高度较小的围油栏的最小吃水小，这种现象在纯水流和波流共同情况下都存在，表明当流速较大时，大裙体高度围油栏的围油效果反而不及小裙体高度围油栏。

（2）浮重比对最小吃水的影响。图4给出了3种浮重比围油栏，其最小吃水随着水流速度的变化情况，可以看出，浮重比越小，最小吃水越大。随着水流速度的增大，浮重比较大的围油栏的最小吃水相对于浮重较小的围油栏减小的快。不同裙体高度的围油栏呈现相似规律。

图2 物理试验装置示意图Fig.2 Sketch of the experimental set-up

表1 围油栏设计参数表Tab.1 Design parameters of the model oil boom

（3）波高对最小吃水的影响。图5给出了3种浮重比的刚性和柔性围油栏，其最小吃水在不同波高条件下随水流速度的变化情况。无论是刚性、柔性围油栏，还是在不同浮重比条件下，最小吃水均随波高的增大而减小。在浮重比较大时，柔性围油栏的最小吃水比刚性围油栏的最小吃水小；随着浮重比的减小，柔围油栏与刚性围油栏之间的差异逐渐减小。

（4）波周期对最小吃水的影响。图6给出了3种浮重比的刚性和柔性围油栏，其最小吃水在不同波周期条件下随着水流速度的变化情况。无论是刚性、柔性围油栏，还是在不同浮重比条件下，最小吃水均随着波周期的增大而增大。与波高对最小吃水的影响类似，在浮重比较大时，柔性围油栏的最小吃水比刚性围油栏的最小吃水小；随着浮重比的减小，柔围油栏与刚性围油栏之间的差异逐渐减小。

表2 设计波浪要素表Tab.2 Waves parameters of the experiment

表3 设计水流要素表Tab.3 Currents parameters of the experiment

图3 裙体高度对最小吃水的影响（a、b、c为无浪条件下；d、e、f为W5波浪条件下）Fig.3 Minimum draft vs.skirt height of the model oil boom

（5）波陡对最小吃水的影响。图7给出了3种浮重比围油栏，在不同波要素但相同波陡条件下（波陡H/L= 0.016）最小吃水随着水流速度的变化情况。在相同波陡条件下，几何参数不同的围油栏或者不同浮重比的围油栏的最小吃水随水流流速的变化情况趋于一样。图8则给出了不同波陡条件下随着水流速度的增加，最小吃水基本呈现递减趋势；几何参数不同的围油栏或浮重比不同的围油栏在不同波陡条件下的变化趋势可以得出，随着波陡的减小，围油栏的最小吃水呈现递减的趋势。由此表明可以用波陡一个参数来统一描述波浪要素对围油栏吃水的影响。

图5 波高对最小吃水的影响（a、b、c分别为M1、M2、M3刚性围油栏；d、e、f分别为M4、M5、M6柔性围油栏）Fig.5 Minimum draft vs.wave height for four current velocities

图6 波周期对最小吃水的影响（a、b、c分别为M1、M2、M3刚性围油栏；d、e、f分别为M4、M5、M6柔性围油栏）Fig.6 Minimum draft vs.wave period for four current velocities

图7 相同波陡对最小吃水的影响（a、b、c分别为M1、M2、M3围油栏；d、e、f分别为M10、M11、M12围油栏）Fig.7 Minimum draft vs.the sameH/Lratio

图8 不同波陡对最小吃水的影响（a、b、c分别为M1、M2、M3围油栏；d、e、f分别为M10、M11、M12围油栏）Fig.8 Minimum draft vs.the differentH/Lratio

图9 浮子直径对最小干舷高度的影响Fig.9 Minimum freeboard height vs.floater diameter

图10 波高对最小干舷高度的影响（a、b、c分别为M1、M2、M3刚性围油栏；d、e、f分别为M4、M5、M6柔性围油栏）Fig.10 Minimum freeboard height vs.wave height（a，b，c：M1，M2，M3.d，e，f：M4，M5，M6）

2.3.2 最小干舷高度

（1）浮子直径对最小干舷高度的影响。图9给出了不同浮子直径围油栏在3种不同浮重比下，最小干舷高度随着水流速度的变化情况。不同浮子直径的围油栏的最小干舷高度均随水流速度的增大而减小。在相同波流要素下，柔性围油栏的最小干舷高度均比刚性围油栏的最小干舷高度大。

图11 波周期对最小干舷高度的影响（a、b、c分别为M1、M2、M3刚性围油栏；d、e、f分别为M4、M5、M6柔性围油栏）Fig.11 Minimum freeboard height vs.wave period（a，b，c：M1，M2，M3.d，e，f：M4，M5，M6）

（2）波高对最小干舷高度的影响。图10给出了3种不同浮重比刚性和柔性围油栏，其最小干舷高度在不同波高条件下随着水流速度的变化情况。无论是刚性、柔性围油栏，还是在不同浮重比条件下，最小干舷高度总是随着波高的增大而减小。在相同波流要素下，柔性围油栏的最小干舷高度总是比刚性围油栏的最小干舷高度大；且在无浪的条件下，随着水流速度的增大，柔性围油栏的最小干舷高度有增大的趋势，其原因是由于实验围油栏在水流速度较大的情况下，由于围油栏的倾斜，围油栏受到上举力的作用，导致围油栏的干舷高度相对变大了。

（3）波周期对最小干舷高度的影响。图11给出了3种不同浮重比刚性和柔性围油栏，其最小干舷高度在不同波周期条件下随着水流速度的变化情况。无论是刚性、柔性围油栏，还是在不同浮重比条件下，最小干舷高度总是随着波周期的增大而增大。在相同波流要素下，柔性围油栏的最小干舷高度总是比刚性围油栏的最小干舷高度大。

3 结论

基于波流水槽试验，对浮子式围油栏在波流作用下的运动响应进行试验研究。本试验根据18种不同的模型围油栏、7种不同波浪要素及7种不同水流速度，共开展了1 008组试验组次。研究结果表明，围油栏的最小吃水、最小干舷高度与围油栏的设计要素、波流要素具有密切关系。围油栏裙体高度并不一定是越深越好，在波流要素较大且围油栏浮重比较大时，裙体高度小的围油栏其最小吃水反而大。波高越大、波周期越小或者水流速度越大时，围油栏的最小吃水都会变小；同时可以用波陡来统一描述波高、波周期对围油栏吃水深度的影响。波高越大、波周期越小或者水流速度越大时，围油栏的最小干舷高度都会变小；但在水流速度较大的情况下，由于围油栏的倾斜，围油栏受到上举力的作用，导致围油栏的干舷高度相对变大。刚性与柔性围油栏在波流作用下的运动效应具有明显的差异，所以在围油栏研究中应该对两者区别对待。

［1］Amini A，Bollaert E，Boillat J L，et al.Dynamics of low-viscosity oils retained by rigid and flexible barriers［J］.Ocean Engineering，2008，35（14）：1 479-1 491. ［2］Castro A，Iglesias G.Floating boom performance under waves and currents［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，174：226-235.

［3］魏芳，刘晓峰，林建国.围油栏性能优化的数值模拟［J］.交通环保，2007（6）：39-44. WEI F，LIU X F，LIN G G.The numerical simulation of the performance optimization of the oil boom［J］.Environmental Protection In Transportation，2007（6）：39-44.

［4］封星.围油栏拦油数值实验平台及拦油失效研究［D］.大连：大连海事大学，2011.

［5］张承懿，王磊，姚美旺.固体浮子式围油栏模型试验研究［J］.Laboratory research and discussion，2006，24（4）：13-18. ZHANG C Y，WANG L，YAO M W.Experimental studies on solid oil boom［J］.Laboratory of solid float Wai，2006，24（4）：13-18.

［6］Fang F，Johnston A J.Oil containment by boom in waves and wind.I：Numerical model［J］.Journal of waterway，port，coastal，and ocean engineering，2001，127（4）：222-227.

［7］JT/T 465-2001，中华人民共和国交通行业标准［S］.

Experimental studies on motion response of floating oil booms under waves and currents

LI Shao-wu1,ZHENG De-mei1,SHI Yang1,CHEN Han-bao2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin300456,China）

Oil spill will cause extensive environment damage to the marine ecosystem.Oil boom is a simple yet effective tool that can effectively prevent spread of oil spill,reduce the area of oil spill,and aid in the recovery of oil.Due to the complexity of the waves and currents,it is essential to estimate motion response of the boom in waves and currents when choosing the type of the boom according to different sea situation.In this paper,the motion response of boom with different features to different waves and currents was investigated through flume tests,and the effect of waves and currents on the minimum effective boom freeboard and drafts was analyzed.

oil spill;oil boom;motion response;minimum effective boom freeboard;minimum effective boom drafts;physical model experiment

U 656.2；O 242.1

A

1005-8443（2017）01-0020-06

2016-09-30；

2016-10-31

国际科技合作项目（2015DFA90250）

李绍武（1962-），男，山东莱州人，教授，主要从事海岸动力学及岸滩演变、海岸建筑物波浪数值模型研究。

Biography：LI Shao-wu（1962-），male，professor.