滑坡涌浪对船舶破坏能力的分析

(重庆交通大学航运与船舶工程学院 重庆 430074)

引言

在今天，航海事业在经济的发展和在世界贸易中起着的作用越来越重要。沿海或者是内河航运山体滑坡引发安全问题也受到越来越高的重视，尤其是在船舶通过山体滑坡险情点产生的涌浪影响船舶的航行安全问题。船舶在水上某些区域航行时遇到山体滑坡造成的险情时有发生，就如长江三峡工程自蓄水成库后，三峡库区已发生了2起滑坡涌浪灾难造成小型船舶的大规模损毁事故:2003年7月13日，秭归清干河左岸爆发了滑坡灾害，22 艘船舶被滑坡形成的涌浪打翻，10多人落水失落消失。类似船舶通过山体滑坡险情点发生的遇险事故数见不鲜，而且船舶航行安全管理不规范、安全认识不足等原因，船舶遇险几率大大增加。

山体滑坡对航道的损毁主要表现为滑坡体直接滑入、甚至跨过航道，造成航道阻塞而导致航道断航。同时也减小船舶稳性，例如对于沿江两侧处在滑坡体滑移方向上的航行船舶、简易锚泊船舶可能直接被巨型滑坡涌浪淹没和快速掀翻。浮性方面对于山体滑坡附近水域的航行船舶、锚泊船舶、系泊船舶，可能被巨型涌浪传播而淹没，涌浪可能持续叠加传播几分钟，若这些船舶水密性及储备浮力不够，则容易被浸水沉没。为了减少船舶航行途中山体滑坡险情和遭遇险情后能积极采取有效的措施，通过分析山体滑坡发生所引起涌浪破坏的特征，本研究拟船舶通过山体滑坡险情点涌浪的危害，来对船舶实施交通管制。

一、冲击能力估算

涌浪的撞击力测量值也为脉冲值，最大撞击力出现在多个周期以后，且不断出现大值，随着涌浪的衰减，撞击力慢慢减小，且船首和船尾测点大小和变化规律基本一致[1]。图1所示：

图1 同岸码头船舶系缆力时域图

表明滑坡涌浪的初始涌浪对同岸船舶撞击力的影响较小，涌浪经过反射和叠加所造成的影响要大。造成这种现象的原因是涌浪经过反射叠加后对船舶作用的角度要大于初始涌浪对船舶作用角度。[1]

冲击能力可用冲力能量和冲量估算。

冲击力:

滑坡涌浪的初始涌浪对对岸码头系缆力影响较大，首缆和尾缆的变化规律基本一致:初始涌浪对同岸船舶系缆力的影响较小，合成波影响较大，首缆和尾缆的变化规律基本一致。[2]

对岸、同岸码头船舶系缆力和撞击力均随着涌浪波高的增大而增大，水位的涨落对对岸、同岸码头船舶系缆力和撞击力值影响较小[2];确定了涌浪作用下对岸、同岸码头船舶系缆力和撞击力的安全极限(警成)波高值为0.9m，即系泊船舶码头停泊的安全极限(警戒)波高值0.9m[3];对系泊船舶的有效撞击能量的经验公式进行修正，确定了滑坡涌浪作用下船舶撞击能的经验计算公式，公式适用于涌浪作用下其它的船型及不同船舶装载度的船鮊撞击能计算。

二、滑坡涌浪对船舶的浮性的破坏过程

船舶通过滑坡涌浪时，较高的涌浪会越过船舷(越浪)，涌入船舶的货仓、甲板，海水将货物浸泡，造成货物损失，当大量波浪涌入时，波浪对船舶的重力加剧，使得船舶的浮力不足，自由液面增多，稳性不足，使得暂时或者更严重的永久性淹没。

波浪下船的其浮性对船舶的安全有着直接的影响，就浮性而言，水上用作运输的船筏它们的浮态有四种:即正浮、机顷、纵倾和任意倾斜。

在正浮状态下，船舶既没有纵倾又没有模倾，即船触的中纵创面和中横制面均垂直于水面，此时船舶有:

W=△=ρ；Xg=Xb；yg=yb=0

W：表示船的重力、△：表示船的浮力、ρ：表示舷外水密度、：表示排水量、Xg：表示重心的纵坐标、Xb：表示浮心的纵坐标、yg：表示重心的横坐标、yb：表示浮心的横坐标。

此种船舶浮态下，船舶的安全保障较高。在倾斜状态下，船舶可以表现为横倾状态或纵倾状态，处于横倾状态时，可得：

W=△=ρ； Xb-Xg=(Zg-Zb)tanφ； yg=yb=0

因此，经分析可知，当船处于横倾或过大纵倾时，容易涌上船舶甲板，造成货物损坏，严重的可能导致船舶在滑坡涌浪中稳性丧失，造成船舶出现永久性的倾斜或者沉没事故。

船舶在滑坡涌浪保持正常的浮性是重力和浮力相等，当船舶在滑坡涌浪中行进时，必须保障船舶的浮性，滑坡涌浪对船舶的浮性破坏影响较大，使得船舶可能出现倾覆、沉没。

由于船舶装载了货物，使得船舶干舷的高度预留不够，而船舶的浮性与船舶的预留的船的干舷高度有密切关系，干舷是指从船舶中部从干舷甲板上边缘量至有关满载水线的垂直距离，其直接影响船舶的储备浮力，干舷高度根据实验表明一要预留0.5米左右，当干舷高度少于这个高度的船舶行驶于有滑坡涌浪险情的地点，船舶的储备浮力不足，这个危险是毁灭性的。积载不当，容易导致船舶干舷过低、储备浮力不足，在滑坡涌浪的作用下，使船舶容易浸水沉没。

三、滑坡涌浪对船舶稳性的破坏过程

通常船舶受到各种外力的干扰时，船舶会出现任意角度的横候或者纵倾。船舶的稳性是指受外力作用时，船舶发生倾斜而没有倾覆，当外力作用消失后，仍能恢复到原来的平衡位置的能力。因此舶的稳心的大小可以直接用于评价船舶航行安全性能的好坏。

减小船舶稳性的情况：(1)船舶的重心高度较大，从而使得船舶的初始稳性较小(GM=KM-KG)。(2)未对货物进行平舱，导致的船舶倾斜。(3)货物吸收水分后，形成的流态化货物。

图2 静稳性曲线图

以上情况使得船舶更容易遭受涌浪的危害。一且稍微具有冲击能量的波抵达船舶时，就很容易失去稳性。船舶的横倾角大于15°至上甲板边缘开始入水后的船船稳性阶段，在此阶段内，船舶产生的复原力矩与船舶横倾角的关系与船舶的初稳性阶段一致，均为随着船舶橫傾角的增大而增大，但在大倾角稳性第一阶段内所产生复原力矩与初稳性阶段相比，复原力矩随船舶横倾角增加的幅度更大。同时由于水线面的形状变化较大，导致漂心的位置不断变换，使船舶等容微倾的倾斜轴不再通过正浮水线面的漂心，因而在水线面的面积惯性距的改变下使稳性半径改变，最终导致船舶的GM值不断变化。如图2所示。

四、滑坡涌浪对浮动设施的破坏过程及其特征

滑坡涌浪对码头及浮动设施的危害性极大，对于对岸码头有一半以上的工况的系泊船舶系缆力和撞击能值均超过其标准值，且其平均值超过标准值的40%以上:而同岸码头也有将近1/3工况超过库区港口运行参数的标准值，且其均值超过标准值得20%以上。提出通过提高系泊船舶系缆绳强度等级、改变库区港口码头橡胶护舷的布置方式等方法，可减小滑坡涌浪对库区船舶及码头的破坏程度。

涌浪作用下锚泊船舶锚链拉力测量值均为脉冲值，且首个脉冲值均为极大值，在出现脉冲极大值之后会不断出现几个较大值，然后迅速减小;涌浪初始浪高对不同位置处锚泊船舶锚链拉力值起着决定性的作用:通过对滑坡附近锚泊船舶锚链最大拉力的统计结果可知，涌浪直接作用一侧测点锚链拉力值较大。这是由F涌浪作用下，船舶发生偏移，涌浪直接作用一侧船舶锚链迅速拉紧，当船舶再次向相反侧偏移时，船舶受到涌浪的作用力，速拉紧时，其作用力相对较小；下滑坡附近处、弯道处、河道远端锚泊船舶安全极限(警戒)波高值分别为：1.5m、0.5m、1m。

五、船舶的航行限制范围

滑坡涌浪首浪高度与临滑水深、滑坡体入水角度、滑技的厚度及宽度有关，涌浪沿程波高与首浪高度、涌浪的传播距离有关，即与临滑水深、滑坡体入水角度、滑坡的厚度及宽度、传播距尚有关，井给出了涌浪首浪高度和沿程波高的经验公式。分别见式(1)和(2)

(1)

式中:H为首浪高度，h为临滑水深，w和b分别为滑块的厚度和宽度，单位均为m；β为滑坡入水角度，单位为强度。

(2)

式中:H为沿程波高，L为传播距离，单位均为m。

六、结束语

对交通管制水域范围计算分析:

通过目前的资料表明查黄河甘肃地段我们通过实际的查资料和一些有关的当地了解，在黄河流入甘肃地段滑坡险情家常便饭，沿岸河道受损坏的严重，(黄河的总的历 5464公里，它的面积为752443平方公里)，滑坡体，滑下来的物体多数为沙质但硬度较大，体积较大，隐患及其严重，沿岸的水上交通工具受到影响比较严重。陕西省将黄河治理列为重点工作之一。

本文实测和结合资料得到黄河这段滑移体的纵深长大约150m、它的宽度约100m、厚度约50m、入滑角45°(转换为弧度计算)、当时河道实际水深约150m。由船舶限制波高1m作为沿程波高的限制值，由式(2)推算涌浪传播距离L。

假设在其航行的船舶交管部门把涌浪在0.3m限制波高下的按计算传播距离为交通管制水域范围，可航的水域范围就如计算出的数值8920m。结合内河的实际的情况就可以根据滑坡体诞生的地方划分在9000米范围内分段实施交通管制。