滑坡涌浪灾害下三峡库区船舶航行安全阈值*

2020-04-09王平义韩林峰王梅力贺仁品

水运工程 2020年3期

牟萍，王平义，韩林峰，王梅力，贺仁品

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；3.重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆 400074；4.中交第四航务工程局有限公司，广东广州 510290)

自2003年三峡水库蓄水以来，大坝上游航道通航条件明显改善，通航等级得以提升，库区内的船舶数量及交通运输量持续增加，截至2017年三峡船闸年过闸货运量已高达1.38亿t[1]。然而受蓄水淹没、浸没的作用和三峡水位大变幅的影响，库区内潜在滑坡稳定性削弱，故滑坡复活几率增加，滑坡涌浪灾害事故明显增多，常常形成重大的人员伤亡、船舶倾覆、建筑物毁坏等各种安全生产事故，给社会发展和国民经济造成重大的损失，严重威胁着库区水上交通运输安全。以红岩子滑坡为例[2]，产生的涌浪共造成13艘船只翻沉、2人死亡、4人受伤，直接经济损失500万元，如果考虑停航、限航、整治等带来的影响，间接经济损失至少7 000万元。

不仅在三峡库区，其他水域滑坡涌浪也时有发生，这引起了国内外学者对滑坡涌浪研究的关注。总体上这些研究可分成两大类:1)对涌浪灾害自身特性的研究。主要是围绕涌浪的产生、波形、传播等特性开展的研究[3-5]。2)涌浪灾害对其承灾体的影响研究，主要围绕涌浪对大坝、岸坡等水工建筑物承灾体的影响展开研究[6-7]。上述研究在探明涌浪产生机理、传播与衰减等方面做出了重要贡献，丰富了相关知识体系，但也存在不足。滑坡涌浪的承灾体不仅包括大坝、岸坡等水工建筑物，还包括库区的船舶。事实上，涌浪灾害对船舶造成的影响远大于涉水建筑物。因此，从防灾减灾的视角上看，开展滑坡涌浪灾害下三峡库区船舶航行安全的研究，尤其是有效确定航行安全阈值(即基于涌浪传播规律确定船舶距离滑坡入水点的安全距离)的研究不仅重要而且非常迫切。

鉴于此，本文开展滑坡涌浪灾害下三峡库区船舶航行安全阈值的研究。为提高研究的有效性与针对性，依据库区船舶运动状态，将其分为自航船、系泊船和锚泊船3类，采用物理模型试验的方法分别建立涌浪对船舶的影响模型，进而确定其安全距离阈值。研究结果为相关人员提供借鉴与参考，促进三峡库区水上交通运营安全可持续化。

1 方法与数据

1.1 试验设计

1.1.1河道及滑坡体模型设计

本文在考虑模型试验时并非针对某一具体滑坡进行研究，而对模型进行一定的简化，从影响涌浪特性的主要因素进行设计，希望研究结果具有一定的普适性。以万州江南沱口码头河段为原型，按1:70进行概化，具体尺寸及布置形式见图1。

图1 物理模型试验布置(单位：m)

滑坡体采用散粒体模型，为保证模型与原型的相似性，滑坡体由5种尺寸的混凝土块组成，见表1。

表1 混凝土块的尺寸

1.1.2船舶模型设计

三峡库区货运量占总运输量的88.98%，其中90.79%的货船在3 000 t及以下[8]，因此本研究选择3 000 t甲板驳船为原型，按照几何相似、运动相似和重力相似原则设计船舶模型，具体参数见表2。船舶的装载情况分为满载、半载和空载，从灾损的角度看，满载状态下的损失最大，本试验以灾损最大为原则，仅考虑满载工况。

表2 船舶设计参数

本研究以自航船、系泊船、锚泊船为目标对象。由于滑坡涌浪历时相对短暂，从最危险的角度考虑，自航船舶位置选择在滑坡体入水点附近。在滑坡发生岸和对岸分别布置码头，系泊船通过艏缆、艉缆的方式系泊在码头墩柱上。试验模型中放置3艘模型船来模拟锚泊船舶，根据几何相似，试验中锚链直径为0.5 mm，材质选用不锈钢链。考虑到重力相似准则和实际运动状态，锚链长度取水深的2.5倍。采用双侧锚泊方式，艏艉各2根锚链，具体布置见图1。

1.2 试验工况设计

参照三峡库区的管理调度方案和其他研究成果[9]，选取正常蓄水位(175 m)、枯水期消落水位(155 m)和汛期防洪限制水位(145 m)作为试验水位，结合实际地形，对应模型的试验水深分别为1.16、0.88、0.74 m。统计分析库区已发生滑坡和潜在滑坡的相关资料，选择滑坡体宽度、厚度、角度3个因素进行设计，宽度水平为0.5、1.0、1.5 m，厚度水平为0.2、0.4、0.6 m，角度水平为20°、40°、60°。根据滑坡体自身变量和水深变量，最终确定4因素、3水平的完全试验，共81组。

1.3 数据采集和处理

滑坡在下滑过程中重力起主导作用，因此在模拟滑坡体运动时只考虑重力，当闸门开启时，滑坡体离开滑槽，在重力作用下向水面加速运动。采用西南水运工程科学研究所研制的超声波测波仪(图2)对滑坡入水后产生的涌浪特性进行测量，采样频率50 Hz，在不包含气泡的动态波场中测波仪的测量精度可达到±1.0 mm。图3为从不同涌浪采集点记录的典型波剖面。本试验共布置24组超声波测波仪来记录生成区域和传播区域的涌浪特性。对于涌浪作用下的船舶，自航船主要考虑其横摇，数据通过高清摄像机拍摄视频获取。系泊船的系缆力和锚泊船的锚链拉力，采用重庆交通大学自主研发的拉力传感器建立电桥，通过转换卡和数据采集软件测量，频率为100 Hz。

图2 超声波测波仪

图3 超声波测波仪记录的波剖面

2 结果与讨论

2.1 涌浪首浪波高及其衰减特征

波高是评估滑坡涌浪灾害影响最显著和最有效的致灾因子。涌浪在传播过程中会衰减，所以涌浪的破坏性主要归因于首浪的最大波高。鉴于此，重点研究首浪的最大波高，采用无量纲和多元回归分析试验数据，推导出滑坡入水点处的最大波高公式：

(1)

式中：H0为最大波高(m)；b、c为滑坡体的宽度、厚度(m)；θ为滑坡体的角度(°)；h为水深(m)。

分析81组涌浪数据发现，波高在直道段、弯道段及过弯后的直道段衰减规律不同。滑坡体滑入水后，与水体相互作用激起涌浪，涌浪沿径向传播衰减，由于受到河道地形的限制，传播过程中发生反射、叠加，不同河段表现出的衰减规律有所差异。通过绘制各测点最大波高等值线图分析涌浪波高的衰减规律，可以发现：滑坡体附近、弯道区域处等值线较密，说明涌浪衰减较快；滑体入水点远端、对岸处、左岸过弯处等值线较疏，说明涌浪衰减较慢；滑体入水点区域内波高随距离增大迅速衰减，在弯道处区域，滑坡涌浪波高有可能出现增大的情况。因此将试验模型划分为3个区域：滑坡体宽度范围内直道区域(A)、滑坡体宽度范围外直道区域(B)、弯道区域(C)，见图4。拟合出3个区域的波高衰减经验公式：

(2)

式中：x为距离滑坡入水点的线性距离(m)；Hx为x处的波高(m)；k、α、β和γ为不同区域的衰减系数，具体值见表3。

表3 河道各分区的衰减系数

图4 河道分区

2.2 自航船舶安全阈值

横摇角度是自航船舶安全运行的重要指标，为了研究涌浪灾害下船舶的横摇，将记录横摇角的视频按“帧”提取，导入MATLAB进行分析。结果表明，81组工况下，横摇角度在6.4°～32.2°变化，23以上工况下的横摇角度超过了15°。试验在模型场进行，周围有很多建筑物，故风荷载对横摇的作用忽略不计。同时水流条件为静水状态，不考虑流速对横摇的影响。综上，引起船舶横摇的外界因素仅为涌浪，通过处理试验数据，得出最大横摇与相对波高、波长的关系式：

(3)

式中：φ为最大横摇角(°)；ε1、ε2、ε3为拟合系数；L为船舶附近的波长。

为了保证船舶安全行驶，最大横摇角度应满足下式约束:

(4)

根据国际航运组织的建议和工程实践的需求，从保守的角度考虑，将[φ]规定为15°(即π12)，将式(2)代入式(4)得：

(5)

进一步，根据波高的衰减规律，可以推导出涌浪作用下自航船舶的安全距离阈值函数。对A区而言，试验结果显示涌浪的能量巨大，破坏力惊人，应禁止航行。因此，不存在具体的航行安全距离阈值，滑坡预警或发生时禁止一切船舶驶入该区域。

相反，对B、C区而言存在具体的安全距离阈值，其值应满足下式：

(6)

根据81组工况下的试验数据，利用最小二乘法分析，ε1、ε2、ε3分别为57.092、1.732、0.448。实际中，根据式(6)并结合涌浪发生的实际情况、表3中的分区系数可以确定自航船舶在该区域的安全距离阈值，它在实践中具有重大的价值与意义。因为滑坡涌浪灾害下传统的安全应对措施主要是禁航、限航[10]，这扩大了涌浪灾害带来的损失，尤其是在水上交通运输十分繁忙的三峡库区。而根据本文确定的安全距离阈值，船舶可以在安全阈值以外继续航行，减少了不必要的禁航、限航等带来的间接损失。

2.3 系泊船舶安全阈值

系泊船舶主要通过缆绳限制在码头的系泊桩或柱上，涌浪灾害作用下系缆力对于船舶的安全至关重要，一旦缆绳断缆，船舶的安全将受到严重威胁。本研究通过系缆力的安全阈值来研究系泊船舶的安全范围。如2.2所述，试验过程中的风荷载、水流荷载忽略不计，仅考虑涌浪荷载下的系缆力变化。通过分析试验数据，可以得出：涌浪波高越大，船舶的系缆力越大，两者成线性关系，这与文献[11]的结论一致。结果显示线性拟合的相关系数R2为0.82，波高与系缆力的关系式如下：

N=1.197 8Hx-0.064 7

(7)

为了保证系泊船舶的安全性，系缆力应满足下式：

N< [N]

(8)

式中：[N]为缆绳的标准值。

根据《港口工程荷载规范》[12]，当船舶载质量2 000 t

将式(1)、(2)代入式(7),则系泊船舶的安全距离满足下式：

(9)

与自航船类似，A区涌浪破坏巨大，不允许船舶系泊。因此，不存在具体的安全距离阈值，本区域范围内不允许任何船舶系泊。

对于B、C区，系泊船舶至滑坡入水点的安全距离应满足下式:

(10)