景洪升船机500吨级船舶实船试验船厢水面波动特性研究*

傅陆志丹，胡亚安，王 新，刘精凯

(南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点试验室，江苏 南京 210029)

承船厢是升船机的主体之一，水力式升船机承船厢运行全过程包括船厢对接过程和船厢提升过程。其中船厢对接过程即卧倒门启闭和船舶进出船厢过程，对厢内水面波动影响较大。船厢内的水面波动直接影响厢内船舶的安全停靠和系缆力的大小，且水面波动产生的船厢纵向倾斜力矩会通过钢丝绳和卷筒传递到同步轴，直接关系到水力式升船机同步轴工作条件。因此，厢内的水面波动对升船机船厢的安全运行有十分重要的影响[1]。与此同时，升船机船厢断面系数较小，导致船厢内水面波动问题更为复杂，通过景洪升船机500吨级船舶实船试验，研究升船机对接过程中船厢水面波动特性及其影响因素，论证了升船机通航的安全性，为工程运行管理提供依据。

1 试验内容

1.1 工程概况

景洪水力式升船机是我国自主研发的新型升船机，并采用了船厢下水式对接方案。传统升船机采用电力驱动的工作原理，水力式升船机通过控制竖井中的水位，进而控制竖井中浮筒的淹没深度，利用浮筒所受浮力的变化来驱动承船厢升降。同时，船厢下水式升船机不仅具备适应我国河流下游引航道水位变幅大、变率快的特点，船厢对接准确可靠，还省去了下闸首及其相应的附属设备，包括顶紧、密封机构等，运行流程大大减少，从而缩短船只过坝时间，提高运行效率[2]。景洪升船机最大提升高度66.86 m，船厢有效水域58 m×12 m×2.5 m( 长×宽×水深)，按300吨级船舶设计，远期通航500吨级船舶，于2016年11月正式进入试通航运行。

1.2 试验内容及工况

本次500吨级实船试验根据现场试验条件，选用满载排水745 t 的货船进行重载实船试验。试验中，船舶保持吃水d=2.0 m不变，断面系数n=1.744。试验船舶参数为：船长53.4 m，船宽8.6 m，型深3.0 m，最大船高14.08 m，空载排水量245 t，空载吃水0.765 m，满载排水量745 t，满载吃水2.0 m。卧倒门启闭试验工况见表1，重点研究了卧倒门启闭速率为2 min时，不同对接水位差对船厢水面波动的影响。船舶进出船厢试验工况见表2，分别开展了3种船舶航速0.5、0.6、0.7 m/s的试验。

表1 卧倒门启闭试验工况

表2 船舶进出厢试验工况

1.3 测试方法与测点布置

在船厢一侧沿程布置5支量程1.5 m的高精度波高计，测量船厢对接过程中厢内水面波动变化特性，具体位置见图1。5支波高计信号线沿船厢甲板集中到承船厢0层测站，通过信号放大进入WaveBook数据采集系统。

图1 船厢波高计测点布置(单位：mm)

2 卧倒门启闭过程船厢内水面波动变化特性

2.1 船厢水面波动变化规律

卧倒门启闭在承船厢内引起的水面波动属浅水长波[3]。当卧倒门开启时，门板向船厢侧卧倒挤压水体，在船厢内形成由船厢开门端向封闭端传递的推进波，引起船厢内水面壅高。受推进波影响，越靠近船厢封闭端，厢内水位波动幅值越大。靠近引航道的开门侧，由于船厢内的水面壅高可以迅速向引航道段扩散，因此在卧倒门开启过程中，船厢内越靠近卧倒门处测点的水面波动值越小。

卧倒门关闭时，随着门板的转动向船厢外推出部分水体，当卧倒门完全关闭后，船厢内水位略低于引航道水位。与卧倒门开启过程不同，卧倒门关闭引起的水面振荡在船厢内来回传递衰减。当下游水位涨幅变化不大时，波动在300 s后开时衰减，振幅也逐渐变低。卧倒门关闭后船厢内各断面水面波动幅值基本相同，且水面波动幅值较小，为1～2 cm。

在有水位差条件下开启卧倒门，船厢内不同位置水面波动幅值变化规律与平水开启卧倒门相似，越靠近引航道水面波动幅值越小。平水开门与平水关门的波动幅值相差不大，卧倒门在不同水位差条件下启闭时厢内各测点最大波高见图2。

图2 不同水位差下卧倒门启闭时船厢内最大波高

2.2 波动特征值变化特性

本次试验主要研究船厢内外不同水位差Δh对厢内波动的影响，表 3为厢内波动特征值数据。可以看出，卧倒门开启后受引航道水面波动影响，船厢内水面波动反射叠加距离加长，水面波动周期T比卧倒门关闭时长，为110 s左右。卧倒门关闭时，根据赖东亮[4]研究得到卧倒门启闭时承船厢内水面波动的固有频率表达式，代入本次试验数据计算后，发现计算值与卧倒门关闭时厢内波动周期较为吻合。

当卧倒门启闭速度保持不变时，波长λ近似为常量。卧倒门关闭时，λ近似为1.3L；卧倒门开启时，λ近似为9.25L。L为船厢两端卧倒门之间的距离，景洪升船机船厢有效水域长度为58 m。

表3 卧倒门启闭过程波动特征值数据

由于卧倒门关闭时船厢内外没有水位差，且水面波动幅值较小，下面主要讨论卧倒门开启时厢内波动幅值的变化特性。赖东亮给出了船厢内有船舶时，波动振幅的表达式：

(1)

式中：Ab为波动振幅；ω为卧倒门启闭速率；h为船厢水深；L为船厢长度；Δh为对接水位差；B为船厢宽度；b为船舶横断面宽度。

(2)

图3 卧倒门开启厢内波动振幅Ab与K的关系

2.3 纵向倾斜力矩变化特性

卧倒门开启时，开门引起的水面波动在船厢及引航道内来回传递，从而引起船厢重力及纵向倾斜力矩发生周期性变化。卧倒门关闭时，将船厢内水体向外推出，关闭后，船厢内虽然存在水面波动，但不会引起船厢重力改变，仅对船厢产生纵向倾斜力矩。在开启下闸首检修门的条件下，卧倒门以tv=2 min速率启闭时船厢纵向倾斜力矩变化见图4。

从图5可以看出，在船厢内外有水位差的条件下开启卧倒门，水位差为正时会引起船厢侧重力减小，水位差为负时会引起船厢侧重力增加。在水位差分别为10、5、-5、-10 cm时，以2 min速率开启卧倒门，引起的最大纵向倾斜力矩分别为1.8、1.27、 1.18、 1.48 MN·m；在相同水位差值情况下，船厢内水位高于船厢外水位时，开启卧倒门引起的最大倾斜力矩变化值要大于船厢内水位低于船厢外的情况。水位差增大会引起船厢纵向倾斜力矩发生较大变化。

图4 卧倒门启闭引起的纵向倾斜力矩

图5 卧倒门开启过程中船厢倾斜力矩与对接水位差的关系

根据本次实船试验与早先试验数据比较发现，在下闸首检修门开启条件下，受下游引航道波动影响，船厢波动倾斜力矩明显大于下闸首检修门关闭条件下的倾斜力矩。从表4中还可发现，当卧倒门以tv=2 min启闭时，引起的纵向倾斜力矩均小于卧倒门以tv=1 min启闭时引起的纵向倾斜力矩。

表4 卧倒门启闭引起的船厢纵向倾斜力矩变化

2.4 船舶停泊条件

船厢内船舶纵向力P主要受船厢水面坡降影响。卧倒门以tv=2 min速率平水启闭条件下的船厢最大水面坡降见图6、7。

图6 卧倒门关闭引起的纵向水面线

图7 卧倒门开启引起的纵向水面线

由图可见，下闸首检修门开启条件下，船厢卧倒门受引航道水面波动影响，卧倒门平水关闭时，船厢各点水面最大差值达2.3 cm，船厢水面坡降最大为1.46‰。卧倒门平水开启时，船厢各点水面最大差值1.5 cm，船厢水面坡降最大为0.5‰。

下闸首检修门开启时，不同对接水位差条件下，卧倒门启闭过程纵向水面坡降试验结果汇总见表5。由表5可见，对接水位差对卧倒门启闭引起的最大纵向水面坡降有一定影响，对接水位差越大，最大纵向水面坡降越大。当对接水位差达到10 cm时，船厢水面坡降最大为1.77‰。为保证船厢内船舶停泊安全并留有一定安全余量，建议景洪升船机船厢卧倒门采用tv=2 min速率启闭，对接水位差不超过10 cm。

表5 卧倒门启闭引起的纵向水面坡降

3 船舶进出厢船厢内水面波动变化特性

3.1 船厢水面波动变化规律

船舶进出船厢过程中，由于阻塞效应，会引起船厢内水面的雍高或下降，并在重力及惯性的驱动下，船厢内水体进行往复运动，对船厢产生不断变化的偏心力矩。研究表明，船舶进出船厢波动特性与船速、阻塞比、进厢或出厢等因素有关[5]。

从图8可以看出，船舶在进出船厢过程中，厢内水面波动较大。船舶出厢时，厢内水面波动远大于船舶进厢时厢内水面波动。船舶出厢过程中，船厢内各断面均先经历水面下降后再上升的波动。形成这一波谷的原因是船舶出厢时在船首形成了推进波，将厢内的水体推出船厢，导致船厢水面先降低后升高。

图8 船舶进出船厢水面波动

3.2 厢内水面波动特性

从表6可以看出，船舶进出厢过程中，试验范围内航速对船厢内水面波动周期影响不大。船舶进厢时，由于船首推进波引起船厢内水面雍高且方向朝船厢封闭端，厢内水面波动反射叠加距离变短，波动周期减小，约为90 s。船舶出厢时，因船舶驶出船厢带出一部分水体导致船厢内水面下降，根据浅水波的特性，水深越浅，波速越慢，相应的波高越大，波动周期增加。因此出厢过程中厢内水面波动周期约为120 s。

表6 船舶进出船厢水面波动幅值

此外，船厢内水面波动幅值与船舶进出厢航速有关，船舶航行速度越大，厢内水面波动变化越大。本次试验中，当船舶航速为0.7 m/s，船舶进厢时厢内水面各测点波动幅值最大达11.1 cm，船舶出厢时厢内水面各测点波动幅值最大达27.0 cm。根据国际航运协会( PIANC)建议的最大波高值计算公式[6](式(3))，代入本次试验数据可以算出，船厢水面最大波动幅值在9.0～34.8 cm，与试验数据相符。

(3)

式中:Hm为距船舶x处的波高值；d为船舶吃水；vm为船舶航速;D为航道水深。

根据李学义的研究，同步轴扭矩波动最大值与最大波高线性相关。为保证升船机运行安全，可限定船舶进出船厢时同步轴扭矩波动的允许范围，一般为40～70 kN·m，从而得到船厢最大水面波动的限制范围，再用此公式给出船舶航速的限制范围。若限定同步轴扭矩波动不超过70 kN·m，船舶进出厢航速应小于0.6 m/s。

3.3 纵向倾斜力矩变化特性

由表7可见，在船厢水深不变、航速一致的情况下，船舶进厢过程的船厢纵向倾斜力矩最大值均小于船舶出厢过程。当船舶进出厢航速提高，船厢纵向倾斜力矩最大值也随之变大。进厢航速为0.7 m/s时，船厢纵向倾斜力矩最大值为3.55 MN·m；出厢航速为0.7 m/s时，船厢纵向倾斜力矩最大值为8.42 MN·m。

由于船厢下游对接受引航道水面波动影响较大，船舶进出船厢时的纵向倾斜力矩要大于船厢上游对接时的纵向倾斜力矩，故在下游出厢时更应严格控制出厢速度，以降低下游引航道水面波动对船厢稳定性的影响，从而保证升船机运行安全性，建议船舶出厢航速控制在0.5 m/s以内。

表7 船舶进出厢引起的船厢纵向倾斜力矩极值

4 结论

2)船厢卧倒门关闭引起的厢内水面波动周期较短，可通过船厢内波动固有频率计算得出；若闭门速率不变，波长近似为一常数，约为1.3L；水面波动幅值较小，为1～2 cm。

3)船舶进厢、出厢引起的厢内水面波动周期不同，船厢内水面波动及纵向倾斜力矩随船速增大而增大，为保证升船机运行安全，500吨级满载船舶进出厢速度应限制在0.5 m/s以内。