库区滑坡涌浪水域船舶系泊系统动力特性试验研究

袁培银，赵 宇

(1.重庆交通大学航运与船舶工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；3.重庆交通大学建筑与城市规划学院，重庆 400074)

三峡库区内水位交替变化，库区两岸边坡长时间受到水体浸泡及冲击、地震、暴雨等影响，岸坡上散体或块体失稳冲入河道内会形成滑坡涌浪，其会沿着河道上下游传播，对河道内的建筑、人员、设备设施产生直接影响[1]。为保证三峡库区船舶通航的安全性，提高海事部门在灾害下应急应变能力，减少伤亡及损失，研究库区滑坡涌浪水域船舶系泊系统的动力特性，具有极高的社会效益和经济效益[2]。

Mohammed等[3]基于Froude相似原理，开展三维滑坡涌浪物理模型试验，研究滑坡入水体积和入水冲击速度对滑坡涌浪特性的影响。杨渠锋等[4]利用室内水槽试验，以不同滑坡类型为工况，研究滑坡初始涌浪高度的变化规律。袁培银等[5]采用物理模型试验的方法研究了涌浪传播至船舶附近时的爬高特性，研究表明涌浪受障碍物阻拦后的回流波与初始波叠加，在船舶附近产生多次波峰，会对船舶造成二次危害。胡小卫[6]通过大规模物理模型试验，以三峡库区土质滑坡和陡岩滑坡为变量，对滑坡坡度、固流有效接触面积、水深等因素进行分析，推导滑坡涌浪的经验计算公式和能量交换系数。Sergej等[7]以1∶20的缩尺比进行模型试验，研究极端滑坡涌浪载荷对系泊缆索布置的影响。Carlos等[8]通过系泊试验，研究滑坡涌浪作用下系泊结构物运动响应的非线性成分。许海勇等[9]通过三维物理模型试验，研究滑坡涌浪随传播距离的变化规律。Lindstrom[10]通过二维水槽模型试验，研究滑坡体类型对涌浪特性的影响，探讨滑坡体渗透性对涌浪的形成机理。Evers等[11]基于三维滑坡涌浪水池模型试验，对滑坡涌浪高度的衰减规律进行研究，验证滑坡涌浪产生项和滑坡涌浪传播衰减项的准确性。Tessema等[12]研究滑坡体产生的涌浪对坝体的冲顶机理，提出基于滑体体积、滑体释放高度、静水深的最大波峰预测方程。徐晓菲等[13]、田野等[14]利用水槽物理模型试验的方法，研究三峡库区滑坡涌浪对趸船、桥墩的撞击规律，通过多元回归分析滑坡涌浪对趸船撞击力和桥墩最大冲击波压的计算公式。

中外采用物理模型试验对滑坡涌浪及系泊系统进行了一定程度的研究，现采用物理模型试验方法，研究滑坡涌浪对船舶系泊系统的动力响应影响，为三峡库区船舶通航安全提供新的理论依据。

1 库区滑坡涌浪试验模型设计

依据河道横断面图，按照缩尺比，建造滑坡涌浪模型试验水槽，水槽中心线长60 m，宽8 m，河道转弯处呈90°，结合三峡库区岩体特点，分析滑坡体的离散程度，采用不同规格滑坡体叠放的方式，确定滑坡体的方量[15]。工况主要考虑因素：船舶系泊位置、船泊锚链布置、船舶与入水点距离，制定物理模型试验方案过程中，通过搜集三峡库区水位变化资料，确定试验水深为0.74 m[16]。滑坡涌浪发生装置采用可前后移动、上下升降及角度调节的控制装置(自制滑架及滑槽)，试验过程中，通过超声滑坡涌浪采集分析仪对滑坡涌浪的波高、周期进行实时监测，锚链拉力的测试是采用动态信号测试分析系统。

1.1 模型缩尺比

为获得原型和模型中的物理现象相似，物理模型试验设计需满足相似理论，即几何相似、运动相似、动力相似[17]。

1.2 测点布置

1.2.1 船舶及浪高仪布置

如图1所示，船舶布置在#A、#B两点，#A点设置在距离滑坡点对岸3.5 m处，#B点设置在距离#A点8.3 m处的水平线上。为了保证浪向角一致，在#A点位置船舶沿河道平行于河岸布置，#B点船舶于河岸呈112°角布置，船艏朝河道的凸岸。要求精准地监测到滑坡体产生涌浪的滑坡涌浪要素以及涌浪传播到#A、#B两点位置时滑坡涌浪要素的变化情况，以便研究滑坡涌浪衰减对系泊船舶的影响，且为避免滑块撞击到波高仪，选取了距离船舶0.5 m处的D1和D2作为滑坡涌浪要素监测点。

图1 船舶位置及浪高仪布置示意图Fig.1 Schematic diagram of ship model position and wave height meter layout

1.2.2 系泊锚链的布置

试验选取的系泊方式为张紧式，锚链一端固定在河道模型的河床上，距离船舶重心的系泊半径为1.5 m。船舶采用4根锚链的多点系泊形式时，锚链分别固定在船艏和船艉的左右舷两侧，采用两根锚链的系泊形式时锚链分别固定在船舶艏艉的中线上，不同的船舶系泊布置方式示意图如图2、图3所示。

图2 多点系泊示意图Fig.2 Schematic diagram of multi-point mooring

图3 艏艉系泊示意图Fig.3 Schematic diagram of head and tail mooring

1.3 船舶设计

1.3.1 船舶及锚链设计

根据傅汝德相似定律，按照模型和实船1∶70的缩尺比，对3 000 t的实船进行缩放制作，保证船舶的重心、吃水、自振周期均与实船的相应参数保持相似。船舶和实船的主要参数如表1所示。船舶所用材质选用易加工的木板和木条制作。为保证船舶水密性和结构强度的要求，利用玻璃钢对船体进行结构加强，以达到试验要求。为保证试验船舶的安全性，船舶载况选用满载排水量，试验过程中，为有效减小误差及试验的不确定性，每组试验工况开始前，对水面漂浮物、实验室防风措施、滑槽的光滑度进行处理，以保证试验结果的准确性。

表1 船舶参数表Table 1 Ship parameter table

根据海港工程设计手册中锚链强度要求，查阅实船锚链直径为42 mm，依据相似准则采用1∶70的缩放比例，试验设计锚链的直径为0.6 mm。为满足重力相似，设计试验所用锚链材质采用不锈钢，并配有弹簧及重物块。根据悬链线方程，计算锚链抛出长度、系泊半径等，所选取锚链长度为2 m，锚链参数如表2所示，锚链环示意图如图4所示。

表2 锚链参数表Table 2 Anchor chain parameter table

图4 锚链环示意图Fig.4 Schematic diagram of anchor chain ring

1.3.2 河道模型设计

根据三峡库区货运量的统计分析，试验选取重庆万州段航道进行建造，整个试验过程中的缩尺比均为1∶70，采用横截面分段建造法进行施工[19]，河道模型宽度为8 m，河道模型如图5所示。

图5 河道模型Fig.5 River model

1.4 试验模型设计

(1)滑坡体。根据实地调研结果，需要按照三峡库区滑坡体参数，采用河沙、水泥等材料进行配比，预制模具对滑坡体进行不同几何尺寸的制作，通过不同规格的块体模拟滑坡体的离散程度，裂隙发育情况。

(2)滑槽。采用铁质材料制作滑槽，为保证滑坡体下滑条件相同，将滑槽底部平板打磨抛光，滑槽长度为2 m，两侧为可变宽度挡板，可变范围为0.5～1.5 m，如图6所示。

图6 滑坡体与滑槽Fig.6 Landslide mass and chute

(3)滑架。滑架采用20号的槽钢制作而成，滑架上配有滑槽，提升装置，角度调节器，滑架的高度、宽度为2 m，侧面长度为3 m。

(4)测量设备。对于波高和周期的监测，采用重庆西南水运工程科学研究所自主研发的超声滑坡涌浪采集分析仪，采集时间为50 s，频率为50 Hz，测试分析系统及采集系统如图7和图8所示。

1.5 试验方案选择

结合岩体滑坡模型设计考虑，采用单因子试验方案设计，滑坡体方量为1.0 m×1.0 m×0.4 m，水深0.74 m，滑坡倾角40°，共4组试验工况，如表3所示。

表3 工况表Table 3 Working condition table

2 滑坡涌浪作用下船舶系泊系统的动力特性分析

不同方量的滑坡体入水后，与水体进行能量交换，激起滑坡涌浪，滑坡涌浪在传播过程中，能量逐渐衰减，为了更清楚地研究滑坡涌浪作用下系泊系统的动力特性，采用固定变量法，深入分析滑坡涌浪水域船舶系泊系统的动力特性。

2.1 不同系泊形式下系泊系统动力特性

图9为各工况系泊缆索顶端张力的时间历程曲线，可以看出，各工况作用下，系泊缆索呈现出张紧松弛状态，且系泊缆索时间历程曲线变化趋势与滑坡涌浪各时刻波高变化趋势一致。

图10为不同系泊形式的锚链最大拉力对比图，由图10可知，采用艏艉系泊方式锚链所受最大拉力值大于多点系泊方式锚链的最大拉力值，以系泊方式为单一变量，艏艉系泊锚链数量较少，每根锚链所受到的分量较大，而采用多点系泊系统时，锚链受力相对均匀，在复杂水域环境条件下，采用多点系泊系统能够更好地保障船舶安全性。

2.2 不同位置下系泊系统动力特性

如图11和图12所示，工况2、3和工况1、4进行对比研究，工况2中船舶距滑坡点的距离大于工况3，最大拉力出现的时刻工况2延后于工况3，且锚链的拉力在工况3时远大于工况4锚链拉力。在工况2和工况3中，越靠近滑坡点锚链受到的最大拉力越大，表明在距离滑坡点越近的位置，波能量越大，对船舶运动响应影响越明显。对于多点系泊系统存在同样特性，表明发生滑坡涌浪时，船舶在远离滑坡点时所受到的影响越小。对比工况1和工况4，位置B处船艏锚链所受拉力大于船艉锚链拉力。

图12 多点系泊锚链最大拉力对比图Fig.12 Comparison chart of maximum tension of multi-point mooring chain

2.3 滑坡涌浪沿程衰减对船舶系泊系统的动力特性影响

工况2、3下锚链拉力随涌浪变化，如图11所示。工况3对比图表明锚链拉力的大小变化和滑坡涌浪衰减的趋势一致，波高越大的区域锚链拉力越大；锚链拉力较大值多集中出现在波形变化的初始区域。对于工况2而言，涌浪从滑坡点传播到船舶放置的B位置处能量较小，使得锚链拉力值在工况2时要明显小于工况3。作用于船体或岸堤后的滑坡涌浪会在其表面发生反射，与初始方向传来的滑坡涌浪经过多次叠加后波能增加，使得锚链拉力最大值出现在滑坡涌浪作用于船体相当长一段时间之后。以上特征表明在距离滑坡点较近位置处，锚链拉力最大值的大小取决于初始波能大小；在距离滑坡点较远位置处，锚链拉力最大值取决于合成波波能大小。锚链拉力大小的变化与波高随时间的变化一致。

图11 艏艉系泊锚链最大拉力对比图Fig.11 Comparison of the maximum tension of the first and last mooring chains

3 结论

通过不同工况下船舶系泊锚链的受力及不同位置处涌浪的衰减情况的研究，对比分析相同位置不同系泊方式锚链的受力情况、不同位置相同系泊方式时锚链的受力情况，主要结论如下。

(1)采用艏艉系泊形式情况下，滑坡涌浪对船艏锚链的作用大于对船艉锚链的作用。

(2)采用多点系泊方式可以降低锚链设计时的强度要求，减小系泊船舶系缆力，多点系泊系统的系泊性能比艏艉系泊系统更好，可以为锚链设计和选用不同的系泊方式提供依据。

(3)在距离滑坡点较近位置处，锚链拉力最大值的大小取决于初始波能大小，在距离滑坡点较远位置处，锚链拉力最大值取决于合成波波能大小。

(4)相同系泊方式，船舶远离滑坡点时所受到的影响越小，顶端张力最大值与滑坡涌浪传播过程中能量耗散程度有关。