船舶表面的滑坡涌浪爬高特性試驗(yàn)研究

袁培銀， 趙 宇， 舒麟棹

(1.重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 重慶 400074)

水庫(kù)水位變化或岸坡土體失穩(wěn)下滑帶來(lái)滑坡體的不穩(wěn)定，使其沿岸坡墜落入水中，導(dǎo)致涌浪的產(chǎn)生，對(duì)河道的船舶航行、建筑物等帶來(lái)極大安全隱患。為深入了解涌浪傳播規(guī)律以提高船舶航行安全，中外學(xué)者為此作了大量的研究。牟萍等[1-2]從滑坡涌浪的產(chǎn)生、傳播與衰減、爬高三個(gè)階段進(jìn)行了全面的分析總結(jié)，Yuan等[3]針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)，從涌浪首浪高度、滑坡體量及船舶橫搖等三方面的研究，為滑坡涌浪中船舶航行安全提供理論支持。殷坤龍等[4]則預(yù)測(cè)了滑坡的最大首浪高度和巖水庫(kù)船舶的涌浪衰減規(guī)律。Xu等[5]從流固耦合的角度推導(dǎo)了滑坡涌浪的形成和傳播特征，Hsiao等[6]開(kāi)發(fā)了一種無(wú)網(wǎng)格數(shù)值模型，用于模擬淹沒(méi)滑坡產(chǎn)生的海嘯。針對(duì)涌浪災(zāi)害帶來(lái)的破壞性，田野等[7]與程志友等[8]分別對(duì)橋墩和中小型船的受沖擊進(jìn)行了研究，王梅力等[9]對(duì)涌浪首浪波能進(jìn)行分析，從理論上推出了首浪波能公式，王平義等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)，提出了滑坡涌浪影響下高樁碼頭船舶撞擊力的計(jì)算公式。

滑坡涌浪作為滑坡體墜入水中后的次生災(zāi)害，其造成的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑坡體本身。以三峽水庫(kù)為研究對(duì)象，利用物理模型，針對(duì)庫(kù)區(qū)巖體滑坡涌浪對(duì)船舶表面附近的爬高特征進(jìn)行研究，以此分析庫(kù)區(qū)巖體滑坡和滑坡涌浪的影響，并作出針對(duì)性的預(yù)防措施。為保證對(duì)涌浪爬高認(rèn)識(shí)的充分性，在涌浪傳播方向上選取了兩個(gè)不同的船模位置進(jìn)行研究。研究成果將直接應(yīng)用于三峽庫(kù)區(qū)、小灣水等水庫(kù)庫(kù)區(qū)港口、航道工程及船舶航行安全管理中，而且可推廣應(yīng)用到其他山區(qū)河道型水庫(kù)受滑坡涌浪影響的港口、航道工程中。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)以3 500 t集裝箱船為原型，并以1∶70的比例進(jìn)行船模設(shè)計(jì)，材質(zhì)為木板，其參數(shù)如表1所示。

表1 船主尺度Table 1 Main scale of ship

此次試驗(yàn)基于沱口碼頭，選取上起航道里程330 km處、下至航道里程336 km處的長(zhǎng)約6 km河段進(jìn)行模擬試驗(yàn)。河道模型采用斷面法制作，并對(duì)地形進(jìn)行概化，兩岸坡度分別取平均值45°及30°，并以45°坡面為滑坡?？紤]水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行水位及所選河段水深，本次試驗(yàn)取水深0.74 m，河段寬8 m，如圖1所示。

圖1 河段及其斷面示意圖Fig.1 Sketch map of reach and cross section

滑坡體采用水泥、砂、石子作為原材料配置成砂漿。考慮本次模型的幾何比尺及試驗(yàn)操作的方便性，模擬試驗(yàn)從整體上將巖體滑坡體概化為長(zhǎng)方體[11]，體積為1 m×1 m×0.4 m。根據(jù)每個(gè)方案塊體的參數(shù)表，用制作好的塊體堆積成整體，模擬滑坡體的裂隙發(fā)育、離散程度和塊體組成，如圖2所示。

圖2 滑坡體Fig.2 Landslide body

如圖3所示，為試驗(yàn)的安全性和便利性，本次試驗(yàn)采用型號(hào)為20的槽鋼構(gòu)建滑架，滑架高2 m，寬 2 m，長(zhǎng)3 m。滑槽底部采用鐵質(zhì)材料以模擬滑面，長(zhǎng)度為2 m，其兩側(cè)為可變寬度擋板，可變范圍為0.5～1.5 m。

圖3 滑架及滑槽Fig.3 Slide and chute

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)采用的無(wú)線超聲波波浪采集分析儀(簡(jiǎn)稱浪高儀)由重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所自主研發(fā)，浪高儀是通過(guò)儀器桿端部的壓力感應(yīng)探頭來(lái)記錄水表面壓力的變化，使之變成波浪的實(shí)時(shí)數(shù)值，最終導(dǎo)出波浪曲線。

1.2.2 船模位置的選取及方向的確定

為分析不同位置點(diǎn)涌浪爬升高度對(duì)船舶的影響，選取了兩個(gè)不同的位置。其中位置1位于滑坡點(diǎn)斷面延長(zhǎng)線處，位置2位于河道直航道處，船模方向與涌浪來(lái)流方向垂直，如圖4所示。

圖4 船模朝向示意圖Fig.4 Sketch map of ship model orientation

1.2.3 觀測(cè)點(diǎn)選取

滑坡涌浪對(duì)系泊狀態(tài)下船舶的爬高在一定范圍內(nèi)有著較明顯的現(xiàn)象，當(dāng)涌浪的作用超過(guò)船舶周?chē)欢ǚ秶?，就不能觀測(cè)到涌浪的爬升現(xiàn)象。因此本節(jié)測(cè)點(diǎn)位置的選擇都在1倍船長(zhǎng)范圍內(nèi)，此時(shí)的涌浪對(duì)船舶的爬升作用較明顯，波浪變化有著較大的變化，儀器對(duì)波浪的這種變化的捕捉更加準(zhǔn)確。

為避免浪高儀撞擊到船身，同時(shí)保證涌浪爬升數(shù)據(jù)采集的對(duì)稱性，船模被劃分為4個(gè)區(qū)域，共10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖5所示。

圖5 觀測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.5 Observation point layout map

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

位置1與滑坡點(diǎn)的位置較近，產(chǎn)生的涌浪爬高對(duì)船舶有明顯的作用，水位值的變化較大。同時(shí)，由于滑坡斷面處與滑坡點(diǎn)相對(duì)距離較近，對(duì)船舶影響比較明顯，僅對(duì)滑坡斷面處滑坡涌浪爬高進(jìn)行研究是不全面的，因此結(jié)合具體研究?jī)?nèi)容，對(duì)滑坡涌浪在直航道系泊船舶表面附近的爬高也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，即位置2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選取部分觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 各觀測(cè)點(diǎn)水位圖Fig.6 Water level map of each observation point

2.1 涌浪最大爬升高度特征分析

如圖7所示，為半徑同為1倍船長(zhǎng)處各測(cè)點(diǎn)的最大波峰值，可以看出位置1和位置2迎浪面舷側(cè)測(cè)點(diǎn)最大波峰值明顯大于其他方向測(cè)點(diǎn)(即A3>C3/B2/D2)。對(duì)于位置1，其最小波峰出現(xiàn)在背浪面舷側(cè)即C3測(cè)點(diǎn)，而位置2并非如此，這是由于位置1距離滑坡點(diǎn)較近，滑坡體入水后產(chǎn)生能量較大，背浪側(cè)距離滑坡點(diǎn)的相對(duì)距離較遠(yuǎn)，涌浪經(jīng)過(guò)傳播及船側(cè)爬高碰撞消耗了一部分波能，因此波峰值要小于其他方向測(cè)點(diǎn)。

圖7 1倍船長(zhǎng)處最大波峰值Fig.7 Maximum peak at 1 times of length

位置2距離滑坡點(diǎn)較遠(yuǎn)，波浪在傳播過(guò)程中消耗了大量波能，到達(dá)位置2時(shí)，波能衰減較大，波浪波動(dòng)近似等于平靜水面的波能，各處波峰值十分接近，故位置2處背浪側(cè)測(cè)點(diǎn)的涌浪爬高損失能量少。

如圖8所示，半徑同為0.56倍船長(zhǎng)處各測(cè)點(diǎn)的最大波峰值，從圖中可以看出位置1處迎浪面舷側(cè)測(cè)點(diǎn)最大波峰值明顯大于其他方向測(cè)點(diǎn)(即A2>C2/B1/D1)，背浪面舷側(cè)測(cè)點(diǎn)C2峰值最小，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，位置1距離滑坡點(diǎn)較近，涌浪的波能更大，背浪側(cè)距離滑坡點(diǎn)的相對(duì)距離較遠(yuǎn)，涌浪經(jīng)過(guò)傳播及船側(cè)爬高碰撞消耗了一部分波能，所以波峰值要小于其他方向測(cè)點(diǎn)。

圖8 0.56倍船長(zhǎng)處最大波峰值Fig.8 The maximum peak at 0.56 times of length

位置2處迎浪面舷側(cè)測(cè)點(diǎn)最大波峰值與其他方向測(cè)點(diǎn)近似，無(wú)明顯變化，這是因?yàn)槲恢?距離滑坡點(diǎn)較遠(yuǎn)，波浪在傳播過(guò)程中消耗了大量波能，到達(dá)位置2時(shí)，波能變得很小，波浪波動(dòng)近似等于平靜水面的波動(dòng)，各測(cè)點(diǎn)的微小差異主要由測(cè)量?jī)x器的精度導(dǎo)致。

2.2 涌浪最大波谷特征分析

如圖9所示，半徑同為1倍船長(zhǎng)處各測(cè)點(diǎn)的最大波谷值，從圖中可以看出位置1的最大波谷值測(cè)點(diǎn)位于迎浪面舷側(cè)(A3)，這是由于測(cè)點(diǎn)位置波能較大，波浪的變化較明顯，故出現(xiàn)最大的波谷值。位置2的最大波谷值測(cè)點(diǎn)位于船首測(cè)點(diǎn)(B2)，由于滑坡涌浪傳至位置2時(shí)，波能很小，這種小波能涌浪與爬高回流波在船首處疊加產(chǎn)生了最大波谷。

圖9 1倍船長(zhǎng)處測(cè)點(diǎn)最大波谷值Fig.9 Maximum trough at 1 times of length

如圖10所示半徑同為0.56倍船長(zhǎng)處各測(cè)點(diǎn)的最大波谷值，可以看出位置1處的最大波谷值測(cè)點(diǎn)位于迎浪面舷側(cè)(A2)，這是由于測(cè)點(diǎn)位置波能較大，波浪的變化較明顯，故出現(xiàn)最大的波谷值。位置2的最大波谷值測(cè)點(diǎn)位于船首測(cè)點(diǎn)(B1)，由于滑坡涌浪傳至位置2時(shí)，波能很小，這種小波能涌浪與爬高回流波在船首處疊加產(chǎn)生了最大波谷。

圖10 0.56倍船長(zhǎng)處測(cè)點(diǎn)最大波谷值Fig.10 The maximum trough at 0.56 times of length

同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，位置1的B1處波峰與波谷出現(xiàn)的時(shí)間間隔較其他各點(diǎn)略長(zhǎng)，這是因?yàn)榇颂幍挠坷司嚯x船舶表面較近，因此其爬升時(shí)間更長(zhǎng)，最終導(dǎo)致了該現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 涌浪疊加波特征分析

由于河道寬度較小，在涌浪產(chǎn)生且波能釋放完全之前，河岸與船舶均會(huì)成為涌浪傳播過(guò)程中的障礙物，并對(duì)涌浪的傳播與衰減過(guò)程造成較大影響，經(jīng)障礙物阻攔后回流，與初始波疊加形成疊加波，并造成二次波峰的現(xiàn)象。如圖11所示為A1、B2、C2處的涌浪，在最大波峰過(guò)后，均出現(xiàn)了二次波峰，A1處甚至出現(xiàn)了三次波峰，而C2處的二次波峰與最大波峰值相差不大。

圖11 各觀測(cè)點(diǎn)二次波峰水位圖Fig.11 Water level map of the secondary peak at each observation point

通過(guò)對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)二次波峰產(chǎn)生原因的分析，產(chǎn)生二次或三次波峰的主要原因有兩點(diǎn)：①經(jīng)船舶側(cè)面阻擋后部分回流，或船舶表面的繞流波與初始波疊加，形成二次波峰；②受河道寬度限制，涌浪傳至河岸形成爬升后，其回流波與初始波疊加時(shí)，二者波能尚未釋放完全，亦會(huì)形成二次波峰。

如圖12所示為位置1與位置2處船側(cè)A、C兩組測(cè)點(diǎn)的最大波峰值，可以看出位置1處，兩組測(cè)點(diǎn)整體沿涌浪傳播方向減小，這是由于涌浪的波能隨時(shí)間減小，故波峰值相對(duì)應(yīng)的減小。但C組中C1測(cè)點(diǎn)最小，C2、C3沿涌浪傳播方向減小。

圖12 A/C兩組測(cè)點(diǎn)最大波峰值Fig.12 Maximum peak value of A/C two sets of measuring points

由于A1、C1中間放置有船模，當(dāng)涌浪傳至船模表面處，一部分涌浪會(huì)沿著船側(cè)上升，另一部分涌浪會(huì)繞過(guò)船首尾傳播。C1處于船側(cè)背浪面第一個(gè)測(cè)量位置，由于距離船體表面較近，涌浪在繞過(guò)船體時(shí)，會(huì)在背浪面一定區(qū)域內(nèi)形成渦流，導(dǎo)致C1測(cè)點(diǎn)波峰值小于C2測(cè)點(diǎn)波峰值。A1測(cè)點(diǎn)位于船模迎浪面，且離船模最近，因此研究A1點(diǎn)的涌浪高度有助于判斷滑坡涌浪是否會(huì)引起甲板上浪。

位置2處兩組測(cè)點(diǎn)最大波峰值不是沿涌浪傳播方向減小，這是由于位置2離滑坡點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，涌浪傳播至位置2時(shí)，波能比較小，導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映涌浪對(duì)船舶爬高的影響程度。

3 結(jié)論

通過(guò)放置兩個(gè)不同位置的船模，并對(duì)每個(gè)船模設(shè)計(jì)了10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)以記錄船模表面附近的涌浪爬高數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后，得出以下結(jié)論。

(1)最大波峰與最大波谷均出現(xiàn)在迎浪面舷側(cè)，即迎浪面舷側(cè)處涌浪的波能極大，受到的破壞也最大，因此行船時(shí)需著重注意對(duì)迎浪面舷側(cè)的保護(hù)，防止甲板上浪。

(2)若船舶離滑坡點(diǎn)較遠(yuǎn)，涌浪傳播至船舶表面時(shí)，波能消耗較大，首浪對(duì)船舶的影響較小。而受涌浪沿船舶表面繞流的影響，繞流波與初始波疊加，此時(shí)的最大波峰與波谷出現(xiàn)在船首位置，但波能仍然較小，對(duì)行船影響較小。

(3)涌浪波能總體而言沿傳播方向逐漸遞減，但遇到船舶、河岸等障礙物時(shí)會(huì)引起繞流、回流等行為，與初始波疊加后形成二次波峰，或在船舶附近形成渦流。

(4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，二次波峰、三次波峰始終小于一次波峰，因此影響涌浪爬升高度最大的因素主要是初始波波能。二次波峰波能總體小于首波，但伴隨其產(chǎn)生的復(fù)雜流場(chǎng)變化依然會(huì)向行船安全帶來(lái)二次威脅，特別是波能較小時(shí)，就不能忽略二次疊加波與三次疊加波對(duì)船舶爬升作用的影響。