滑坡涌浪影響下船舶航行限制范圍試驗(yàn)研究

路 鼎,王平義,喻 濤,陳 里,何 慶

(重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074)

滑坡涌浪影響下船舶航行限制范圍試驗(yàn)研究

路 鼎,王平義,喻 濤,陳 里,何 慶

(重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心,水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074)

三峽庫(kù)區(qū)滑坡時(shí)有發(fā)生,滑坡產(chǎn)生的涌浪對(duì)航道中的船舶航行安全構(gòu)成巨大威脅。以萬(wàn)州沱口碼頭河段為原型,設(shè)計(jì)巖體滑坡涌浪物理模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)得不同工況下首浪高度和沿程涌浪高度,運(yùn)用回歸分析方法得到首浪高度和沿程涌浪衰減的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式,并由此推算得出船舶航行限制范圍的計(jì)算式。運(yùn)用船舶模型試驗(yàn)的方法對(duì)船舶航行限制范圍計(jì)算式進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)波流場(chǎng)中如何計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。船舶航行限制范圍的確定可為船舶避險(xiǎn)措施研究提供重要依據(jù),對(duì)減少滑坡涌浪對(duì)船舶損壞及人員傷亡具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

滑坡體;滑坡涌浪;首浪高度;衰減;航行限制范圍

近年來(lái)隨著三峽工程的運(yùn)行,水庫(kù)的蓄水、放水、正常營(yíng)運(yùn)對(duì)庫(kù)區(qū)岸坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大影響,也誘發(fā)了大量滑坡。水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)發(fā)生滑坡時(shí),由于巨大山體在短時(shí)間內(nèi)高速滑入水中,必然激起巨大的涌浪,涌浪打翻船舶,屢屢發(fā)生航行船舶船員傷亡、失蹤事件。因此,研究庫(kù)區(qū)典型的巖體滑坡涌浪特性,提出船舶航行限制范圍計(jì)算方法以盡可能地減少滑坡涌浪致災(zāi)損失,已經(jīng)刻不容緩。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)滑坡形成的機(jī)理及預(yù)防措施研究較多,對(duì)滑坡涌浪的特性也開(kāi)展了一定的研究。在滑坡涌浪的模型試驗(yàn)方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得一定的成果,國(guó)外學(xué)者J.W.Kamphis和R.J.Bowering[1]通過(guò)模型試驗(yàn),提出了穩(wěn)定浪高與滑坡單寬體積、弗勞德數(shù)之間的無(wú)量綱關(guān)系式;H.M.Fritz等[2]通過(guò)三維物理試驗(yàn)考慮了不同特征參數(shù)對(duì)涌浪的影響,分析了涌浪引起的流場(chǎng)特點(diǎn);M.Di Risio等[3]采用模型試驗(yàn)研究了滑坡沿著直線型庫(kù)岸下滑激起的涌浪高度,結(jié)果表明記錄的波形通常先出現(xiàn)一個(gè)波峰,然后出現(xiàn)波谷,隨著涌浪的沿程傳播,波峰高度趨向低于波谷高度,波浪周期變大。趙根等[4]在三峽樞紐1∶100的整體模型上進(jìn)行了圍堰傾倒試驗(yàn),測(cè)量了三峽三期工程上游碾壓混凝土圍堰傾倒時(shí)的涌浪高度,分析了涌浪特性及傳播規(guī)律。任坤杰等[5]通過(guò)散體模型試驗(yàn),得到首浪高度的經(jīng)驗(yàn)公式。然而,目前對(duì)三峽庫(kù)區(qū)典型的巖體滑坡涌浪的試驗(yàn)研究仍然較少[6-7],對(duì)涌浪影響下船舶航行的限制也沒(méi)有提出明確的解決方法。為此,通過(guò)模型試驗(yàn)研究,分析庫(kù)區(qū)典型的巖體滑坡涌浪特性,以確定船舶航行限制范圍的計(jì)算方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)依托工程長(zhǎng)江萬(wàn)州江南沱口碼頭河段情況,模型采用1∶70的幾何比尺,擬模擬河段范圍在航道里程335—330 km之間,實(shí)際長(zhǎng)約4 km(見(jiàn)圖1)。該河段處于危巖帶附近,區(qū)域內(nèi)有萬(wàn)州港、江南沱口港等重要港口,航運(yùn)發(fā)達(dá),過(guò)往船舶較多。該河段是典型的彎曲河段,如發(fā)生滑坡,船舶不易操作避險(xiǎn),因此選擇該區(qū)域作為原型進(jìn)行研究具有實(shí)際意義。

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)大量滑坡體特征資料,庫(kù)區(qū)滑坡體多為泥巖和砂巖,砂巖天然密度為2.2～2.7 g/cm3,泥巖天然密度為2.45～2.65 g/cm3,取其平均密度2.5 g/cm3作為模型滑塊的密度指標(biāo),本試驗(yàn)采用散體模擬滑坡體,用砂漿和石子混合制成大小不同的5種矩形塊體,保證密度相似,并通過(guò)塊體不同的排列組合堆放方式模擬滑體的離散程度和裂隙發(fā)育程度[8]。

通過(guò)對(duì)壁面材料的反復(fù)比選,保證試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與原型吻合,最終選用了涂漆鐵質(zhì)材料作為試驗(yàn)壁面材料,制作滑槽。滑槽長(zhǎng)度為2 m,兩側(cè)為可變寬度擋板,可變范圍為0.5～1.5 m。圖2為滑槽和塊體的照片。

圖1 模型概化平面(單位:m)Fig.1 Generalized section plan(unit:m)

圖2 滑槽和塊體Fig.2 Chute and block

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

三峽水庫(kù)的正常蓄水位為175 m、汛期汛限水位為145 m,枯水期消落水位為155 m。概化后河道的底部平均高程為93.55 m,再根據(jù)模型1∶70的幾何比尺,最終設(shè)計(jì)的3個(gè)特征水位相應(yīng)的試驗(yàn)水深為:0.74, 0.88和1.16 m。通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡區(qū)域滑面坡度的資料統(tǒng)計(jì),巖體滑坡滑面坡度分布在(20～60)°之間,平均值為36°。因此,滑面傾角選取20°,40°和60°這3個(gè)水平坡度作為滑坡滑面坡度。通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡體寬度、厚度等尺寸資料的收集分析,試驗(yàn)選用固定長(zhǎng)度1 m,寬度0.5,1.0和1.5 m,厚度0.2,0.4和0.6 m共9組塊體方案。

綜上所述,試驗(yàn)選用3種水深、3個(gè)水平坡度和9個(gè)水平塊體體積,共計(jì)81組試驗(yàn)工況。

1.3 試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)

本試驗(yàn)使用重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的UBL-2超聲波多點(diǎn)波浪采測(cè)系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),采集頻率為25 Hz。試驗(yàn)中在首浪附近區(qū)域和沿程布置若干測(cè)點(diǎn),對(duì)采集到的波面散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可計(jì)算得出各測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的涌浪高度。

圖3 首浪高度計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.3 Calculated and measured values given byprimary wave height equation

2 成果分析

通過(guò)采測(cè)系統(tǒng)得到波面高程的散點(diǎn)數(shù)據(jù)。在處理本試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),將涌浪視作隨機(jī)波浪,采用跨零點(diǎn)法通過(guò)VBA編程實(shí)現(xiàn)對(duì)初始波高H和沿程波高Hi等數(shù)據(jù)的提取。

2.1 首浪高度計(jì)算式

通過(guò)單因素分析發(fā)現(xiàn)水深、坡度、滑坡厚度、寬度及滑塊下滑速度為主要影響因素,首浪高度可表示為:

式中:H為首浪高度;h為富裕水深;w和b分別為滑塊的厚度和寬度;β為滑坡入水角度;v為塊體下滑速度。分析可知:v=(h,w,b,β),故通過(guò)量綱分析可將式(1)變換為:

將試驗(yàn)測(cè)得的首浪高度數(shù)據(jù)回歸擬合,得到了與試驗(yàn)首浪高度相關(guān)性較好(r2=0.95)的經(jīng)驗(yàn)公式(3):

首浪高度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖3,可見(jiàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性較好。

2.2 波高沿程衰減計(jì)算式

潘家錚等認(rèn)為以滑坡失事點(diǎn)為中心,波高和距離成反比[9],從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)巖體滑坡涌浪波高衰減也符合這一規(guī)律;另外通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)波高的衰減與水深和坡度等因素相關(guān)性較小,可以忽略其相關(guān)性。最終通過(guò)回歸分析得到沿程波高與首浪波高和距離的關(guān)系見(jiàn)式(4)(相關(guān)系數(shù)r2= 0.94)。圖4為沿程涌浪計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比,可見(jiàn)公式擬合較好。

式中:l為河道中某點(diǎn)與滑坡失事點(diǎn)中心的距離。將式(3)代入式(4)中得到不同介質(zhì)滑坡產(chǎn)生的沿程波高與富裕水深、滑塊寬度、厚度和角度的關(guān)系:

圖4 沿程涌浪計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.4 Calculated and measured values given by wave decay equation

2.3 靜水船舶航行限制范圍確定

目前對(duì)滑坡涌浪影響下船舶航行限制范圍沒(méi)有專門的研究,只能通過(guò)相關(guān)規(guī)定選取船舶航行的極限波高,再通過(guò)式(5)反推船舶航行限制范圍。根據(jù)《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定[10],內(nèi)河A級(jí)航區(qū)的波高范圍為1.5～2.5 m,B級(jí)航區(qū)的波高范圍為0.5～1.5 m,C級(jí)航區(qū)波高在0.5 m以下。從偏安全角度考慮,分別選取1.5和0.5 m作為A區(qū)和B,C區(qū)船舶航行的極限波高。另外航道中船閘泄水波高限定標(biāo)準(zhǔn)為0.5～0.6 m,當(dāng)航道中有船閘時(shí),取0.5 m作為極限波高。將1.5和0.5 m作為沿程波高代入式(5),求得船舶航行限制距離:

式中:λ為將1.5和0.5 m的原型波高對(duì)應(yīng)的模型波高代入式(5)后得到的系數(shù),A區(qū)λ取63.648 7,B,C區(qū)以及滑坡附近有船閘的區(qū)域λ取190.946。式中的l限制包含l上游限制和l下游限制,在靜水中l(wèi)限制=l上游限制=l下游限制。若計(jì)算的原型l為2 km,則限制范圍為從滑坡處起向上游2 km,向下游2 km的范圍。

由于缺少實(shí)測(cè)資料,采用試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證計(jì)算式的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中將船舶模型放于河道模型中,通過(guò)攝像機(jī)攝影,讀取涌浪時(shí)船舶橫搖。將一次工況中讀取的最大橫搖角度與船舶允許橫搖比較,若最大橫搖角度小于船舶允許橫搖,則船舶可以安全行駛,反之則不能安全行駛。船舶放置于距離首浪4 m位置(試驗(yàn)前通過(guò)預(yù)估,船舶在4 m處位置,可以保證不同試驗(yàn)工況中,一部分工況船舶是安全的,一部分工況船舶是不安全的;另外,由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绾推渌麥y(cè)量?jī)x器安置的影響,選擇4 m位置方便試驗(yàn)操作)。根據(jù)式(6)計(jì)算船舶航行限制距離l限制,l限制＜4 m時(shí),船舶可以安全航行,反之不可以安全航行。試驗(yàn)中船舶的允許最大橫搖為15°[11]。

圖5為橫搖與限制距離的比較,可以看出:當(dāng)船舶航行限制距離l限制＞4 m時(shí),最大橫搖角度基本大于15°,從限制距離和橫搖角度兩方面都說(shuō)明船舶不可以安全航行;反之,限制距離l限制＜4 m時(shí),最大橫搖角度基本小于15°,同樣也是從限制距離和橫搖角度兩方面說(shuō)明船舶可以安全航行。也就是說(shuō),用最大橫搖角度與船舶允許橫搖比較、判斷船舶是否可以安全航行的方法,與通過(guò)限制距離計(jì)算、判斷船舶是否可以安全航行的方法得到的結(jié)論基本一致。因此用船舶橫搖試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了船舶航行限制距離公式的可靠性。2.4 波流場(chǎng)中航行限制范圍確定

圖5 橫搖與限制距離的比較Fig.5 Comparison between rolling and limit distance

由于試驗(yàn)中不計(jì)水庫(kù)水體流速,只研究靜水中涌浪特征和衰減規(guī)律。如果流速較大,用式(6)計(jì)算船舶航行限制距離有一定誤差。波、流相互作用后流場(chǎng)和波浪要素都會(huì)發(fā)生變化,波浪作用流場(chǎng)后,垂線平均流速變得均勻,波流場(chǎng)中垂線流速分布可以近似表達(dá)為Uwc(z)/Uwc(0)≈1.0,其中Uwc(z)為波流場(chǎng)中垂線z坐標(biāo)點(diǎn)處的水流速度;Uwc(0)為波流場(chǎng)中表面流速。再根據(jù)式Uwc(z)/U0≈7/8可知波流場(chǎng)中表面流速比水流場(chǎng)中表面流速小,其中U0為純水流的表面流速。所以不考慮波流作用后流速變化對(duì)船舶航行限制范圍的影響。波流相互作用后波高變化可以用式(7)和(8)近似計(jì)算[12]。

波浪傳播方向與水流流向相同或者相反時(shí):

波浪傳播方向與水流斜交時(shí):

α為波流共存時(shí)波峰線與水流流向之間的夾角,αs為無(wú)流時(shí)波峰線與水流流向之間的夾角。具體計(jì)算中波浪周期可采用下式進(jìn)行:

根據(jù)上述分析,波流場(chǎng)中船舶航行限制距離計(jì)算式可表示為:

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州沱口碼頭河段物理模型試驗(yàn),模擬巖體滑坡涌浪特性及其對(duì)船舶航行的影響,運(yùn)用回歸分析得到巖體滑坡涌浪首浪高度計(jì)算式;運(yùn)用回歸分析得到涌浪沿程衰減計(jì)算式,并推導(dǎo)得出滑坡涌浪影響下船舶航行限制范圍的計(jì)算式,同時(shí)還簡(jiǎn)化了考慮波流作用下安全航行范圍公式的計(jì)算方法;在原型實(shí)測(cè)資料缺乏的情況下,采用船舶橫搖試驗(yàn)結(jié)果較好地驗(yàn)證了船舶航行限制范圍的計(jì)算式。

本文主要對(duì)三峽庫(kù)區(qū)萬(wàn)州沱口碼頭河段滑坡涌浪進(jìn)行研究,可為該河段船舶避險(xiǎn)措施的研究提供重要依據(jù),但對(duì)其他區(qū)域河段是否適用還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

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Experimental studies of restricted waterway for ships during landslide generated waves

LU Ding,WANG Ping-yi,YU Tao,CHEN Li,HE Qing
(National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Landslides often occur in the Three Gorges Reservoir area.Landslide generated waves often mark threats against vessels in the waterways.Based on this,a physical model for simulating the rock landslide generated waves is designed,taking the river reach near the Tuokou port in Wanzhou harbor as the prototype.Primary wave height and the wave height in different working conditions are obtained from the special instruments placed in the model. A regression analysis method is used to get the empirical formula for the primary wave height and attenuation of wave height.And the formula for navigation limits of ships in the inland waterways is given by the empirical formula.The formula is checked and verified by the ship model tests.Then we explain the formula for the waterway during the wave flow field.The determination of scope of restricted waterway for vessel can provide an important basis for the research on measures for vessel safety.It is of practical significance to reducing the damage of the vessel and casualties caused by landslide generated waves.

landslide mass;landslide generated waves;primary wave height;decay of waves;restricted waterway for ships

TV139.2+3

A

1009-640X(2014)04-0070-05

2014-01-15

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(20113288141160);重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC2009AC6045)

路 鼎(1989-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,主要從事港口、海岸及近海工程研究。E-mail:1059191462@qq.com 通信作者:王平義(E-mail:py-wang@163.com)