滑坡涌浪水域船舶通航安全試驗(yàn)研究

袁培銀，王平義，趙 宇,3，喻 濤，韓林峰，程志友

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 重慶 400074)

0 引 言

陸地上的滑坡會(huì)對(duì)城市建設(shè)、公路產(chǎn)生直接影響，而在水庫(kù)、河流、港口或者海岸等具有一定水深的區(qū)域發(fā)生山體滑坡，將會(huì)產(chǎn)生巨大的水波散射傳播，突發(fā)涌浪會(huì)對(duì)航道內(nèi)的船舶產(chǎn)生巨大的沖擊力，造成船舶橫搖運(yùn)動(dòng)幅值過(guò)大，船舶翻沉。2015年6月，重慶巫山大寧河江東寺北岸發(fā)生嚴(yán)重山體滑坡，事故造成21艘船舶翻沉，另有21艘靠泊船舶斷纜漂航，導(dǎo)致長(zhǎng)江干線附近水域航道禁航，2017年12月菲律賓東部連續(xù)降雨，發(fā)生大規(guī)模洪水及山體滑坡，致使29人死亡，23人失蹤，直接受到山體滑坡影響的村民有33戶，間接受到山體滑坡影響的有196戶。

對(duì)于滑坡涌浪的傳播規(guī)律及船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)影響分析，國(guó)內(nèi)外專家做過(guò)相關(guān)的部分研究。H. M.Fritz等[1]利用三維物理試驗(yàn)方法對(duì)涌浪影響參數(shù)進(jìn)行研究，分析涌浪引起的流場(chǎng)特點(diǎn)；Rita Fernandes de Carvalha[2]通過(guò)試驗(yàn)研究分析涌浪的影響因素及對(duì)庫(kù)岸的實(shí)時(shí)壓力；B. Ataie-Ashtiani[3]通過(guò)120組模型試驗(yàn)，分析了波浪周期、振幅和能量在涌浪作用下的變化趨勢(shì)；M. Di Risio 等[4]通過(guò)半橢圓形的剛性滑坡模型對(duì)圓形岸邊的滑坡涌浪高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；隨著時(shí)域計(jì)算范圍的發(fā)展，非線性的影響愈加成為研究重點(diǎn)。Debabrata Sen[5]通過(guò)計(jì)算得到非線性項(xiàng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，Mingkang Wu等[6]根據(jù)非線性時(shí)域方程求解出波浪作用下船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果；汪洋等[7]對(duì)滑坡涌浪的形成原因進(jìn)行分析并對(duì)流體力學(xué)明渠非恒定流理論進(jìn)行深入理解，基于滑坡涌浪產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，計(jì)算滑坡涌浪在緩慢衰減和急劇衰減2個(gè)階段的傳播情況；馬山[8]利用二維時(shí)域格林函數(shù)方法，研究了船舶在高速航向狀態(tài)下的水動(dòng)力特性、運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)；段文洋等[9]采用模型試驗(yàn)的方法，對(duì)船舶在涌浪作用時(shí)的甲板上浪現(xiàn)象進(jìn)行研究，并得出上浪沖擊壓力的特點(diǎn)和規(guī)律，得到船舶運(yùn)動(dòng)、上浪沖擊壓力等時(shí)實(shí)數(shù)據(jù)；韓端鋒等[10]對(duì)船舶在冰區(qū)航行時(shí)所受到的冰阻力進(jìn)行研究分析，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法進(jìn)行總結(jié)對(duì)比。

1 物理模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)相似理論

基于相似性原理，為使模型試驗(yàn)和實(shí)際情況得到的現(xiàn)象相似，需要滿足幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的條件?？s尺比即實(shí)物和模型各項(xiàng)相應(yīng)線性尺度之比，其值為常數(shù)：

式中：L，B，d分別為長(zhǎng)度，寬度及吃水；下標(biāo)m及s分別為模型和實(shí)體；為縮尺比。

在對(duì)波浪作用下船舶或海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行相似實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，通常不考慮黏性的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只需保持實(shí)體與模型的傅汝德數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)相等，即兩者的重力和慣性相似：

式中：V，L，T分別為速度，特征線尺度及主要周期。

1.2 試驗(yàn)河道及滑坡體模型設(shè)計(jì)

本文選取長(zhǎng)江流域萬(wàn)州沱口河段為研究對(duì)象，橫截面水寬為804.8 m。模型的設(shè)計(jì)按照縮尺比1:70進(jìn)行制作，模型制作采用斷面法，概化、處理河底地形。試驗(yàn)工況根據(jù)“地質(zhì)災(zāi)害防治監(jiān)測(cè)預(yù)警工程專業(yè)監(jiān)測(cè)崩塌滑坡體災(zāi)害點(diǎn)涌浪分析與危害評(píng)估”報(bào)告中列出的122個(gè)滑坡體尺寸、滑移速度以及斜坡角等因素的分析并利用正交試驗(yàn)法確定，對(duì)不同工況的滑坡涌浪作用下船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)全過(guò)程進(jìn)行研究。本文滑坡體密度參考巖體的常見(jiàn)密度為2.3～2.8 g/cm3，而庫(kù)區(qū)滑坡體多為泥巖和砂巖，砂巖天然密度2.2～2.7 g/cm3，泥巖天然密度 2.45～2.65 g/cm3。

1.3 船體模型設(shè)計(jì)

本文選取3 000 t甲板駁船作為試驗(yàn)船模，采用鐵質(zhì)砝碼壓載方法控制船舶的不同載重，使船舶模型滿足吃水、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩和自振周期與原型基本相似，表1為船舶試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叨取?/p>

表1 船舶試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨萒ab. 1 Parameters of ship model

1.4 試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)

本文試驗(yàn)通過(guò)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)波浪系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集頻率為25 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中在船舶航行區(qū)域布置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)采集的波面散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可計(jì)算得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的涌浪高度，并監(jiān)測(cè)甲板駁船的橫搖運(yùn)動(dòng)幅值。

表2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Tab. 2 Design of working condition

1.5 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

2 船舶運(yùn)動(dòng)方程的描述

本文研究船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其視為剛體在無(wú)限介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，適合剛體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。剛體的運(yùn)動(dòng)包括質(zhì)心的平動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量定理和繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量矩定理，可得：

其中：M為剛體的質(zhì)量；v0為質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度； ω為繞質(zhì)心的某瞬時(shí)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；交變張量符號(hào) εijk的定義如下：

式中：3個(gè)下標(biāo)有2個(gè)相同時(shí)，其值為0；3個(gè)下標(biāo)成偶排列時(shí)，其值為1；3個(gè)下標(biāo)成奇排列時(shí)，其值為–1；

由于慣性矩I都是在隨體坐標(biāo)系內(nèi)計(jì)算，因此其是一個(gè)定量，故動(dòng)量矩定理可寫(xiě)成：

式（4）為坐標(biāo)系中的一般剛體運(yùn)動(dòng)方程，它可以用來(lái)描述船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果研究

3.1 滑坡涌浪傳播及衰減規(guī)律

根據(jù)彎曲河段波高等值線圖，沿程涌浪的波高衰減可以分為滑坡體寬度范圍內(nèi)衰減區(qū)域，滑坡體寬度范圍外直道衰減區(qū)域，彎道衰減區(qū)域和過(guò)彎后衰減區(qū)域4個(gè)區(qū)域，如圖1所示。

圖1 河道波高衰減區(qū)域圖Fig. 1 The regional figure of wave height attenuation in the channel

滑坡涌浪受河道形態(tài)和斷面形狀的影響，在沿河道傳播過(guò)程中傳播和衰減規(guī)律有所差異。選取工況5波高在滑坡體寬度范圍內(nèi)直道、滑坡體寬度范圍外直道和彎道處的衰減曲線如圖2所示。

圖2 巖體滑坡涌浪波高衰減圖Fig. 2 The wave height attenuation of landslide surge

從圖2可以看出，涌浪在彎道處的傳播呈現(xiàn)隨距離的增加，浪高減小同時(shí)衰減緩慢的特點(diǎn)。距離相同時(shí)，滑坡體寬度范圍內(nèi)直道波高衰減最慢，滑坡寬度范圍外直道次之，而彎道波高的衰減最快。這是由于滑坡入水過(guò)程中，滑坡體寬度范圍內(nèi)直道方向在滑坡體與水體之間的能量轉(zhuǎn)換相比其他兩種情況更加完全，同時(shí)向兩側(cè)傳遞，因此波高在滑坡體寬度范圍內(nèi)衰減最慢。彎道中的水面介質(zhì)范圍相比于直道的范圍更廣，所以在彎道中波高的衰減最快。

3.2 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)幅值結(jié)果分析

船舶的6個(gè)自由度是指在笛卡爾直角坐標(biāo)系內(nèi)，沿著3個(gè)軸移動(dòng)和繞3個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的6種運(yùn)動(dòng)形式，其中最大橫搖角度作為國(guó)際海事組織規(guī)定船舶隨浪航行安全的重要指標(biāo)，其角度不能超過(guò)40°，當(dāng)橫搖角度大于40°時(shí)船舶的穩(wěn)定特征發(fā)生改變，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的危害。為了防止貨物移動(dòng)和甲板上浪等問(wèn)題，船舶行船安全的標(biāo)準(zhǔn)還需考慮船舶進(jìn)水角和最大動(dòng)傾角的影響，取其最小值，因此本文取工程經(jīng)驗(yàn)值15°。

試驗(yàn)主要研究巖體滑坡涌浪影響下，船舶由靜止到左右舷擺動(dòng)，再到船體靜止的過(guò)程中船體隨時(shí)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，重點(diǎn)分析橫搖角度隨時(shí)間的變化曲線。選定編號(hào)為19，20，21，22，23，24六組工況條件，其時(shí)域圖分別如圖3～圖8所示，圖中縱軸正方向表示順涌浪傳播方向，縱軸負(fù)方向表示逆涌浪傳播方向。

由圖3～圖8橫搖時(shí)程曲線圖可知，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果得出滑坡涌浪影響下船舶橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律：1）波要素對(duì)橫搖初始方向具有很大影響，當(dāng)波峰先與船體接觸時(shí)船體向順波浪方向傾斜，當(dāng)波谷先接觸船體時(shí)船體向逆波浪方向傾斜。2）橫搖角度會(huì)因?yàn)樵疾ǖ淖饔迷谡麄€(gè)過(guò)程中先達(dá)到最大值，之后在作用力和阻力的影響下再迅速呈非線性衰減。3）基于船體在靜止時(shí)豎中線的橫搖左右幅值不對(duì)稱，船體初始向左傾斜時(shí)，左側(cè)的橫搖幅值較大；船體初始向右傾斜時(shí)，右側(cè)的橫搖幅值較大。4）由于橫搖影響，易引起集裝箱發(fā)生位置上的偏移，甚至落水，從而改變了船體重心位置，影響船舶行駛穩(wěn)定性。5）當(dāng)橫搖運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生甲板上浪等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響船員、貨物以及航行的安全。

圖3 工況 19 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 3 The time history of roll motion in case 19

圖4 工況 20 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 4 The time history of roll motion in case 20

圖5 工況 21 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 5 The time history of roll motion in case 21

圖6 工況 22 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 6 The time history of roll motion in case 22

圖7 工況 23 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 7 The time history of roll motion in case 23

圖8 工況 24 船舶橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)歷曲線Fig. 8 The time history of roll motion in case 24

4 結(jié) 語(yǔ)

1）山體滑坡所產(chǎn)生的滑坡涌浪，衰減趨勢(shì)在不同區(qū)域范圍內(nèi)有所差別；

2）山體滑坡涌浪的浪高在沿程傳播時(shí)會(huì)隨距離的增加而不斷衰減；

3）滑坡體不同的斷面形狀，即不同的長(zhǎng)寬比，滑坡體與水體能量交換的充分程度不同；

4）船舶在滑坡涌浪作用下，其初始運(yùn)動(dòng)方向很大程度上取決于涌浪傳播特性；

5）由于滑坡涌浪的初始波高較大，船舶初始橫搖幅值較大，隨著涌浪傳播過(guò)程中能量衰減，船舶橫搖幅值逐漸減小，最終恢復(fù)正常狀態(tài)。