直立式護(hù)岸渡槽船行波分布規(guī)律研究

翟正娟

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210019）

1 前言

我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)呈顯著的船舶大型化、 通過(guò)頻率密集化發(fā)展，這導(dǎo)致船行波問(wèn)題日益嚴(yán)重［1-3］。 尤其在部分束窄河段 （如渡槽、 船閘引航道、 天然束窄段），船行波引起的水流紊亂問(wèn)題尤為明顯。 規(guī)模較大的船行波將產(chǎn)生船首偏角影響過(guò)往船舶正常行駛、惡化航道兩岸碼頭待泊船舶泊穩(wěn)，甚至產(chǎn)生掏刷水流，破壞兩側(cè)護(hù)岸的穩(wěn)定性。

針對(duì)船行波的研究最早起于18世紀(jì)末，在Kelvin認(rèn)為船在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生橫波和散波兩種波形，兩種頻率的波相互疊加的峰值點(diǎn)為歧點(diǎn)，經(jīng)分析及實(shí)踐驗(yàn)證，歧點(diǎn)的連線為直線（成為歧線），且歧線與船舶行駛路徑之間的角度成為開(kāi)爾文角，且為相對(duì)固定值（19°～22°）［4］。 開(kāi)爾文角示意如圖1。

圖1 開(kāi)爾文角示意

Wilson通過(guò)對(duì)巴拿馬12種船型大量行駛波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為船行波在平面?zhèn)鞑?、分布上具有典型的二維性質(zhì)，而最大波高隨時(shí)間一直波動(dòng)，在空間上又具有明顯的三維性質(zhì)［5-6］。 Raven將疊加波浪的最大波高定義為一個(gè)波浪序列中，相鄰波峰和波谷之間的最大高程差，將波峰和波谷之間的時(shí)間歷程定義為半個(gè)周期［7］。 船行波波高時(shí)間序列過(guò)程如圖2。

圖2 船行波時(shí)間序列

王田藝認(rèn)為，在直立式護(hù)岸區(qū)域，船行波受直立式岸墻反射影響，相互干擾、疊加，船行波規(guī)模遠(yuǎn)大于自然岸坡和斜坡式護(hù)岸［8-10］。

2 工程概況

工程隸屬濱海樞紐工程，位于濱?？h城南6km、入海水道與連申線交匯處。 濱海樞紐二期渡槽位于江蘇省鹽城市連申線（即通榆河）上，為給渡槽的入海水道泄洪通道創(chuàng)造條件，渡槽采用直立式擋墻結(jié)構(gòu)，且航寬由現(xiàn)狀的90m束窄為71m。二期地涵建于一期地涵北側(cè)200m處，地涵長(zhǎng)293.4m，口寬71m，航寬70.42m，與一期地涵連接段斜坡坡率為1∶12。 濱海樞紐二期地涵平面布置如圖3，立面布置如圖4。 工程段連申線最高通航水位2.24m，最低通航水位-0.37m，渡槽設(shè)計(jì)底高程3.67m。

圖3 濱海樞紐二期渡槽平面布置

圖4 濱海樞紐二期渡槽立面布置

3 三維模型建立

本文采用三維數(shù)值仿真模擬方法，探究直立式護(hù)岸下渡槽內(nèi)船舶船行波分布規(guī)律。

3.1 船型選擇及船舶模型建立

連申線航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅲ級(jí)航道，根據(jù)GB50139—2014《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》及《京杭運(yùn)河、淮河水系過(guò)閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列》，取1000t級(jí)貨船為代表船型，設(shè)計(jì)尺度為58m×11.0m×3.1m（船長(zhǎng)×寬×吃水）。 船舶模型如圖5。

圖5 設(shè)計(jì)代表船型概化

3.2 渡槽三維模型及計(jì)算工況

二期渡槽長(zhǎng)293.4m，寬71m。 渡槽段三維模型及網(wǎng)格劃分如圖6。其中，模型采用立方體網(wǎng)格，網(wǎng)格間距設(shè)為2m，整個(gè)模型共有10402個(gè)網(wǎng)格和20605個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。 本模型中船舶距離岸壁距離為1m。

選擇最高通航水位作為計(jì)算工況，該工況下，河段水流自北向南，流量250m3/s，水位2.41m。

圖6 二期渡槽三維模型網(wǎng)格劃分

4 三維模型計(jì)算結(jié)果

4.1 船行波發(fā)展過(guò)程

設(shè)計(jì)代表船型進(jìn)入渡槽后，船行波發(fā)展、傳播過(guò)程如圖7。

圖7 1000t級(jí)貨船渡槽中船行波發(fā)展過(guò)程

分析可知：

（1）在船舶前進(jìn)過(guò)程中，船首部分?jǐn)D壓、推排船前水體，形成弧形壅水，并沿著開(kāi)爾文角度方向相對(duì)船體向斜后方運(yùn)動(dòng)。

（2）船行波波峰出現(xiàn)在船首正前方區(qū)域，在向斜后方運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按照間諧波的規(guī)律依次震蕩，波峰、波谷交替出現(xiàn)的規(guī)律十分明顯。 證明船行波具有顯著的二維、三維性質(zhì)。

（3）船行波在前4個(gè)周期中，與岸壁之間基本無(wú)相互干擾作用。 從第5個(gè)周期開(kāi)始，船行波受岸壁的反射波作用影響，波峰線逐漸縮短，且波紋開(kāi)始紊亂，與反射波的相互干擾作用逐漸明顯。

（4）經(jīng)對(duì)比，船首行波的規(guī)模、波高都顯著大于船尾行波。 產(chǎn)生原因主要是船舶在船首推排水體形成波浪并逐漸傳播，在傳播過(guò)程中波浪能量逐漸消減，且波浪干涉、衍射作用也在一定程度上消減了波浪能量，減小了波浪規(guī)模。

4.2 不同吃水對(duì)船行波的影響

在船舶航速為5.0m/s 下，設(shè)置吃水分別為0.75，1.0，1.25，1.5m 4組對(duì)比工況。 船舶吃水模型設(shè)置如圖8，各工況下在行駛45s時(shí)的船行波分布如圖9。

圖8 不同吃水工況下模型

圖9 不同吃水工況下船行波分布

分析可知：

（1）隨著船舶吃水深度增加，船舶推開(kāi)船前水體增大，船首壅水范圍及船行波規(guī)模也單調(diào)遞增。

（2）隨著船舶吃水深度增加，波浪震蕩幅度越大，相應(yīng)地波谷高程也越低。

（3）在4組工況下，波浪周期及波浪長(zhǎng)度基本一致。 可見(jiàn)不同吃水深度對(duì)船行波的波浪周期及波浪長(zhǎng)度基本無(wú)影響。

（4）4組工況下，開(kāi)爾文角的計(jì)算值在19.11°～21.94°之間，均在理論值范圍內(nèi)，可見(jiàn)從開(kāi)爾文角的合理性方面，模型計(jì)算結(jié)果較為精確。

4.3 不同航速對(duì)船行波的影響

設(shè)置兩組對(duì)比試驗(yàn)分析不同航速對(duì)船行波影響，即吃水深度在0.9m時(shí)，航速分別為5.20，5.70m/s時(shí)對(duì)船行波分布影響，以及吃水深度在1.40m時(shí)，航速分別為5.20，5.70m/s時(shí)對(duì)船行波分布影響。 計(jì)算結(jié)果如圖10，圖11。

圖10 吃水深度0.9m船行波分布

圖11 吃水深度1.4m船行波分布

分析可知：

（1）在不同航速下，船行波分布形態(tài)略有區(qū)別。隨著航速增大，在相同面積的范圍內(nèi)，歧點(diǎn)間距增大，數(shù)量減少。

（2）分析可知，船行波的波長(zhǎng)與航速呈正比，隨著航速增大，波長(zhǎng)也隨之增大。

（3）4組工況下，開(kāi)爾文角的計(jì)算值在20.20°～21.94°之間，均在理論值范圍內(nèi)，可見(jiàn)從開(kāi)爾文角的合理性方面，模型計(jì)算結(jié)果較為精確。

5 工程波高擬合計(jì)算

本文根據(jù)仿真試驗(yàn)計(jì)算的262 組數(shù)據(jù)，對(duì)J12229—2012《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中的波高計(jì)算公式進(jìn)行回歸分析，迭代求解相關(guān)系數(shù)。計(jì)算如式（1）：

式中 Hc為船行波等效波高（m）；h為渡槽水深（m）；S0為船舶航跡線與直立式岸壁的距離 （m）；B為船舶寬度（m）；V為船舶航速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；d為船舶吃水深度（m）；α，β1，β2，β3均為待定求解系數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行待定系數(shù)求解，得到濱海樞紐二期渡槽波高，如式（2）：

根據(jù)仿真試驗(yàn)計(jì)算262組數(shù)據(jù)，由式（2）與數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，其中部分計(jì)算點(diǎn)（圖12中列出了86個(gè)計(jì)算點(diǎn)的精度分析情況）擬合公式波高計(jì)算結(jié)果精度如圖12。

圖12 擬合波高計(jì)算結(jié)果

分析可知，262組數(shù)據(jù)中，最大計(jì)算誤差0.32m，最小計(jì)算誤差0.00m，平均計(jì)算誤差0.03m；計(jì)算誤差比小于10%的數(shù)據(jù)共有227組，占全部樣本的86.6%，計(jì)算誤差比小于15%的數(shù)據(jù)共有240組，占全部樣本的91.6%；三維數(shù)模計(jì)算值與擬合公式計(jì)算值的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.963；可見(jiàn)采用回歸分析擬合計(jì)算公式預(yù)測(cè)精度較高，能很好地反映實(shí)例工程的波高情況。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）船行波波峰出現(xiàn)在船首正前方區(qū)域，在向斜后方運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按照間諧波的規(guī)律依次震蕩，波峰、波谷交替出現(xiàn)的規(guī)律十分明顯。 可見(jiàn)船行波具有顯著的二維、三維性質(zhì)。

（2）船舶吃水深度增加，船舶推開(kāi)船前水體增大，船首壅水范圍、船行波規(guī)模也單調(diào)增大。 同時(shí)吃水深度對(duì)波浪周期及波浪長(zhǎng)度基本無(wú)影響。

（3）船行波的波長(zhǎng)與航速呈正比，歧點(diǎn)數(shù)量與航速呈反比。

（4）采用回歸分析方法，驗(yàn)證了規(guī)范波高計(jì)算公式中的系數(shù)取值，得到了濱海樞紐二期渡槽船行波波高計(jì)算公式，且經(jīng)驗(yàn)證，擬合公式計(jì)算精度較高，能很好地反映實(shí)例工程波高分布情況。

（5）針對(duì)船舶與岸壁距離、船型尺度、船型交匯情況、其他護(hù)岸型式對(duì)船行波的影響，有待進(jìn)一步分析研究。