黃河輕型破冰船開河期破冰試驗

謝志剛，鄧 宇，王吉誥，鄭 興，蘇 磊

（1.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003；3.包頭市平安航運(yùn)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000；4.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

破冰船破冰是國際上先進(jìn)的機(jī)械破冰技術(shù)之一，主要應(yīng)用在高緯度地區(qū)遠(yuǎn)洋航行、湖泊或內(nèi)河航道凌期破冰，為船舶航行時開辟航線。內(nèi)河破冰主要用于小型河流、航道或港口進(jìn)出港區(qū)域，應(yīng)用較多的地區(qū)有荷蘭、德國、加拿大、芬蘭等國家［1］及我國的東北地區(qū)。20世紀(jì)五六十年代，黃河下游建造了克凌1號和克凌2號兩艘破冰船，嘗試開展使用破冰船破除封凍期和開河期河道冰蓋，以解決其壅水阻流問題；1974年以后，由于河道水淺不能滿足破冰船吃水條件，加之出現(xiàn)反復(fù)封開河的情況，因此破冰船未再使用［2］。破冰船破冰主要依靠船身自重和動力沖擊壓迫冰面，利用冰層抗剪切強(qiáng)度小的特點，致使冰層斷裂，達(dá)到破冰目的。內(nèi)河破冰船和破冰機(jī)械自重和動力較小，破冰厚度范圍為10～50 cm，破冰效率可達(dá)2 000 m2／h。近幾年，國內(nèi)外也使用兩棲破冰機(jī)械，借助機(jī)械動力破除冰蓋［3］。

黃河的凌汛問題主要在上游寧蒙河段、中游北干流河段及下游利津至河口河段，目前寧蒙河段是重點防凌河段［4］。隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，跨河橋梁和水工建筑物增多，傳統(tǒng)航彈或火炮破冰實施的難度增大。把適宜黃河寬淺、彎曲多變的河道特性的破冰船破冰作為一種機(jī)械破冰方式，應(yīng)用于無法實施爆破破冰的河段，具有較好針對性和可操作性。

1 輕型破冰船結(jié)構(gòu)及性能

1.1 破冰船吃水深度分析

內(nèi)河破冰船主體必須適應(yīng)凌汛期河道的水文、河床形態(tài)。黃河內(nèi)蒙古段河道凌汛期在不發(fā)生冰塞冰壩的情況下，大部分河段水面寬度在300～500 m之間，水深在3～5 m之間，冰下流速為1 m／s左右。該河段河槽與其他河流相比，最大的不同點在于沒有固定的寬度和深度，而是呈變化的寬淺狀，滿足淺吃水的要求對于船舶設(shè)計而言尤其重要。在船型一定的條件下，吃水深度與排水量相關(guān)。船舶排水量大，相應(yīng)破冰能力強(qiáng)，但吃水深度也大，同時適應(yīng)河道的能力也差。綜合考慮黃河現(xiàn)行船舶及黃河下游破冰船的研制和應(yīng)用經(jīng)驗，本次設(shè)計的破冰船吃水深度不宜大于1.4 m。

1.2 船體尺度和主機(jī)功率分析

分析國內(nèi)外內(nèi)河破冰船參數(shù)和試驗河段河道條件，可知船長和船寬決定著船型。一般而言，破冰船屬工程輔助船，長寬比相對航行船只小，即為短而寬的船型。不同類型典型破冰船的長寬比見表1。

黃河內(nèi)蒙古段河道凌汛期水面寬在300～500 m之間，考慮破冰船作業(yè)時調(diào)頭的需要，參考現(xiàn)有船舶尺度，破冰船的寬度為7～8 m，船長為20～30 m，較符合該河段作業(yè)要求。

冰荷載是破冰船設(shè)計建造需考慮的關(guān)鍵參數(shù)，對破冰船動力的選擇有直接的影響，而冰荷載又與冰力學(xué)參數(shù)及環(huán)境溫度直接相關(guān)［5］。對于內(nèi)蒙古河段，開河前期氣溫較高，最低冰溫為-5℃；典型工況下冰的密度為0.77～0.99 g／cm3，一般在0.90 g／cm3以上；彎曲強(qiáng)度在冰溫-10.0、-5.0、-2.5℃時分別為1.2、0.9、0.6 MPa［5］；剪切強(qiáng)度在冰溫-5℃時約為350 kPa；河道典型冰厚為0.4～0.6 m。

應(yīng)用Lindqvist公式預(yù)測船破冰阻力。Lindqvist公式基于冰阻力與速度為線性關(guān)系的假設(shè)，將冰阻力分為3部分進(jìn)行計算，包括擠壓阻力、浸沒阻力和彎曲破壞阻力［6］。

破冰阻力Rice計算公式如下：

式中：RC為破碎阻力；RB為彎曲阻力；RS為浸沒阻力；L為船長；V為船速；g為重力加速度。

破碎阻力RC計算公式為

式中：ρw為水密度；ρi為冰密度；T為吃水深度。

主要計算參數(shù)見表2。計算得到航速4節(jié)、彎曲強(qiáng)度0.6 MPa情況下，冰厚為0.3、0.4、0.5 m時對應(yīng)的預(yù)報總阻力分別為179、272、380 kN。冰荷載隨著冰厚的增加而急劇增大；航速4節(jié)、在平整冰情況下，冰厚為0.4 m時對應(yīng)總阻力大于200 kN，破冰船的功率不應(yīng)小于400 kW。

表2 主要計算參數(shù)

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能設(shè)定

依據(jù)黃河內(nèi)蒙古河道特征及破冰實際需求，由包頭市平安航運(yùn)有限責(zé)任公司建造了用于黃河內(nèi)蒙古河段的輕型破冰船。破冰船類型為工程輔助船，航區(qū)為內(nèi)河C級航區(qū)。船型為鋼質(zhì)、單甲板、雙槳、雙舵、艉機(jī)型，具有前傾式船艏和方艉。船總長27.7 m，型寬7.0 m、型深2.2 m，設(shè)計吃水深度1.3 m，主機(jī)為2臺柴油機(jī)，主機(jī)功率772 kW，總噸位116 t。船體前部設(shè)計輔助破冰機(jī)構(gòu)。破冰機(jī)構(gòu)選用斗山300挖掘機(jī)上部結(jié)構(gòu)，由控制臺、伸縮臂、破冰器構(gòu)成。

破冰功能分為連續(xù)式破冰、沖撞式破冰、輔助式破冰和碎冰區(qū)航行4種模式。連續(xù)式破冰是依靠船體自重在低速航行中連續(xù)壓破壓斷冰蓋的破冰方式，這種方式一般應(yīng)用于冰厚小于20 cm的冰層。沖撞式破冰是利用船的速度和質(zhì)量反復(fù)沖擊冰蓋造成冰塊破裂的破冰方式，這種方式一般應(yīng)用于大面積冰蓋且冰厚大于20 cm時。輔助式破冰和碎冰區(qū)航行是依靠輔助破冰器的鏟斗和挖機(jī)臂對大塊較厚冰塊（厚度一般大于40 cm）或大面積碎冰堆積體進(jìn)行錘擊、鏟擊和挖掘作業(yè)進(jìn)行破冰的方式。內(nèi)河破冰不同于海洋和港口破冰，破冰船沒有從無冰區(qū)進(jìn)入有冰區(qū)的過程。破冰船除具備破冰功能外，還需具備自救能力，即依靠輔助器完成破冰開始階段和河道冰凌密度過大時船體掉頭和降低船體周圍冰凌密度，達(dá)到自身脫困效果。

2 破冰試驗

2.1 仿真試驗

以黃河內(nèi)蒙古包頭磴口河段7 km河道地形為依據(jù)，結(jié)合破冰船和開河期河冰參數(shù)，建立了船-冰-水耦合模型，模擬船在冰-水環(huán)境中的破冰阻力F。模擬工況為：航速4節(jié)，浮冰密集度C=70%，河道水流流速為0.7 m／s，冰厚為0.3 m，彎曲強(qiáng)度σ分別為0.6、0.9、1.2 MPa。由圖1可見，破冰阻力模擬結(jié)果與Lindqvist經(jīng)驗公式計算結(jié)果具有較好一致性。

圖1 冰厚0.3 m時不同彎曲強(qiáng)度對應(yīng)的破冰阻力

2.2 現(xiàn)場試驗

2021年2月28日—3月2日，在黃河內(nèi)蒙古德勝泰大橋上游2 km處河道內(nèi)進(jìn)行了4種破冰模式的現(xiàn)場試驗。該河段凌汛期觀測到的最大冰厚為0.85 m。試驗前，現(xiàn)場探測冰層最大厚度為0.6 m，最小厚度0.2 m。試驗結(jié)果顯示，整體破冰情況與仿真測試預(yù)估成果基本一致。

在連續(xù)式破冰模式（見圖2）下，破冰阻力與仿真測試相近，破冰船可以快速斷裂冰蓋，航速最大4節(jié)，破冰厚度0.2～0.3 m，隨船行進(jìn)可以開辟一段航行通道。船-冰作用過程中的冰激振動不明顯，對船艏結(jié)構(gòu)影響較小。

圖2 連續(xù)式破冰模式

在沖撞式破冰模式下，破冰厚度0.3～0.4 m。此冰厚條件下，破冰阻力大于破冰船動力，破冰船僅能短距離反復(fù)沖擊冰蓋。船艏處冰荷載在同一肋骨上衰減較快，船舶舷側(cè)縱向構(gòu)件的強(qiáng)度較高，冰激應(yīng)變幾乎不能影響到相鄰肋位。通過觀察船艏舷部外側(cè)甲板，發(fā)現(xiàn)船體與大塊冰蓋擠壓、摩擦、沖擊下，船首右側(cè)出現(xiàn)了多處刮擦痕跡，但是鋼板并未出現(xiàn)凹陷和破損。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足破冰要求。

在輔助式破冰模式下，冰層厚度大于0.4 m。破冰鏟斗能夠很輕易地破碎較厚的冰蓋，并將破裂的大塊冰打碎。從鏟斗翻起的冰塊能夠看到，河段冰層多處冰蓋呈現(xiàn)兩層冰的結(jié)構(gòu)，單層冰厚度為25～30 cm，冰層中夾雜有泥沙等雜物。僅依靠鏟斗的錘擊和鏟擊作用，破冰效果不理想。而配合沖撞式破冰并利用船體左右晃動，形成下壓和振動的合力，破冰效率較高。歷經(jīng)1 h破冰，最大破冰厚度大于0.5 m，破冰面積達(dá)2 200 m2／h。

在碎冰區(qū)航行模式下，原航線上的平整冰區(qū)在船-冰作用下已破碎為大量較小塊不規(guī)則的浮冰，碎冰聚集在船體四周。航行過程中，被覆蓋在水面碎冰層以下的浮冰與船體結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，冰塊體積較小，與船體產(chǎn)生的冰激勵響應(yīng)可以忽略。

4種方式綜合破冰2 h，疏通河道長度1 km，破冰面積4萬m2。破冰船船艏結(jié)構(gòu)、外舷甲板均無損壞，滿足該河段航行安全性要求。

3 結(jié) 語

破冰船破冰作為一種機(jī)械破冰手段，能有效解決爆破破冰存在的不足，具有較好的針對性和可操作性。本文依據(jù)輕型破冰船在開河期的破冰試驗，得出以下研究成果，可為破冰船破冰操作和數(shù)值仿真研究提供參考。

（1）設(shè)計建造的輕型破冰船船型為鋼質(zhì)、單甲板、雙槳、雙舵、艉機(jī)型，具有前傾式船艏和方艉。船總長27.7 m，型寬7.0 m，設(shè)計吃水深度1.3 m，主機(jī)為2臺柴油機(jī)，主機(jī)功率772 kW，總噸位116 t，滿足黃河河道凌汛期破冰需求。

（2）基于仿真模型分析結(jié)果可知，輕型破冰船在黃河內(nèi)蒙古河段開河期進(jìn)行破冰試驗滿足設(shè)計需求。

（3）通過對連續(xù)式破冰、沖撞式破冰、輔助式破冰和碎冰區(qū)航行4種模式下現(xiàn)場破冰試驗分析可知，連續(xù)式破冰和沖撞式破冰模式下，破冰厚度在20～40 cm；輔助式破冰模式下破冰厚度在40 cm以上，最大破冰厚度超過50 cm。

（4）黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期具有河槽窄、水深淺、冰層厚的特點，破冰船型深和吃水深度一般設(shè)計得較小。封河期發(fā)動機(jī)螺旋槳葉片和方向舵的位置正好處于冰凍層。開河前期，需要提前解凍該部位區(qū)域的冰蓋。鑒于河道水流攜帶的雜草秸稈等雜物較多，加裝加熱除冰裝置會造成雜物纏繞和附著。建議在應(yīng)用中，改變目前的水箱壓重方式為配重塊壓重。在流凌期，輕型破冰船?？看a頭后，加載配重塊使吃水深度接近最大吃水深度線，減小螺旋槳葉片和方向舵在冰蓋中的深度，以利于開河期快速完成船體四周的消冰作業(yè)，做好破冰準(zhǔn)備。