淺談在特殊環境下浮標移位的解決方案

郝志濤 曾林林 海口航標處

1.前言

浮標的配布與建設，經常會碰到設置地點季節性風浪比較明顯，海底底質為巖石等特殊情況，按照普通的浮標配套方案設置浮標，浮標容易出現移位，尤其是在臺風過后，浮標漂移的可能性比較大，給船舶的安全航行帶來不利的影響。因此，降低浮標在特殊環境下發生移位的概率，保持良好的導助航效能，可以有效保障通航水域環境的安全。

2.浮標的構成及浮標受力情況

普通浮標主要有頂標或望板、支架、浮筒、尾管、平衡鐵組成。

浮標錨鏈主要由馬鞍鏈、短鏈、半鏈、全鏈等鏈節和連接卸扣、末端卸扣、轉環等附件組成的錨鏈。

浮標受力情況分析：

浮標受力主要分成兩部分：一部分是沉錘受力情況，沉錘受到錨鏈的拉力，底部海水吸附力，側面潮流的推力等；另一部分是浮筒受力情況，浮筒受到的浮力，側面風力，海水潮流的推力，錨鏈的牽引力等。

3.浮標移位的原因分析

3.1 沉錘以及錨鏈產生的抓力不夠

抓力來自于沉錘的抓力和錨鏈的抓力之和，其中沉錘的抓力取決于沉錘的重量以及外形構造，潮流受力面積，還有海底底質以及地形等；錨鏈的抓力為臥底錨鏈與海底之間的摩擦力。影響抓力的主要因素有以下幾個方面：

一是海底的底質影響。海底底質主要分為粘土、泥沙地、巖石地等，海底底質黏性越大，抓力越大。海底為粘土，泥沙地，沉錘容易沉陷下去，抓力也越大；海底為巖石，沉錘無法憑借自身重力沉陷下去，直接座落巖石之上，抓力小。據試驗數據顯示，海底底質對抓力的影響差別十分大，粘土海底底質抓力可達沉錘的10倍，泥沙地海底底質大約為沉錘的5～7倍左右，巖石地最差。

二是沉錘的外形形狀的影響。根據伯努利原理p+?ρv2+ρgh=C，式中p為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。靜壓（p）是流體真實存在的壓強值，動壓（?ρv2）也稱為速壓或速度頭，其單位都是Pa。如下圖所示（假設流體為定常流），當流體從a點流過物體時，由于受到物體前緣部分的阻攔，流速減慢，前端壓強升高；當流體流到物體最高點b時，速度不斷增大，因而壓強不斷減小。

圖1

這樣，物體前端受高壓，末端受低壓，在物體前后就形成了一個壓強差，該壓強差產生的壓力作用在物體上，阻礙物體向前運動。我們就把這個由前后壓強差形成的阻力稱為“壓差阻力”。根據實驗可知，如果為圓柱體所受的阻力位1個單位，那么前流線型設計所受的阻力就是1/5，前后流線型設計所受的阻力為1/25。如圖1所示。

傳統浮標的沉錘，在形狀方面有梯形體、正方體，也有銷去頂部錐部圓錐體，沉錘外形差異，形成的壓差阻力也不一樣，越是趨向于流線型，壓差阻力越小。一般情況下，錐形體壓差阻力＜梯形體壓差阻力＜正方體壓差阻力。

三是沉錘的受力面積影響。沉錘完全浸入海底，受力面積為零，沉錘基本不受海底潮流影響；沉錘沒有完全侵入海底，露出海底部分的面積越大，受海底潮流的影響越大。在海水流動比較湍急的海底，沉錘沒有被粘土、泥沙的覆蓋，受力面積大。投放浮標時，沉錘受力會隨波逐流，很難投放精準，投放后，也容易受潮流影響而移位。

四是沉錘底部與海底接觸面積影響。吸附力是兩者不同物質產生吸附作用而產生的力，主要有物理吸附與化學吸附。其中物理吸附主要有溶液表面吸附、固液界面吸附、固氣界面吸附等。沉錘與海水之間形成固液界面吸附，兩者接觸面積越大，形成的物理吸附力越強，部分沉錘在底部做成真空，當沉錘入海后，空間部分蓄水，增大沉錘與海水之間的接觸面積，增大與海水的吸附力。

五是沉錘、臥底錨鏈自重的影響。抓力很大一部分來源就是沉錘與錨鏈的重量、臥底錨鏈與海底之間的摩擦力，抓力與沉錘、每米鏈重成正比。臥底鏈越長，鏈重越大，抓力越大；反之，抓力越小。

3.2 浮筒受力影響

一是浮筒慣性力產生影響。慣性力是指當物體加速時，慣性會使物體有保持原有運動狀態的傾向。慣性力實際上并不存在，實際存在的只有原本將該物體加速的力，因此慣性力又稱為假想力。當系統存在一加速度a時，則慣性力的大小遵從公式：F=ma(m為物體質量)，它的大小與物體質量成正比，與物體所受合力的加速度成正比。

傳統的浮標采用鋼制浮標，依靠浮筒提供浮力，浮筒大約1/3處于水面以上，2/3處于水面以下，尾管上配置適當的壓重，維持一定的穩性。浮筒受力情況，主要有來自于水面以上的風力、海水給浮筒的浮力、鋼制浮標自身重力、潮流給與浮筒的瞬時推力、沉錘給與浮筒的牽引力等等。當隨著外部環境的變化的時候，各力的方向、大小隨之而變。正常情況下，浮力與重力是大小相等，方向相反的一對力，作用相互抵消，沉錘以及錨鏈給與浮筒的牽引力占據主導地位，浮標以沉錘為圓心在一定的回旋半徑旋轉。當潮流以及風力給與浮標的推力占據主導地位時，因鋼制浮標較之于玻璃鋼浮標或者塑料浮標，質量大，慣性大，瞬時產生的推力大，沉錘受力離開海底或者錨鏈斷裂。一旦沉錘離開海底或者斷鏈，浮筒就會迅速的被潮流所沖走。而玻璃鋼浮標以及塑料浮標，質量輕，慣性小，浮筒受力產生的瞬時推力小，沉錘以及錨鏈產生的牽引力占據主導地位，慣性力小，不容易受潮流影響而移位。

二是浮筒及支架受力面積影響。當風壓一定的情況下，受力面積越大，由F=PS可知，受力越大。所以，浮筒以及支架表面面積越大，在應對強風情況下越不利，尤其是臺風的情況下，很多浮標就是在臺風過后，出現嚴重移位。

4.航標移位的解決辦法

4.1 用輕質量浮標代替傳統重質量鋼制浮標

當航標設定所處位置，風力比較大，尤其是季節性風比較突出，臺風比較常見，海水潮流比較急，可以改用質量比較輕的玻璃鋼浮標或者塑料浮標代替傳統的鋼制浮標，同時考慮水線以上受風面積部分，盡量多采用鏤空處理，或者流線型設計，減少浮筒質量，減少受風面積，減少浮筒所受外力，減少因為浮標質量慣性帶來的慣性力，從而降低浮標對沉錘所帶來的牽引力。

4.2 用高密度的鐵塊代替低密度傳統沉錘

當航標設定所處位置，潮流比較急占據主導移位因數時，可以用高密度的鐵塊代替傳統的沉錘。傳統沉錘主要原料為普通的鋼筋混泥土，其密度約為2600kg/m3。鐵的密度為7800kg/m3。在同樣重量的情況下，鐵的體積約為沉錘體積的1/3。體積小，意味著與海水之間的受力面積小，在同樣大小的推力情況下，不容易產生移動。同時考慮到鐵塊的延展性比較強，可以以比較薄的厚度確保一定的剛度，改變鐵塊形狀，讓鐵塊變得扁平，增大鐵塊底部面積，增大與海水之間的吸附力，防止沉錘移位。

5.結束語

近年來，隨著國家海洋環境的發展，航標數量也在不斷增加，新材料、新工藝在航標上的應用，有效提升了航標的導助航服務水平。本文通過對浮標的改進，降低浮標移位的風險，減少了航標故障的發生，對船舶安全航行有積極的意義。