船舶表面的滑坡涌浪爬高特性試驗研究

袁培銀， 趙 宇， 舒麟棹

(1.重慶交通大學航運與船舶工程學院， 重慶 400074； 2.重慶交通大學建筑與城市規劃學院， 重慶 400074)

水庫水位變化或岸坡土體失穩下滑帶來滑坡體的不穩定，使其沿岸坡墜落入水中，導致涌浪的產生，對河道的船舶航行、建筑物等帶來極大安全隱患。為深入了解涌浪傳播規律以提高船舶航行安全，中外學者為此作了大量的研究。牟萍等[1-2]從滑坡涌浪的產生、傳播與衰減、爬高三個階段進行了全面的分析總結，Yuan等[3]針對三峽庫區，從涌浪首浪高度、滑坡體量及船舶橫搖等三方面的研究，為滑坡涌浪中船舶航行安全提供理論支持。殷坤龍等[4]則預測了滑坡的最大首浪高度和巖水庫船舶的涌浪衰減規律。Xu等[5]從流固耦合的角度推導了滑坡涌浪的形成和傳播特征，Hsiao等[6]開發了一種無網格數值模型，用于模擬淹沒滑坡產生的海嘯。針對涌浪災害帶來的破壞性，田野等[7]與程志友等[8]分別對橋墩和中小型船的受沖擊進行了研究，王梅力等[9]對涌浪首浪波能進行分析，從理論上推出了首浪波能公式，王平義等[10]通過模型試驗，提出了滑坡涌浪影響下高樁碼頭船舶撞擊力的計算公式。

滑坡涌浪作為滑坡體墜入水中后的次生災害，其造成的危害遠遠大于滑坡體本身。以三峽水庫為研究對象，利用物理模型，針對庫區巖體滑坡涌浪對船舶表面附近的爬高特征進行研究，以此分析庫區巖體滑坡和滑坡涌浪的影響，并作出針對性的預防措施。為保證對涌浪爬高認識的充分性，在涌浪傳播方向上選取了兩個不同的船模位置進行研究。研究成果將直接應用于三峽庫區、小灣水等水庫庫區港口、航道工程及船舶航行安全管理中，而且可推廣應用到其他山區河道型水庫受滑坡涌浪影響的港口、航道工程中。

1 模型試驗

1.1 模型設計

模型試驗以3 500 t集裝箱船為原型，并以1∶70的比例進行船模設計，材質為木板，其參數如表1所示。

表1 船主尺度Table 1 Main scale of ship

此次試驗基于沱口碼頭，選取上起航道里程330 km處、下至航道里程336 km處的長約6 km河段進行模擬試驗。河道模型采用斷面法制作，并對地形進行概化，兩岸坡度分別取平均值45°及30°，并以45°坡面為滑坡。考慮水庫實際運行水位及所選河段水深，本次試驗取水深0.74 m，河段寬8 m，如圖1所示。

圖1 河段及其斷面示意圖Fig.1 Sketch map of reach and cross section

滑坡體采用水泥、砂、石子作為原材料配置成砂漿。考慮本次模型的幾何比尺及試驗操作的方便性，模擬試驗從整體上將巖體滑坡體概化為長方體[11]，體積為1 m×1 m×0.4 m。根據每個方案塊體的參數表，用制作好的塊體堆積成整體，模擬滑坡體的裂隙發育、離散程度和塊體組成，如圖2所示。

圖2 滑坡體Fig.2 Landslide body

如圖3所示，為試驗的安全性和便利性，本次試驗采用型號為20的槽鋼構建滑架，滑架高2 m，寬 2 m，長3 m。滑槽底部采用鐵質材料以模擬滑面，長度為2 m，其兩側為可變寬度擋板，可變范圍為0.5～1.5 m。

圖3 滑架及滑槽Fig.3 Slide and chute

1.2 試驗設計

1.2.1 測量儀器

試驗采用的無線超聲波波浪采集分析儀(簡稱浪高儀)由重慶交通大學西南水運工程科學研究所自主研發，浪高儀是通過儀器桿端部的壓力感應探頭來記錄水表面壓力的變化，使之變成波浪的實時數值，最終導出波浪曲線。

1.2.2 船模位置的選取及方向的確定

為分析不同位置點涌浪爬升高度對船舶的影響，選取了兩個不同的位置。其中位置1位于滑坡點斷面延長線處，位置2位于河道直航道處，船模方向與涌浪來流方向垂直，如圖4所示。

圖4 船模朝向示意圖Fig.4 Sketch map of ship model orientation

1.2.3 觀測點選取

滑坡涌浪對系泊狀態下船舶的爬高在一定范圍內有著較明顯的現象，當涌浪的作用超過船舶周圍一定范圍后，就不能觀測到涌浪的爬升現象。因此本節測點位置的選擇都在1倍船長范圍內，此時的涌浪對船舶的爬升作用較明顯，波浪變化有著較大的變化，儀器對波浪的這種變化的捕捉更加準確。

為避免浪高儀撞擊到船身，同時保證涌浪爬升數據采集的對稱性，船模被劃分為4個區域，共10個觀測點，具體位置如圖5所示。

圖5 觀測點布置圖Fig.5 Observation point layout map

2 試驗結果及分析

位置1與滑坡點的位置較近，產生的涌浪爬高對船舶有明顯的作用，水位值的變化較大。同時，由于滑坡斷面處與滑坡點相對距離較近，對船舶影響比較明顯，僅對滑坡斷面處滑坡涌浪爬高進行研究是不全面的，因此結合具體研究內容，對滑坡涌浪在直航道系泊船舶表面附近的爬高也進行了試驗研究，即位置2。根據試驗結果，選取部分觀測點數據，如圖6所示。

圖6 各觀測點水位圖Fig.6 Water level map of each observation point

2.1 涌浪最大爬升高度特征分析

如圖7所示，為半徑同為1倍船長處各測點的最大波峰值，可以看出位置1和位置2迎浪面舷側測點最大波峰值明顯大于其他方向測點(即A3>C3/B2/D2)。對于位置1，其最小波峰出現在背浪面舷側即C3測點，而位置2并非如此，這是由于位置1距離滑坡點較近，滑坡體入水后產生能量較大，背浪側距離滑坡點的相對距離較遠，涌浪經過傳播及船側爬高碰撞消耗了一部分波能，因此波峰值要小于其他方向測點。

圖7 1倍船長處最大波峰值Fig.7 Maximum peak at 1 times of length

位置2距離滑坡點較遠，波浪在傳播過程中消耗了大量波能，到達位置2時，波能衰減較大，波浪波動近似等于平靜水面的波能，各處波峰值十分接近，故位置2處背浪側測點的涌浪爬高損失能量少。

如圖8所示，半徑同為0.56倍船長處各測點的最大波峰值，從圖中可以看出位置1處迎浪面舷側測點最大波峰值明顯大于其他方向測點(即A2>C2/B1/D1)，背浪面舷側測點C2峰值最小，產生該現象的原因是，位置1距離滑坡點較近，涌浪的波能更大，背浪側距離滑坡點的相對距離較遠，涌浪經過傳播及船側爬高碰撞消耗了一部分波能，所以波峰值要小于其他方向測點。

圖8 0.56倍船長處最大波峰值Fig.8 The maximum peak at 0.56 times of length

位置2處迎浪面舷側測點最大波峰值與其他方向測點近似，無明顯變化，這是因為位置2距離滑坡點較遠，波浪在傳播過程中消耗了大量波能，到達位置2時，波能變得很小，波浪波動近似等于平靜水面的波動，各測點的微小差異主要由測量儀器的精度導致。

2.2 涌浪最大波谷特征分析

如圖9所示，半徑同為1倍船長處各測點的最大波谷值，從圖中可以看出位置1的最大波谷值測點位于迎浪面舷側(A3)，這是由于測點位置波能較大，波浪的變化較明顯，故出現最大的波谷值。位置2的最大波谷值測點位于船首測點(B2)，由于滑坡涌浪傳至位置2時，波能很小，這種小波能涌浪與爬高回流波在船首處疊加產生了最大波谷。

圖9 1倍船長處測點最大波谷值Fig.9 Maximum trough at 1 times of length

如圖10所示半徑同為0.56倍船長處各測點的最大波谷值，可以看出位置1處的最大波谷值測點位于迎浪面舷側(A2)，這是由于測點位置波能較大，波浪的變化較明顯，故出現最大的波谷值。位置2的最大波谷值測點位于船首測點(B1)，由于滑坡涌浪傳至位置2時，波能很小，這種小波能涌浪與爬高回流波在船首處疊加產生了最大波谷。

圖10 0.56倍船長處測點最大波谷值Fig.10 The maximum trough at 0.56 times of length

同時，根據試驗結果顯示，位置1的B1處波峰與波谷出現的時間間隔較其他各點略長，這是因為此處的涌浪距離船舶表面較近，因此其爬升時間更長，最終導致了該現象的發生。

2.3 涌浪疊加波特征分析

由于河道寬度較小，在涌浪產生且波能釋放完全之前，河岸與船舶均會成為涌浪傳播過程中的障礙物，并對涌浪的傳播與衰減過程造成較大影響，經障礙物阻攔后回流，與初始波疊加形成疊加波，并造成二次波峰的現象。如圖11所示為A1、B2、C2處的涌浪，在最大波峰過后，均出現了二次波峰，A1處甚至出現了三次波峰，而C2處的二次波峰與最大波峰值相差不大。

圖11 各觀測點二次波峰水位圖Fig.11 Water level map of the secondary peak at each observation point

通過對各觀測點二次波峰產生原因的分析，產生二次或三次波峰的主要原因有兩點：①經船舶側面阻擋后部分回流，或船舶表面的繞流波與初始波疊加，形成二次波峰；②受河道寬度限制，涌浪傳至河岸形成爬升后，其回流波與初始波疊加時，二者波能尚未釋放完全，亦會形成二次波峰。

如圖12所示為位置1與位置2處船側A、C兩組測點的最大波峰值，可以看出位置1處，兩組測點整體沿涌浪傳播方向減小，這是由于涌浪的波能隨時間減小，故波峰值相對應的減小。但C組中C1測點最小，C2、C3沿涌浪傳播方向減小。

圖12 A/C兩組測點最大波峰值Fig.12 Maximum peak value of A/C two sets of measuring points

由于A1、C1中間放置有船模，當涌浪傳至船模表面處，一部分涌浪會沿著船側上升，另一部分涌浪會繞過船首尾傳播。C1處于船側背浪面第一個測量位置，由于距離船體表面較近，涌浪在繞過船體時，會在背浪面一定區域內形成渦流，導致C1測點波峰值小于C2測點波峰值。A1測點位于船模迎浪面，且離船模最近，因此研究A1點的涌浪高度有助于判斷滑坡涌浪是否會引起甲板上浪。

位置2處兩組測點最大波峰值不是沿涌浪傳播方向減小，這是由于位置2離滑坡點距離較遠，涌浪傳播至位置2時，波能比較小，導致試驗測得的數據不能準確反映涌浪對船舶爬高的影響程度。

3 結論

通過放置兩個不同位置的船模，并對每個船模設計了10個觀測點以記錄船模表面附近的涌浪爬高數據。對試驗結果進行分析后，得出以下結論。

(1)最大波峰與最大波谷均出現在迎浪面舷側，即迎浪面舷側處涌浪的波能極大，受到的破壞也最大，因此行船時需著重注意對迎浪面舷側的保護，防止甲板上浪。

(2)若船舶離滑坡點較遠，涌浪傳播至船舶表面時，波能消耗較大，首浪對船舶的影響較小。而受涌浪沿船舶表面繞流的影響，繞流波與初始波疊加，此時的最大波峰與波谷出現在船首位置，但波能仍然較小，對行船影響較小。

(3)涌浪波能總體而言沿傳播方向逐漸遞減，但遇到船舶、河岸等障礙物時會引起繞流、回流等行為，與初始波疊加后形成二次波峰，或在船舶附近形成渦流。

(4)試驗數據表明，二次波峰、三次波峰始終小于一次波峰，因此影響涌浪爬升高度最大的因素主要是初始波波能。二次波峰波能總體小于首波，但伴隨其產生的復雜流場變化依然會向行船安全帶來二次威脅，特別是波能較小時，就不能忽略二次疊加波與三次疊加波對船舶爬升作用的影響。