船舶表面的滑坡涌浪爬高特性试验研究

袁培银， 赵 宇， 舒麟棹

(1.重庆交通大学航运与船舶工程学院， 重庆 400074； 2.重庆交通大学建筑与城市规划学院， 重庆 400074)

水库水位变化或岸坡土体失稳下滑带来滑坡体的不稳定，使其沿岸坡坠落入水中，导致涌浪的产生，对河道的船舶航行、建筑物等带来极大安全隐患。为深入了解涌浪传播规律以提高船舶航行安全，中外学者为此作了大量的研究。牟萍等[1-2]从滑坡涌浪的产生、传播与衰减、爬高三个阶段进行了全面的分析总结，Yuan等[3]针对三峡库区，从涌浪首浪高度、滑坡体量及船舶横摇等三方面的研究，为滑坡涌浪中船舶航行安全提供理论支持。殷坤龙等[4]则预测了滑坡的最大首浪高度和岩水库船舶的涌浪衰减规律。Xu等[5]从流固耦合的角度推导了滑坡涌浪的形成和传播特征，Hsiao等[6]开发了一种无网格数值模型，用于模拟淹没滑坡产生的海啸。针对涌浪灾害带来的破坏性，田野等[7]与程志友等[8]分别对桥墩和中小型船的受冲击进行了研究，王梅力等[9]对涌浪首浪波能进行分析，从理论上推出了首浪波能公式，王平义等[10]通过模型试验，提出了滑坡涌浪影响下高桩码头船舶撞击力的计算公式。

滑坡涌浪作为滑坡体坠入水中后的次生灾害，其造成的危害远远大于滑坡体本身。以三峡水库为研究对象，利用物理模型，针对库区岩体滑坡涌浪对船舶表面附近的爬高特征进行研究，以此分析库区岩体滑坡和滑坡涌浪的影响，并作出针对性的预防措施。为保证对涌浪爬高认识的充分性，在涌浪传播方向上选取了两个不同的船模位置进行研究。研究成果将直接应用于三峡库区、小湾水等水库库区港口、航道工程及船舶航行安全管理中，而且可推广应用到其他山区河道型水库受滑坡涌浪影响的港口、航道工程中。

1 模型试验

1.1 模型设计

模型试验以3 500 t集装箱船为原型，并以1∶70的比例进行船模设计，材质为木板，其参数如表1所示。

表1 船主尺度Table 1 Main scale of ship

此次试验基于沱口码头，选取上起航道里程330 km处、下至航道里程336 km处的长约6 km河段进行模拟试验。河道模型采用断面法制作，并对地形进行概化，两岸坡度分别取平均值45°及30°，并以45°坡面为滑坡。考虑水库实际运行水位及所选河段水深，本次试验取水深0.74 m，河段宽8 m，如图1所示。

图1 河段及其断面示意图Fig.1 Sketch map of reach and cross section

滑坡体采用水泥、砂、石子作为原材料配置成砂浆。考虑本次模型的几何比尺及试验操作的方便性，模拟试验从整体上将岩体滑坡体概化为长方体[11]，体积为1 m×1 m×0.4 m。根据每个方案块体的参数表，用制作好的块体堆积成整体，模拟滑坡体的裂隙发育、离散程度和块体组成，如图2所示。

图2 滑坡体Fig.2 Landslide body

如图3所示，为试验的安全性和便利性，本次试验采用型号为20的槽钢构建滑架，滑架高2 m，宽 2 m，长3 m。滑槽底部采用铁质材料以模拟滑面，长度为2 m，其两侧为可变宽度挡板，可变范围为0.5～1.5 m。

图3 滑架及滑槽Fig.3 Slide and chute

1.2 试验设计

1.2.1 测量仪器

试验采用的无线超声波波浪采集分析仪(简称浪高仪)由重庆交通大学西南水运工程科学研究所自主研发，浪高仪是通过仪器杆端部的压力感应探头来记录水表面压力的变化，使之变成波浪的实时数值，最终导出波浪曲线。

1.2.2 船模位置的选取及方向的确定

为分析不同位置点涌浪爬升高度对船舶的影响，选取了两个不同的位置。其中位置1位于滑坡点断面延长线处，位置2位于河道直航道处，船模方向与涌浪来流方向垂直，如图4所示。

图4 船模朝向示意图Fig.4 Sketch map of ship model orientation

1.2.3 观测点选取

滑坡涌浪对系泊状态下船舶的爬高在一定范围内有着较明显的现象，当涌浪的作用超过船舶周围一定范围后，就不能观测到涌浪的爬升现象。因此本节测点位置的选择都在1倍船长范围内，此时的涌浪对船舶的爬升作用较明显，波浪变化有着较大的变化，仪器对波浪的这种变化的捕捉更加准确。

为避免浪高仪撞击到船身，同时保证涌浪爬升数据采集的对称性，船模被划分为4个区域，共10个观测点，具体位置如图5所示。

图5 观测点布置图Fig.5 Observation point layout map

2 试验结果及分析

位置1与滑坡点的位置较近，产生的涌浪爬高对船舶有明显的作用，水位值的变化较大。同时，由于滑坡断面处与滑坡点相对距离较近，对船舶影响比较明显，仅对滑坡断面处滑坡涌浪爬高进行研究是不全面的，因此结合具体研究内容，对滑坡涌浪在直航道系泊船舶表面附近的爬高也进行了试验研究，即位置2。根据试验结果，选取部分观测点数据，如图6所示。

图6 各观测点水位图Fig.6 Water level map of each observation point

2.1 涌浪最大爬升高度特征分析

如图7所示，为半径同为1倍船长处各测点的最大波峰值，可以看出位置1和位置2迎浪面舷侧测点最大波峰值明显大于其他方向测点(即A3>C3/B2/D2)。对于位置1，其最小波峰出现在背浪面舷侧即C3测点，而位置2并非如此，这是由于位置1距离滑坡点较近，滑坡体入水后产生能量较大，背浪侧距离滑坡点的相对距离较远，涌浪经过传播及船侧爬高碰撞消耗了一部分波能，因此波峰值要小于其他方向测点。

图7 1倍船长处最大波峰值Fig.7 Maximum peak at 1 times of length

位置2距离滑坡点较远，波浪在传播过程中消耗了大量波能，到达位置2时，波能衰减较大，波浪波动近似等于平静水面的波能，各处波峰值十分接近，故位置2处背浪侧测点的涌浪爬高损失能量少。

如图8所示，半径同为0.56倍船长处各测点的最大波峰值，从图中可以看出位置1处迎浪面舷侧测点最大波峰值明显大于其他方向测点(即A2>C2/B1/D1)，背浪面舷侧测点C2峰值最小，产生该现象的原因是，位置1距离滑坡点较近，涌浪的波能更大，背浪侧距离滑坡点的相对距离较远，涌浪经过传播及船侧爬高碰撞消耗了一部分波能，所以波峰值要小于其他方向测点。

图8 0.56倍船长处最大波峰值Fig.8 The maximum peak at 0.56 times of length

位置2处迎浪面舷侧测点最大波峰值与其他方向测点近似，无明显变化，这是因为位置2距离滑坡点较远，波浪在传播过程中消耗了大量波能，到达位置2时，波能变得很小，波浪波动近似等于平静水面的波动，各测点的微小差异主要由测量仪器的精度导致。

2.2 涌浪最大波谷特征分析

如图9所示，半径同为1倍船长处各测点的最大波谷值，从图中可以看出位置1的最大波谷值测点位于迎浪面舷侧(A3)，这是由于测点位置波能较大，波浪的变化较明显，故出现最大的波谷值。位置2的最大波谷值测点位于船首测点(B2)，由于滑坡涌浪传至位置2时，波能很小，这种小波能涌浪与爬高回流波在船首处叠加产生了最大波谷。

图9 1倍船长处测点最大波谷值Fig.9 Maximum trough at 1 times of length

如图10所示半径同为0.56倍船长处各测点的最大波谷值，可以看出位置1处的最大波谷值测点位于迎浪面舷侧(A2)，这是由于测点位置波能较大，波浪的变化较明显，故出现最大的波谷值。位置2的最大波谷值测点位于船首测点(B1)，由于滑坡涌浪传至位置2时，波能很小，这种小波能涌浪与爬高回流波在船首处叠加产生了最大波谷。

图10 0.56倍船长处测点最大波谷值Fig.10 The maximum trough at 0.56 times of length

同时，根据试验结果显示，位置1的B1处波峰与波谷出现的时间间隔较其他各点略长，这是因为此处的涌浪距离船舶表面较近，因此其爬升时间更长，最终导致了该现象的发生。

2.3 涌浪叠加波特征分析

由于河道宽度较小，在涌浪产生且波能释放完全之前，河岸与船舶均会成为涌浪传播过程中的障碍物，并对涌浪的传播与衰减过程造成较大影响，经障碍物阻拦后回流，与初始波叠加形成叠加波，并造成二次波峰的现象。如图11所示为A1、B2、C2处的涌浪，在最大波峰过后，均出现了二次波峰，A1处甚至出现了三次波峰，而C2处的二次波峰与最大波峰值相差不大。

图11 各观测点二次波峰水位图Fig.11 Water level map of the secondary peak at each observation point

通过对各观测点二次波峰产生原因的分析，产生二次或三次波峰的主要原因有两点：①经船舶侧面阻挡后部分回流，或船舶表面的绕流波与初始波叠加，形成二次波峰；②受河道宽度限制，涌浪传至河岸形成爬升后，其回流波与初始波叠加时，二者波能尚未释放完全，亦会形成二次波峰。

如图12所示为位置1与位置2处船侧A、C两组测点的最大波峰值，可以看出位置1处，两组测点整体沿涌浪传播方向减小，这是由于涌浪的波能随时间减小，故波峰值相对应的减小。但C组中C1测点最小，C2、C3沿涌浪传播方向减小。

图12 A/C两组测点最大波峰值Fig.12 Maximum peak value of A/C two sets of measuring points

由于A1、C1中间放置有船模，当涌浪传至船模表面处，一部分涌浪会沿着船侧上升，另一部分涌浪会绕过船首尾传播。C1处于船侧背浪面第一个测量位置，由于距离船体表面较近，涌浪在绕过船体时，会在背浪面一定区域内形成涡流，导致C1测点波峰值小于C2测点波峰值。A1测点位于船模迎浪面，且离船模最近，因此研究A1点的涌浪高度有助于判断滑坡涌浪是否会引起甲板上浪。

位置2处两组测点最大波峰值不是沿涌浪传播方向减小，这是由于位置2离滑坡点距离较远，涌浪传播至位置2时，波能比较小，导致试验测得的数据不能准确反映涌浪对船舶爬高的影响程度。

3 结论

通过放置两个不同位置的船模，并对每个船模设计了10个观测点以记录船模表面附近的涌浪爬高数据。对试验结果进行分析后，得出以下结论。

(1)最大波峰与最大波谷均出现在迎浪面舷侧，即迎浪面舷侧处涌浪的波能极大，受到的破坏也最大，因此行船时需着重注意对迎浪面舷侧的保护，防止甲板上浪。

(2)若船舶离滑坡点较远，涌浪传播至船舶表面时，波能消耗较大，首浪对船舶的影响较小。而受涌浪沿船舶表面绕流的影响，绕流波与初始波叠加，此时的最大波峰与波谷出现在船首位置，但波能仍然较小，对行船影响较小。

(3)涌浪波能总体而言沿传播方向逐渐递减，但遇到船舶、河岸等障碍物时会引起绕流、回流等行为，与初始波叠加后形成二次波峰，或在船舶附近形成涡流。

(4)试验数据表明，二次波峰、三次波峰始终小于一次波峰，因此影响涌浪爬升高度最大的因素主要是初始波波能。二次波峰波能总体小于首波，但伴随其产生的复杂流场变化依然会向行船安全带来二次威胁，特别是波能较小时，就不能忽略二次叠加波与三次叠加波对船舶爬升作用的影响。