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滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究

文檔作者：陳里１楊渠鋒２喻濤３４王平義３４文檔來源：１．三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院２．貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司３．重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心４．重慶交通大學(xué)水利水運工程教育部重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月07日
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ＤＯＩ： １０．１６１９８／ ｊ．ｃｎｋｉ．１００９－６４０Ｘ．２０１７．０１．０１１ 陳里， 楊渠鋒， 喻濤， 等． 滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究［Ｊ］． 水利水運工程學(xué)報， ２０１７（１）： ８０－ ＹＡＮＧ Ｑｕｆｅｎｇ， ＹＵ Ｔａｏ， ｅｔ ａｌ． Ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｍｏｏｒｅｄ ｓｈｉｐ ｕｎｄｅｒ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ ａｃｔｉｏｎ［Ｊ］８．６Ｈ． ｙ（ｄＣｒｏＨ?ＳＥｃＮｉｅｎＬｃｉ，ｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１７（１）： ８０－８６． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ））
第１ 期
２０１７ 年２ 月
水利水運工程學(xué)報
ＨＹＤＲＯ?ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｎｏ．１
Ｆｅｂ． ２０１７
收稿日期： ２０１６－０１－２２
基金項目： 西部交通建設(shè)科技項目（２０１１３２８８１４１１６０）
作者簡介： 陳 里（１９８２—），男，河南信陽人，講師，博士，主要從事航道整治理論及技術(shù)研究。
Ｅ?ｍａｉｌ：４２９６８３３６１＠ ｑｑ．ｃｏｍ
滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究
陳 里１， 楊渠鋒２， 喻 濤３，４， 王平義３，４
（１． 三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北宜昌 ４４３００２； ２． 貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴州
貴陽 ５５０００１； ３． 重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 ４０００７４； ４． 重慶交通大學(xué)水
利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 ４０００７４）
摘要： 隨著我國逐步加快在長江中上游山區(qū)河流的水利水電和港口航道工程建設(shè)，內(nèi)河庫港在滑坡涌浪作用
下，如何保證船舶系泊安全成為一個極其關(guān)鍵的問題。為了提高滑坡涌浪對內(nèi)河庫港運行安全影響程度的認(rèn)
識，以江南沱口直立式高樁碼頭為依托，選擇內(nèi)河３ ０００ ｔ 甲板駁船為研究對象進(jìn)行物理模型試驗。深入分析了
滑坡涌浪作用下系泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，以及波高、水深等因素影響下系泊船舶系纜力和撞擊能
的變化規(guī)律。結(jié)合規(guī)范和試驗數(shù)據(jù)，得出了涌浪作用下船舶系纜力和船舶撞擊能的經(jīng)驗計算式，確定了滑坡涌
浪對內(nèi)河庫港船舶系泊安全的影響程度，并提出了相應(yīng)的對策和意見。
關(guān) 鍵 詞： 滑坡涌浪； 系纜力； 撞擊能
中圖分類號： ＴＶ１３９． ２＋ ３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Ａ 文章編號：１００９－６４０Ｘ（２０１７）０１－００８０－０７
隨著我國內(nèi)河航道和港口建設(shè)的發(fā)展，船舶噸位等級不斷提高，港口泊位能力不斷增強，現(xiàn)有研究和設(shè)
計規(guī)范已不能滿足要求，尤其是在庫區(qū)蓄水后，滑坡涌浪災(zāi)害［１－２］ 對于現(xiàn)有碼頭和船舶存在較大威脅。對波
浪作用下船舶運動響應(yīng)的理論研究［３－７］ 和物理模型試驗研究［８－１１］ 考慮的是海浪和風(fēng)浪對系泊船舶的作用，
在計算分析時主要參考海港部門的研究成果。庫岸滑坡涌浪從形成機理而言與風(fēng)浪、海浪的性質(zhì)完全不同，
現(xiàn)有理論分析和計算公式是否適用于庫區(qū)水深條件下滑坡涌浪對系泊船舶作用的計算有待進(jìn)一步探討。因
此，結(jié)合工程實際，開展滑坡涌浪作用下船舶系纜力和撞擊作用的物理模型試驗研究，對涌浪作用下船舶系
泊安全的預(yù)估具有較大實際意義。
１ 模型設(shè)計與量測技術(shù)
為了獲得原型和模型中的物理現(xiàn)象相似，首先必須滿足３ 個相似條件，即幾何相似、運動相似和動力相
似?；孪禄侵亓ψ饔脼橹鞯倪\動現(xiàn)象，故模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型幾何比尺λｌ ?。?∶７０。因此，波
高、波長及水深均按幾何比尺λｌ 計算，時間比尺λｔ ＝ λ０． ５ ｌ ，船舶系纜力比尺λＦ ＝ λ３ｌ
，波浪周期比尺λＴ ＝ λ０．５ ｌ ，
質(zhì)量比尺λＭ ＝ λｌ ３，船舶撞擊能比尺λＥ ＝ λ４ｌ
。
（１）河道和碼頭模型的依托工程為萬州江南沱口碼頭河段，模型采用斷面法制作并對河底地形進(jìn)行概
化。原型碼頭結(jié)構(gòu)平臺長２５３ ｍ，寬３０ ｍ，將原型碼頭按比尺制模，按剛性結(jié)構(gòu)處理，用塑膠將其連成一體固
定在河道模型內(nèi)，兩個碼頭分別布設(shè)在滑坡入水點正對岸及同岸，距滑坡入水點６． ３７ ｍ，具體布置見圖１。
（２）資料統(tǒng)計表明，庫區(qū)滑坡的坡度大多分布在２０°～６０°，因此，模型滑面傾角選?。玻?#176;，４０°和６０°，選擇
萬方數(shù)據(jù)
第１ 期陳 里， 等： 滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究
圖１ 試驗平面布置（單位：ｍ）
Ｆｉｇ． １ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｅｓｔ ｍｏｄｅｌ （ｕｎｉｔ： ｍ）
固定滑坡體模型長度為１ ｍ，寬度分別為０． ５，１． ０ 和１． ５ ｍ，
厚度為０． ２，０． ４ 和０． ６ ｍ 共９ 組塊體方案?？紤]三峽水庫運
行的３ 個水位１４５，１５５ 及１７５ ｍ，相應(yīng)的試驗水深分別為
０． ７４， ０． ８８ 和１． １６ ｍ。綜上所述，試驗選用３ 種水深、３ 個水
平坡度和９ 個水平塊體體積，共計８１ 組試驗工況。
表１ 船舶主尺度參數(shù)
Ｔａｂ． １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍｏｏｒｅｄ ｓｈｉｐ ｓｉｚｅｓ
船型參數(shù)實船船模
船長／ ｍ ９０ １． ２８
型深／ ｍ ４ ０． ０５７
型寬／ ｍ １６ ０． ２２８
設(shè)計吃水／ ｍ ３． ３ ０． ０４７
方形系數(shù)０． ８ ０． ８
滿載排水量３ ０００ ｔ ８ ７００ ｇ
（３）試驗船型選擇３ ０００ ｔ甲板駁船?？紤]船模滿載下吃
水、重量、重心位置、質(zhì)量慣性矩和自振周期等與原型相似。
實船和船模主尺度及有關(guān)參數(shù)見表１。系纜布置采用八字
纜，首尾各１ 根，打纜角度均為３０°，纜繩長度、系纜位置以及
角度與原型相似，模擬采用３５ ｍｍ 尼龍纜。船舶撞擊護(hù)舷模
擬考慮護(hù)舷受力變形曲線相似，其設(shè)置高度與原型護(hù)舷中心受
力點位置相同。模型護(hù)舷分別位于船首１／３ 處和船尾１／４ 處，
共４ 個測點分別位于兩個碼頭。船舶系纜力和船舶撞擊力采用
重慶交通大學(xué)自主研制的船舶系纜力傳感器和撞擊護(hù)舷傳感器
測量，撞擊能值通過撞擊護(hù)舷傳感器的力學(xué)性能曲線計算得出。
儀器采樣精度為１００ Ｈｚ，所有數(shù)據(jù)利用計算機進(jìn)行采集處理。
２ 涌浪作用下系泊船舶影響因素分析
滑坡涌浪作用下，系泊船舶運動過程和受力過程［１２］ 較為復(fù)
雜，影響系泊安全的主要是船舶系纜力和對碼頭的撞擊力?；掠坷俗饔孟孪挡大w系的船舶運動響應(yīng)規(guī)律
如下：當(dāng)涌浪作用于系泊船舶時，船舶向碼頭方向運動，纜繩處于松弛狀態(tài)，對船舶無拉拽作用，船舶將撞擊
碼頭護(hù)舷。當(dāng)護(hù)舷變形被壓縮至最大值后，船舶在護(hù)舷反力作用和波浪共同作用下開始向反方向運動，當(dāng)運
動一定距離后，纜繩迅速拉緊，船舶系纜力將達(dá)到最大值。隨后，在涌浪、纜繩和護(hù)舷共同作用下，系泊船舶
將會出現(xiàn)和涌浪周期大致相同的往復(fù)運動。
作用于船舶上的波浪荷載，與波浪特性（波高、周期、波浪入射角度等）有關(guān)，同時也與船舶本身尺度（長
度、寬度、吃水深度）、載度（滿載、半載、壓載）和運動特性（橫搖、縱搖、升沉）等有關(guān)。根據(jù)試驗工況，考慮系
泊船舶系纜力和撞擊能的影響因素，分別選取涌浪波高、周期及庫區(qū)水深影響下的系纜力和撞擊能值進(jìn)行單
因素對比統(tǒng)計（見表２）。
表２ 典型涌浪參數(shù)工況
Ｔａｂ． ２ Ｔｙｐｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ
工況
入射波高／
ｃｍ
對岸船舶
系纜力／ ｋＮ
對岸船舶
撞擊能／ ｋＪ 工況入射周期／ ｓ 對岸船舶
系纜力／ ｋＮ
對岸船舶
撞擊能／ ｋＪ 工況水深／ ｍ 對岸船舶
系纜力／ ｋＮ
對岸船舶
撞擊能／ ｋＪ
１ １． ８０ １７４． ５０ ５６． ４０ ２ ０． ６０ １６５． ２０ ６４． ３０ ３ ０． ７４ ２１３． ４０ ８４． ３０
７ ２． １０ １８４． ２０ ９０． ５０ １１ ０． ７０ １７４． ５０ ７５． ６０ １２ ０． ８８ ２２４． ６０ ７９． ６０
２ ２． ２０ １８３． ２０ １０２． ３０ ２０ ０． ８０ １８４． ６０ ５８． ７０ ２１ １． １６ ２０７． ８０ ８０． ４０
４ ２． ７０ １９８． ４０ １０４． ８０ ２８ １． １０ １９８． ６０ ７４． ５０ ２８ ０． ７４ ２４５． ６０ ８９． ６０
３ ３． １０ ２０９． ６０ １１３． ６０ ３７ １． ２０ １８４． ５０ ６０． ２０ ３７ ０． ８８ ２５８． ７０ ９１． ３０
８ ３． ６０ ２４６． ３０ １３２． ５０ ４６ １． ００ １９７． ３０ ７６． ３０ ４６ １． １６ ２３６． ５０ ８７． １０
５ ３． ７０ ２６７． ８０ １５４． ５０ ５５ １． ３０ ２０１． ３０ ８１． ２０ ５１ ０． ７４ ２１６． ９０ ８４． ６０
６ ４． ９０ ３８７． ６０ １９３． ４０ ６４ １． ５０ １９５． ４０ ７８． ６０ ６０ ０． ８８ ２１７． ３０ ７８． ６０
９ ６． ３０ ７７９． ８０ ２５８． ７０ ７３ １． ４０ １８７． ７０ ７２． ３０ ６９ １． １６ ２３６． １０ ７８． ４０
８１
萬方數(shù)據(jù)
水利水運工程學(xué)報２０１７ 年２ 月
由表２ 可見，內(nèi)河３ ０００ ｔ 甲板駁船滿載時，在固定系纜方式和纜繩尺寸情況下，涌浪的入射波高越大，
作用于船舶上的波浪荷載越大。系纜力和撞擊能值也越大，系纜力、撞擊能與波高近似為線性關(guān)系，與以往
的模型試驗研究結(jié)果及規(guī)范公式相符；在波高相同的工況下，涌浪周期不同，系纜力、撞擊能值變化較小。由
于波浪周期變化范圍與船舶的固有橫搖周期相差較大，船舶橫搖運動受涌浪周期變化影響較小，系纜力和撞
擊能值也變化不大。以往的研究表明，若波浪周期與船舶固有橫搖周期相差較小，船舶運動量大，將會導(dǎo)致
系纜力、撞擊能增大。在相同涌浪入射波高和周期的工況下，庫區(qū)水深的變化對系泊船舶的系纜力和撞擊作
用影響較小。
３ 涌浪作用下船舶系纜安全預(yù)估
目前，《港口工程荷載規(guī)范》［１３－１４］ 公式中規(guī)定靠泊碼頭的船舶受到的總荷載包括風(fēng)荷載、水流荷載和波
浪荷載，主要考慮風(fēng)、浪、水流等因素作用下船舶系纜力的大小。公式中一般考慮港口在波浪較小情況下系
泊船舶的受力，對于較大波浪船舶系纜力的計算沒有涉及，尤其是來自破壞能量較大的滑坡涌浪作用下船舶
系纜的安全計算。
３. １ 船舶系纜力的計算
規(guī)范中規(guī)定的波浪荷載船舶系纜力計算式，分別通過水流作用下船舶縱向力和橫向力進(jìn)行計算：
Ｎ ＝ Ｋ ／ ｎ ΣＦｘ ／ （ｓｉｎαｃｏｓβ） [ ＋ΣＦｙ ／ （ｃｏｓαｃｏｓβ）] （１）
式中： Ｋ 為船柱受力不均勻系數(shù)； ｎ 為系船柱數(shù)目； α 為船纜的水平投影與碼頭前沿線的夾角； β 為系船纜與
水平面之間的夾角。
當(dāng)水流與船舶縱軸平行或流向角θ ＜ １５°，θ ＞ １６５° 時，水流力船首橫向分力Ｆｘ１，船尾橫向分力Ｆｙ１ 及船
舶縱向分析Ｆｙ２ 的計算式為：
Ｆｘ１ ＝ Ｃｘ１ρＶ２Ｂ′ ／ ２， Ｆｙ１ ＝ Ｃｙ１ρＶ２Ｂ′ ／ ２， Ｆｙ２ ＝ Ｃｙ２ρＶ２Ｓ ／ ２ （２）
式中： Ｃｘ１ ， Ｃｙ１ 分別為船舶首、尾橫向分力系數(shù)； ρ 為水體密度； Ｖ 為水流速度； Ｂ′ 為船舶以下吃水橫向投影
面積； Ｓ 為船舶吃水線以下表面積。
當(dāng)１５° ≤ θ ≤ １６５° 時，船首橫向分力Ｆｘ１ ，船尾橫向分力Ｆｙ１ 計算式分別為：
Ｆｘ１ ＝ Ｃｘ１ρＶ２Ａｘ１ ／ ２ （３）
Ｆｙ１ ＝ Ｃｙ１ρＶ２Ａｙ１ ／ ２ （４）
式中： Ａｘ１ ， Ａｙ１ 為船舶水下部分垂直和平行水流方向的投影面積。
通過測點所測入射涌浪的周期Ｔ 和水深ｈ ，用二分法迭代波浪的彌散方程，即可求出原始波波長Ｌ。通
過試驗涌浪的波長Ｌ 和周期Ｔ 計算涌浪波速Ｖ ，將涌浪波速近似于水流速度代入規(guī)范計算式。由于同、對岸
碼頭涌浪入射角度分別為０°和９０°，計算得出波浪荷載對船舶的作用力。選擇入射波高值范圍為０． ２１ ～
７． １１ ｍ 的試驗工況，其波長和周期范圍分別為０． ６４～２． １３ ｓ，０． ８～３． ８ ｍ，通過計算對不同工況下船舶系纜
力的計算值和試驗值進(jìn)行對比分析（見圖２）。
圖２ 涌浪作用下船舶系纜力試驗值和計算值對比
Ｆｉｇ． ２ Ｃｏｍｐｏｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｅｓｔ ｖａｌｕｅｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｓｈｉｐ ｍｏｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｂｙ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｇｅ
８２
萬方數(shù)據(jù)
第１ 期陳 里， 等： 滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究
通過分析計算發(fā)現(xiàn)，由于規(guī)范中的計算公式未引入波高參數(shù)，涌浪入射波高Ｈ＜２ ｍ 時，對岸碼頭船舶的
系纜力計算值和試驗值吻合較好，平均相對誤差為１０． ３％；當(dāng)船舶涌浪前波高大于２ ｍ，其偏離程度較大，平
均相對誤差達(dá)１１０％；大于２． ５ ｍ 涌浪波高入射同岸系泊船舶時，其計算值與試驗值吻合也較差，平均相對誤
差達(dá)３０％。因此，涌浪波高較大時，規(guī)范中的計算公式已不適用于滑坡涌浪作用下船舶系纜力的計算。在
固定船型參數(shù)以及船舶滿載情況下，主要考慮入射涌浪波高對系泊船舶的影響。結(jié)合本次模型試驗并參考
以往研究的經(jīng)驗公式，對《港口工程荷載規(guī)范》系泊船舶的波浪荷載系纜力計算式進(jìn)行修正。涌浪作用下船
舶系纜力與波高值近似線性關(guān)系，引入波高Ｈ 及水深ｈ 參數(shù)，通過無量剛化線性回歸確定涌浪作用下船舶
系纜力的經(jīng)驗計算式為：
Ｎ ＝ Ｋｎ
（Ｈｈ
）η ΣＦｘ
ｓｉｎαｃｏｓβ
＋ ΣＦｙ
ｃｏｓαｃｏｓβ
「
[
||
]
」
||
（５）
式中： Ｈ 為波高；ｈ 為水深。通過線性回歸計算，確定修正系數(shù)η 為－０． ７３。
對本次試驗的試驗值和修正式中的計算值進(jìn)行比較，對岸碼頭系泊船撞擊能的計算值和試驗值具有較
好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為Ｒ ＝０． ９１；由于船舶系纜力的大小除了受環(huán)境荷載如滑坡涌浪等影響外，還與碼頭
系泊布置方式、船舶類型、噸位、纜繩類型和數(shù)量、綴繩初張力、護(hù)弦類型和數(shù)量及布置方式等因素有關(guān)?？?
慮模型試驗的局限性，該計算式只對相似船型、滿載及雙纜系泊時的船舶系纜力計算具有較高準(zhǔn)確性，對其
他系泊條件下系纜力的計算具有一定的參考價值。３. ２ 船舶系纜安全的預(yù)估
考慮３ ０００ ｔ 甲板駁船滿載下的系纜方式，模擬采用３５ ｍｍ 尼龍纜，纜繩破斷力應(yīng)按產(chǎn)品規(guī)格確定，當(dāng)缺
乏資料時，對于聚丙烯尼龍纜繩其破斷力可按下式計算： Ｎｐ ＝ ０． １６Ｄ２，其中： Ｎｐ 為聚丙烯尼龍纜繩的破斷力；
Ｄ 為尾纜繩直徑。通過計算３ ０００ ｔ 船舶系纜力的標(biāo)準(zhǔn)值為２００ ｋＮ。典型涌浪波高下船舶系纜力值見表３。
表３ 典型涌浪波高下船舶系纜力值
Ｔａｂ． ３ Ｔｙｐｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｈｉｐ ｍｏｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｂｙ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ
工況初始波高／ ｍ 入射波高／ ｍ 對岸碼頭船首系纜力／ ｋＮ 對岸碼頭船尾系纜力／ ｋＮ 同岸碼頭船首系纜力／ ｋＮ 同岸碼頭船尾系纜力／ ｋＮ
１９ ０． ８４ ０． ２１ １９５． ５０ １７１． ５０ ８５． ７０ ４１． ９０
１０ １． ０５ ０． ４２ １９８． ２０ １３７． ２０ １０２． ９０ ３１． １０
７３ ２． ４５ ０． ９０ ２００． ６０ １８５． ２０ １７４． ５０ ５４． ２０
３７ ３． ５０ ０． ９３ １９８． １０ １８８． ６０ １６５． ３０ ６６． ６０
５６ ４． ２０ １． ２６ ２８６． ８０ ２５０． ３０ １７９． ８０ １２５． ３０
６１ ５． ２５ １． ３３ ３０６． ８０ ２２９． ８０ ２０１． ３０ １１４． ３０
３１ ８． ０５ １． ６８ ４２８． ９０ ４０８． １０ ３４７． ３０ １３２． ５０
４１ ７． ５６ １． ７３ ４３３． ４０ ２３７． ００ ３４７． ７０ １７４． ５０
４２ １１． ６２ ２． １７ ６７０． ９０ ３４８． ００ ７１４． ２０ １９８． ６０
５４ １４． ００ ３． ２２ ８１０． ８０ ４５６． １０ ７８４． ２０ ３００． ９０
表３ 表明，初始波高３． ３ ｍ 以上，涌浪入射波高大于０． ９ ｍ 時，對岸碼頭船舶首纜系纜力均大于標(biāo)準(zhǔn)值；
對于船舶尾纜，初始波高３． ５ ｍ 以上，涌浪入射波高大于１． １ ｍ 時，其系纜力均大于標(biāo)準(zhǔn)值；同岸碼頭船舶首
纜系纜力只有１／３ 工況下滿足船舶系纜力的標(biāo)準(zhǔn)值，而尾纜系纜力有一半以上工況滿足船舶系纜力的標(biāo)準(zhǔn)
值；同岸碼頭首纜系纜力的初始波高和入射波高額定值分別為２． ４ 和０． ９ ｍ；尾纜系纜力的初始波高和入射
波高額定值分別為２． ８ 和１． ３ ｍ。因此，將０． ９ ｍ 的入射波高值作為本次試驗工況下系泊船舶系纜力的安
全極限（警戒）波高值。
４ 涌浪作用下船舶撞擊安全預(yù)估
４. １ 船舶撞擊能計算
《港口工程荷載規(guī)范》中規(guī)定在橫浪作用下，系泊船舶的有效撞擊能量計算式為：
８３
萬方數(shù)據(jù)
水利水運工程學(xué)報２０１７ 年２ 月
Ｅ ＝ αＣｍＭｇＨ（Ｈ ／ Ｌ）（Ｌ ／ Ｂ）（ｄ ／ Ｄ）２． ５ｔａｎｈ（２π／ （Ｌｄ）） （６）
式中： Ｅ 為橫浪作用下系泊船舶有效撞擊能量（ｋＪ）； α 為系數(shù)， 采用橡膠護(hù)舷時為０． ００４； Ｃｍ 為船舶附加水體
質(zhì)量系數(shù)；Ｍ 為船舶滿載排水質(zhì)量； Ｈ 為浪高； Ｂ 為船舶型寬； Ｄ 為船舶吃水深； ｄ 為碼頭前沿水深；Ｌ 為波長。
試驗包括高、中、低３ 個水位，發(fā)現(xiàn)當(dāng)波高Ｈ 一定時，水深ｄ 的變化并不會引起撞擊力和撞擊力能的變
化，且系泊船舶型深遠(yuǎn)小于水深ｄ 。通過理論及試驗數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)初始涌浪傳播至系泊船舶處，入射波
高對系泊船舶撞擊力和撞擊能起著決定性的作用。因此，在固定船型參數(shù)以及船舶滿載的情況下，主要考慮
涌浪入射波高對船舶撞擊能的影響。結(jié)合模型試驗資料分析，參考以往研究的經(jīng)驗公式，對規(guī)范中系泊船舶
的有效撞擊能量的經(jīng)驗公式進(jìn)行修正，確定滑坡涌浪作用下船舶撞擊能的經(jīng)驗計算式為：
Ｅ ＝ ＫαＣｍＭｇＨ（Ｈ ／ Ｂ）（Ｄ０ ／ Ｄ）２． ５ （７）
式中：Ｋ 為修正系數(shù)；Ｄ０ 為船舶型深。
對滑坡涌浪作用下的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，運用線性回歸法確定參數(shù)Ｋ ，得到涌浪作用下船舶最大
撞擊能量的經(jīng)驗計算式為：
Ｅ ＝ ０． ０２３ ２αＣｍＭｇＨ（Ｈ ／ Ｂ）（Ｄ０ ／ Ｄ）２． ５ （８）
比較所有工況的試驗值和公式中的計算值，對岸碼頭系泊船撞擊能的計算值和試驗值具有較好相關(guān)性，
相關(guān)系數(shù)為Ｒ ＝０． ９３。式（８）適用于相似船型及系泊條件的船舶撞擊能的計算，對其他船型或不同裝載情況
下船舶撞擊能的計算有一定參考價值。
４. ２ 船舶撞擊安全預(yù)估
《港口工程荷載規(guī)范》中船舶有效撞擊能的計算式為： Ｅ０ ＝ ρＭＶｎ
２ ／ ２，其中， Ｅ０ 為船舶有效撞擊能（ｋＪ）； ρ
為有效動能系數(shù)（?。埃?７～０． ８）； Ｖｎ 為船舶法向撞擊速度（ｍ／ ｓ）。根據(jù)規(guī)范中河船方向靠岸速度的統(tǒng)計表，
?。郑?＝０． ３ ｍ／ ｓ。通過計算，碼頭原型橡膠護(hù)舷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值Ｅｎ ＝１０８ ｋＪ。
撞擊能經(jīng)驗式計算及試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表４。由表４ 可見，初始波高大于３． ３ ｍ，入射波高大于０． ９ ｍ
時，對岸碼頭船首撞擊能均大于橡膠護(hù)舷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值；對于船尾撞擊能，在初始波高大于３． ５ ｍ，入射波高大
于１． １ ｍ 時，其撞擊能均大于標(biāo)準(zhǔn)值。同岸碼頭船首撞擊能值只有１／３ 工況下滿足橡膠護(hù)舷設(shè)計要求，船尾
撞擊能值２／３ 工況下滿足橡膠護(hù)舷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。同岸碼頭船首撞擊能在初始波高和入射浪高分別小于２． ４
和０． ９ ｍ 時，滿足橡膠護(hù)舷的設(shè)計要求；船尾撞擊能的初始波高和入射波高額定值分別為１１． ０ 和２． ８ ｍ。
因此，將０． ９ ｍ 的入射波高值，作為本次試驗工況下船舶撞擊能的安全極限（警戒）波高值。
表４ 典型涌浪波高下船舶撞擊能值
Ｔａｂ． ４ Ｔｙｐｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｂｙ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ
工況初始波高／ ｍ 入射波高／ ｍ 對岸碼頭船首撞擊能／ ｋＪ 對岸碼頭船尾撞擊能／ ｋＪ 同岸碼頭船首撞擊能／ ｋＪ 同岸碼頭船尾撞擊能／ ｋＪ
１９ ０． ８４ ０． ２１ ５６． ４０ ４１． ５０ １６． ２０ ２１． １０
１０ １． ０５ ０． ４２ ９０． ５６ ７５． ２０ ２７． ８０ １４． ８０
７３ ２． ４５ ０． ９２ １０２． ３６ ８９． ８２ ２７． ５０ ２１． ００
３７ ３． ５０ ０． ９３ １５７． ５０ １４３． ００ １１７． ２０ １０１． ３０
５６ ４． ２０ １． ２６ １９３． ４０ １６２． ５０ １３４． ３０ １２２． ４０
６１ ５． ２５ １． ３３ ２５８． ７０ ３４９． ４０ ２１５． ４０ １８１． ２０
３１ ８． ０５ １． ６８ ５２２． ５０ ３４３． ９０ ２８０． ５０ ２８９． ６０
４１ ７． ５６ １． ７３ ８９８． ４０ ８４２． ３０ ３２８． １０ ２７３． ２０
４２ １１． ６２ ２． １７ ８６７． ２０ ８２３． ２０ ４１０． ６０ ３７０． ８０
５４ １４． ００ ３． ２２ ９８５． ２０ ９２７． ００ ６７３． ９０ ６１２． １０
５ 結(jié) 語
模型試驗研究建立了滑坡涌浪作用下系纜力和撞擊能經(jīng)驗計算式，其中系纜力的計算引入了波高參數(shù)，
計算結(jié)果提高了對滑坡涌浪作用下庫區(qū)船舶及港口影響程度的認(rèn)識。另外，當(dāng)初始波高達(dá)到一定高度時，如
８４
萬方數(shù)據(jù)
第１ 期陳 里， 等： 滑坡涌浪作用下系泊船舶安全試驗研究
工況６２， ６９ 和８１（初始波高分別為１５． ３，１５． ６ 和１６． ０ ｍ，入射波高分別為７． ３，７． ６ 和７． ８ ｍ）等，波浪荷載
對系泊船舶的作用力極大。系泊船舶因為橫搖的劇烈運動而導(dǎo)致纜繩崩斷，從而引發(fā)船舶撞壞碼頭或者傾
覆。試驗結(jié)果表明，初始波高達(dá)到１５ ｍ 以上，入射涌浪在７ ｍ 左右時，船舶發(fā)生嚴(yán)重橫搖和傾覆，此時，系纜
力和撞擊能的數(shù)值已經(jīng)不是真實數(shù)據(jù)。
因此，滑坡涌浪作用下現(xiàn)有庫區(qū)港口運行和設(shè)計規(guī)范已不能滿足實際要求，實際運行中，為減小滑坡涌
浪對庫區(qū)港口的危害程度，可采取以下相應(yīng)有效措施：
（１）提高系泊船舶系纜繩強度等級。根據(jù)本次系泊船舶系纜力試驗數(shù)據(jù)的研究，可針對類似船舶類型
提高船舶系纜繩強度３０％左右。其他類型船舶的系纜繩強度的提高，可作相應(yīng)參考。
（２）減小系泊船舶系纜力。為減小涌浪作用下系泊船舶系纜力，在實際運行過程中，可增大系纜繩的預(yù)
張力。在條件允許情況下，可改變布纜方式，采取多纜系纜方式，增加首纜、腰纜和尾纜。通過多纜方式，將
較大系泊船舶系纜力分散在不同位置纜繩上。
（３）提高庫區(qū)港口碼頭橡膠護(hù)舷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)本次系泊船舶撞擊能的試驗數(shù)據(jù)，建議提高庫區(qū)港口
碼頭橡膠護(hù)舷設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)３０％左右。
（４）改變庫區(qū)港口碼頭橡膠護(hù)舷的布置方式。港口碼頭橡膠護(hù)舷的基本形式主要有連續(xù)布置和間斷布
置。在間斷布置情況下，可考慮加大間斷布置橡膠護(hù)舷的密度。
（５）當(dāng)出現(xiàn)極具破壞性的滑坡涌浪波高時，應(yīng)停止系泊船舶的作業(yè)，駛離碼頭，轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域。
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８５
萬方數(shù)據(jù)
水利水運工程學(xué)報２０１７ 年２ 月
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Ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｍｏｏｒｅｄ ｓｈｉｐ
ｕｎｄｅｒ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ ａｃｔｉｏｎ
ＣＨＥＮ Ｌｉ１， ＹＡＮＧ Ｑｕｆｅｎｇ２， ＹＵ Ｔａｏ ３， ４， ＷＡＮＧ Ｐｉｎｇｙｉ３， ４
（１． Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｙｉｃｈａｎｇ ４４３００２， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｃａｄｅｍｙ Ｃｏ．，
Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００１， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｌａｎｄ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４， Ｃｈｉｎａ； ４． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，
Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００７４， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ａ ｆａｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｒｔ ｗａｔｅｒｗａｙ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ?ｕｐｐｅｒ ｒｅａｃｈｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ， ｈｏｗ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｏｒｅｄ ｓｈｉｐｓ ｉｎ ｔｈｅ
ｉｎｌａｎｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｐｏｒｔｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ ｉｓ ａｎ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｓｓｕｅ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｗｅｌｌ
ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｌａｎｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｐｏｒｔｓ， ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ
ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ３ ０００ ｔ ｄｅｃｋ ｂａｒｇｅｓ ｍｏｏｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｊｉａｎｎａｎ Ｔｕｏｋｏｕ ｐｏｒｔ ａｓ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ． Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ
ｏｆ ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ， ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｏｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｕｒｇｅ ｗａｖｅ
ｈｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ， ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｏｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ
ａｎｄ ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ａｓｃｅｒｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ
ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｌａｎｄ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｐｏｒｔ， ｓｏｍｅ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｒｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｎｄｉｎｇｓ ｈａｖｅ ａ ｈｉｇｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ
ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｐｏｒｔｓ ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ ｍｏｕｎｔａｉｎ ｒｉｖｅｒｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｕｒｇｅ； ｍｏｏｒｉｎｇ ｌｉｎｅ ｆｏｒｃｅ； ｉｍｐａｃｔ ｅｎｅｒｇｙ
８６
萬方數(shù)據(jù)

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