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滑坡涌浪影響下船舶安全錨泊范圍試驗(yàn)研究

文檔作者：許海勇2 王平義喻濤2 文檔來源： 1．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 2．重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月07日
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第46卷第15期
2 0 1 5年8 月
人 民 長 江
Yangtze River
Ve1．46．No．15
Aug．， 2015
文章編號：1001—4179(2015)15—0078—04
滑坡涌浪影響下船舶安全錨泊范圍試驗(yàn)研究
許海勇 2，王平義 ，喻 濤 2
(1．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； 2．重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育
部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074)
摘要：由于水庫蓄水水位的變化，庫區(qū)時常發(fā)生山體滑坡，滑坡涌浪作用于錨泊船舶時可能會使船舶的錨鏈拉
斷，造成較大災(zāi)害。為研究滑坡涌浪傳播特性和降低涌浪對船舶造成的損害，通過巖體滑坡涌浪概化模型試
驗(yàn)，并基于多元線性回歸分析方法，得到了首浪高度、涌浪高度衰減系數(shù)和最大錨鏈拉力的經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而推
導(dǎo)出靜水中船舶安全錨泊限制范圍的計(jì)算公式。上述公式的確定，可為制定滑坡地點(diǎn)附近錨泊船舶的安全避
險措施和預(yù)測滑坡涌浪產(chǎn)生的破壞范圍提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：滑坡涌浪；首浪高度；衰減系數(shù)；錨鏈拉力；錨泊限制范圍
中圖法分類號：P642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DoI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．15．019
三峽庫區(qū)航道中，由于航道等級的提升，船舶數(shù)量
的不斷增大，錨泊狀態(tài)下的船舶也較為常見。若庫區(qū)
潛在的滑坡一旦失穩(wěn)，其涌浪產(chǎn)生的推力可能會使錨
泊的船泊錨鏈繃斷，致使船舶失穩(wěn)，從而造成生命財產(chǎn)
損失。為了降低滑坡涌浪對錨泊船舶的損害并尋求相
應(yīng)的預(yù)防措施，需要研究滑坡涌浪的形成與傳播機(jī)理
和影響錨鏈拉力大小的因素，從而確定船舶安全錨泊
的限制范圍。
在滑坡涌浪模型試驗(yàn)方面，Rudy Slingerland和
Barry Voiglrt? (1979)基于模型試驗(yàn)，得出了最大涌浪
高度與無量綱動能之間的經(jīng)驗(yàn)公式。H．M．Fritz等
(2003)通過三維物理試驗(yàn)，考慮了不同特征參數(shù)對涌
浪的影響，分析了涌浪引起的流場特點(diǎn)。陶孝銼
(1994)、余仁福 (1995)基于試驗(yàn)討論了不同入江滑
坡體積時涌浪高度與滑速的關(guān)系。在船舶錨泊系統(tǒng)的
研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要采用理論分析和經(jīng)驗(yàn)分析
的方法開展錨鏈?zhǔn)芰Φ姆治鲇?jì)算 ，物理模型試驗(yàn)
的研究相對較少，在對錨鏈進(jìn)行受力分析計(jì)算時，研究
人員對涌浪作用下錨泊系統(tǒng)的受力分析研究也較少。
實(shí)際上，內(nèi)河航道中錨泊船舶在風(fēng)、浪、流的作用下時
常會出現(xiàn)錨鏈斷裂而失去控制的情況。尤其是當(dāng)庫區(qū)
發(fā)生滑坡時，其涌浪傳播范圍較廣，危害性較大，對錨
泊船舶的安全造成了很大威脅?；诖?，本文通過概
化模型試驗(yàn)，分析滑坡涌浪的特征，并對錨泊船舶的錨
鏈拉力與涌浪傳播距離之間的關(guān)系進(jìn)行研究。
1 模型試驗(yàn)
1．1 模型設(shè)計(jì)
試驗(yàn)?zāi)M萬州江南沱口碼頭河段，模型概化成
90。彎曲河道，模型幾何比尺為1：70，最終將模型概化
為總長52 m、寬8 m的彎曲河道。采用散體模擬滑坡
體，用砂漿和石子混合制成大小不同的5種矩形塊體，
保證密度相似，并通過塊體不同的排列組合堆放方式
模擬滑體的離散程度和裂隙發(fā)育程度?；鄄捎描F質(zhì)
材料，底部鐵板模擬滑面。滑槽長度為2 m，兩側(cè)為可
變寬度擋板，可變范圍為0．5～1．5 133。試驗(yàn)船型選擇
收稿日期：2015—04—29
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51479015)；西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(20113288141160)；重慶市科技公關(guān)項(xiàng)目
(CSTS2009AC6045)
作者簡介：許海勇，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榛掠坷撕秃降乐卫?。E—mail：xuhiyong@ 163．tom
通訊作者：王平義，男，教授，研究方向?yàn)楦劭诩昂降拦こ毯秃降勒卫碚摷凹夹g(shù)。E—mail：PY—wang@163．tom
第15期 許海勇，箏：滑坡涌潰影響下船舶宴全錯泊范圍試驗(yàn)研究 70
3 000 t甲板駁船，按照1：70的比尺進(jìn)行船模設(shè)計(jì)，并
考慮滿載情況。根據(jù)涌浪測量方案以及依托工程彎曲
河道模型的特點(diǎn)，分別在滑坡入水點(diǎn)附近、河道遠(yuǎn)端和
彎道處布設(shè)錨泊船舶，距滑坡入水點(diǎn)的距離分別為5，
18 in和9 m，如圖1所示。
圖1 錨泊船舶平面布置示意
采用定位錨泊系統(tǒng)，雙側(cè)錨泊方式，首尾各兩根共
4根錨鏈，如圖2所示。模擬原型船舶錨鏈直徑為40
mm，船舶錨鏈長度考慮較不利狀態(tài)下的系泊方式，取
為2．5倍的水深。
圖2 錨鏈布置示意
1．2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
三峽水庫3個運(yùn)行水位分別為正常蓄水位175
m、汛期防洪限制水位145 m和枯水期消落水位155
m。概化后河道的底部平均高程為93．55 m，根據(jù)模型
1：70的幾何比尺，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)水深為1．16，0．74 m和
0．88 m。通過對庫區(qū)滑坡區(qū)的資料統(tǒng)計(jì)，滑面傾角選
取20。，4O。和6O。。通過對庫區(qū)滑坡體寬度、厚度等尺
寸資料的收集，試驗(yàn)選用固定長度為1 m，寬度為0．5，
1 m和1．5 m，厚度0．2，0．4 m和0．6 m共9組塊體方
案。這樣試驗(yàn)共選用3個水深、3個坡度和9個塊體
體積，一共81組工況。
1．3 試驗(yàn)量測系統(tǒng)
采用重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所自主研發(fā)的超
聲波浪采集分析儀采集不同區(qū)域的波高數(shù)據(jù)和周期數(shù)
據(jù)，采集時間為200 s，采集頻率為50 Hz。錨鏈拉力由
拉力傳感器測得，型號為CYG1145T，測量范圍為6
kPa，精度為0．5級。
2 成果分析
2．1 首浪高度公式
通過對影響首浪高度參數(shù)的無量綱化和多元線性
回歸分析，發(fā)現(xiàn)滑坡的寬度W、厚度t、滑面角度 及
庫區(qū)水深h為主要影響因素。對初始浪高日酋 及其
￡r ．
影響參數(shù)進(jìn)行無量綱化處理后，分別得出 、一h、一
t
W
和 。采用多元線性回歸的方法，得出相關(guān)性較好(r
=0．95)的首浪高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為
TAr ，
： 0．21( ) ( ) 。 (1)
W W
2．2 沿程波高衰減系數(shù)公式
滑坡發(fā)生后，水面急劇波動，初始涌浪迅速向外傳
播，沿程涌浪的波高隨著傳播距離的增加而逐漸減小，
當(dāng)傳播達(dá)到一定距離時，波高衰減逐漸減緩，這與理論
分析中涌浪傳播的急劇衰減和緩慢衰減過程相符。相
同距離情況下，滑坡體寬度范圍內(nèi)直道的波高衰減最
慢，滑坡寬度范圍外直道次之，彎道波高的衰減最大。
因此，通過對彎曲河段波高等值線圖的分析，將沿程涌
浪的波高衰減分為4個區(qū)域，即：滑坡體寬度范圍內(nèi)衰
減區(qū)域(B)、滑坡體寬度范圍外直道衰減區(qū)域(A)、彎
道衰減區(qū)域(C)、過彎后衰減區(qū)域(D)，如圖3所示。
圖3 彎曲河道波高衰減區(qū)域
本文研究滑坡涌浪作用下船舶安全錨泊的限制范
圍，只探究滑坡體寬度范圍外直道衰減區(qū)域(A)的沿
程涌浪波高衰減規(guī)律?？紤]這個區(qū)域內(nèi)影響沿程涌浪
波高的主要參數(shù)：初始浪高日首浪、涌浪傳播距離￡和
水深h。通過對參數(shù)的無量綱化并采用多元回歸分析
方法，得出相關(guān)性較好(r =0．95)的沿程波高衰減系
數(shù) 的計(jì)算公式為
U
K =2．234(竿) 刪(孚) ·" (2) ／
7, 見
式中，K =H ／H酋浪，H 為沿程波高。
2．3 最大錨鏈拉力公式
當(dāng)滑坡涌浪傳播到河道遠(yuǎn)端時，錨泊船舶會產(chǎn)生
80 人 民 長 江
偏蕩，如圖4所示。此時錨鏈作用于船體的力，不僅時
時變化，而且會出現(xiàn)脈沖力。當(dāng)偏移量達(dá)到錨鏈總長
度時，一側(cè)錨鏈迅速處于拉緊狀態(tài)，船舶由于受到錨鏈
力的作用，向反向偏移，在雙側(cè)錨泊方式下，另一側(cè)錨
鏈在偏移量達(dá)到錨鏈總長度時，也迅速處于拉緊狀態(tài)。
在涌浪和錨鏈共同作用下，船舶不斷發(fā)生偏移往復(fù)運(yùn)
動，當(dāng)錨鏈拉力達(dá)到錨鏈額定值時，錨鏈繃斷，船舶出
現(xiàn)險情。
射確
— ＼
7號
畫 水點(diǎn)
圖4 遠(yuǎn)端河道涌浪入射示意
對測得的錨鏈最大拉力和錨泊船舶處的沿程波高
進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)船首處7號測點(diǎn)的拉力值大于船尾的
8號測點(diǎn)，船首處錨鏈最先拉斷。通過對影響錨鏈最
大拉力參數(shù)的無量綱處理和多元回歸分析，發(fā)現(xiàn)水深
h、波浪周期 、沿程波高 、船舶型寬B、船舶吃水
D、船舶縱搖周期 為錨鏈拉力F的主要影響因素。
對參數(shù)進(jìn)行無量綱處理后可得
= 魯，魯，詈， ㈩
式中，P為水的密度，取為1 000 kg／m。。
將相關(guān)試驗(yàn)資料及測量數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，
可得出相關(guān)性較好(r =0．95)的滑坡遠(yuǎn)端河道錨鏈
最大拉力F的計(jì)算公式為
F=996．87 7p (等 。90啪(魯 84087×
( )∽ ( )-1．53317 (4)
2．4 靜水中船舶安全錨泊限制范圍公式
目前對滑坡涌浪作用下船舶安全錨泊限制范圍的
確定并沒有相應(yīng)的研究，本文通過遠(yuǎn)端河道錨泊船舶
的最大錨鏈拉力值計(jì)算公式進(jìn)行推求。由沿程波高衰
減系數(shù)K 計(jì)算公式(2)可得
234(竽 ‘Ⅲ( (5)
將首浪日首浪計(jì)算公式(1)帶人公式(5)可得
等=8_020 06(h ) 228 (吉凡 )’。5㈣(魯凡 ) l3 。盧 。。63o6
(6)
將公式(6)帶人錨鏈最大拉力計(jì)算公式(4)司得
F=18 007．19l33P (告 ×
(古)。。 。( n ) ·584 (旱／1, 87×
( 啪 ( )-1 533 17／3。。。? (7)
由公式(7)導(dǎo)出的涌浪傳播距離公式為
=485．489 4 (、 F 。l2(、 告 ㈣6 x
(古)-0．45 8(旱t )-1．126 2( 凡 。56 3 x
( )。。。％ 盧 ¨ (8)
· 將公式(8)中的錨鏈最大拉力 取為錨鏈拉力的
額定值F 可得
? -485·4894 ( )0 ×
( )t·嗍 ( )m s s(_B) ×
( 56 ( 5 (9)
此次物理模型試驗(yàn)因?yàn)闂l件限制，未考慮波向、船
舶載重等因素，因此，結(jié)合本次試驗(yàn)中錨鏈出現(xiàn)拉斷情
況的4組工況綜合考慮，可將公式(9)修改為
Lma ) ×
( ) s ( )m s s(導(dǎo))?z z×
( 56 ( (10)
式中，A取為569．356 2。公式(10)即為船舶安全錨
泊限制范圍 ? 的計(jì)算公式。
在靜水條件下，滑坡點(diǎn)上游和下游的 ? 相同，即
從滑坡點(diǎn)起算，上游和下游 ? 距離以外，是船舶的安
全錨泊范圍。
3 結(jié)論
本次試驗(yàn)?zāi)M萬州沱口碼頭段巖體滑坡涌浪特性
及其對船舶錨泊的影響，運(yùn)用多元線性回歸分析得出
了首浪計(jì)算公式、涌浪波高沿程衰減系數(shù)公式，并創(chuàng)造
性地推導(dǎo)出錨鏈最大拉力公式和滑坡涌浪傳播過程中
船舶安全錨泊限制范圍公式。
由于試驗(yàn)條件限制，并沒有研究波浪與水流相互
作用下的船舶安全錨泊限制范圍，因此在波流場中使
用此公式時需要根據(jù)流速和波高的變化對A值進(jìn)行
修正。此外，本次試驗(yàn)?zāi)M萬州沱口碼頭段巖體滑坡
第15期 許海勇，等：滑坡涌浪影響下船舶安全錨泊范圍試驗(yàn)研究 81
涌浪，可為該河段船舶避險措施的制定提供依據(jù)，但對
其他區(qū)域河段是否適用還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)：
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顧民權(quán)．海港工程設(shè)計(jì)手冊(上)[M]．北京：人民交通出版社，
2001．
(編輯：徐詩銀)
Experim ental studies of safety scope for ships anchorage under landslide generated waves
XU Haiyong ，W ANG Pingyi l_，YU Tao '。
(1．National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，
China； 2．Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of Ministry of Education，Chongqing Jiaotong University，
Chongqing 400074，China)
Abstract： Landslides occur frequently in reservoir area because of the fluctuation of impounded leve1．The ship anchor chains
may be broken when the landslide generated waves act on the anchored ships，which may lead to greater disasters．To study the
propagation characteristics of the landslide generated waves and reduce its damage on the ships，a physical model to simulate the
waves generated by rock landslide is designed．The empirical formulas of the primary wave height，the attenuation coefficient of
wave height and the maximum tension of anchor chains are obtained by using the multiple linear regression method；and then the
calculation formula of the safe anchorage scope of the ships under hydrostatic condition is deduced．The above form ulas provide
an impo~ant basis for setting out the risk—controlling measures for the ships near landslide sites and predicting the damage range
of landslide generated waves．
Key words： landslide generated waves；primary wave height；attenuation coeficient；tension of anchor chains；limited scope
for ship anchorage
(上接第53頁)
Influence of Three Gorges Reservoir operation on oncomelania and
schistosom iasis in Dongting Lake region
ZENG Qingfang‘，ZHU Chaofeng ，LI Yiyi
(1．Schistosomiasis Control Office，Chang]iang Water Resources Commission，Wuhan 430012，China； 2．Hunan Institute ofParasitic
Diseases，Yueyang 4 14000，China)
Abstract： W hether the operation of Three Gorges Reservoir leads to the wide spread of schistosomiasis in mid—lower Yangtze
River basin causes great concern．26 monitoring sites were arranged in Dongting Lake region during 2003 to 2010 to track and
m0nit0r the situation of oncomelania．The results showed no oncomelania was detected in 1 3 sites in the beaches and shoals of
Dongting Lake region in 2014，comparing with that in 2003；the average density of living oncomelania in 9 sites dropped by 96．
27％ ；in 2014，the monitoring sites in which the living oneomelania was detected accounted for 34％ of the total sites；the area
of the fiver beach where the oncomelania is detected is reducing and the chance of oncomelania spread into the polder from beach
is declining at large amplitude．
Key words： beaches and shoals；density of oncomelania；schistosomiasis；Dongting Lake；Three Gorges Dam ；water level

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