滑坡涌浪对高桩码头船舶撞击力的影响

王平义，韩林峰，喻涛，孟彩霞

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074； 2.重庆交通大学 省部共建水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)



滑坡涌浪对高桩码头船舶撞击力的影响

王平义1，韩林峰1，喻涛1，孟彩霞2

(1.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074； 2.重庆交通大学 省部共建水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

摘要：涌浪作为库岸滑坡的主要次生灾害，给库区码头、船舶以及水工建筑物带来巨大的安全隐患。高桩码头是目前三峡库区最为常见的码头结构形式之一，船舶撞击力对其在使用阶段的稳定性、安全性具有至关重要的影响。通过水槽模型试验，对滑坡涌浪作用下三峡库区系泊船舶与高桩码头间的撞击力进行研究。试验结果表明：系泊船舶对高桩码头的最大撞击力与涌浪初始波高、水体附加质量等参数有关，与水深无关；而用《港口工程荷载规范》计算得到的船舶撞击力与试验值相比偏小，不利于库区码头的设计安全。结合相关试验数据，提出滑坡涌浪影响下高桩码头船舶撞击力计算公式。

关键词：滑坡涌浪；三峡库区；高桩码头；船舶撞击力；附加水体质量系数

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1040.032.html

随着我国内河航道和港口建设的发展，船舶吨位等级不断提高，对码头结构型式的要求不断增强，尤其在三峡工程蓄水后，库区水位将发生较大的变化，受水库调度的影响，库区各港址的洪、枯水位差大都接近30 m左右，以致原有码头形式已不再适用。高桩码头由于结构简单、自重轻，并能承受较大荷载，以及适用于大水位差船舶停靠等特点，已经成为库区码头的主要结构形式之一，如重庆果园港高桩直立式码头、万州港江南沱口集装箱高桩码头均是采用此种码头结构形式。

长江三峡库区地处我国地形第二阶梯和第三阶梯的过渡带，地跨川东平行岭谷低山丘陵区和川鄂低中山峡谷区，库区自然地质条件复杂，暴雨洪水频繁，是我国地质灾害高发易发区之一，其中滑坡和崩塌是三峡库区地质灾害的主要类型[1]。据2009年7月湖北省、重庆市库区26个县(市、区)政府上报统计资料及国土资源部调查，在新界定的三峡库区范围内查出崩塌滑坡共5 300余处，总体积8.3×109m3，如此多潜在的滑坡灾害，其下滑后形成的涌浪所产生的巨大能量对库区码头和船舶的安全存在较大威胁。

高桩码头受静力与动力荷载共同作用，同时承受垂直荷载与水平荷载，其中水平荷载在设计中往往起着控制作用[2]。船舶泊靠码头时所产生的撞击力作为高桩码头设计的主要水平动荷载之一，对高桩码头在使用阶段的稳定性、安全性具有至关重要的影响，而滑坡涌浪所产生的巨大能量使系泊船舶与码头之间的剧烈碰撞将给库区深水高桩码头带来更为严重的损害。现有《港口工程荷载规范》[3](以下简称《规范》)中有关船舶对码头撞击力的计算公式没有考虑滑坡涌浪对其的影响，缺少关于这方面的理论研究与试验研究。本文结合实际工程情况，通过模型试验研究滑坡涌浪条件下三峡库区系泊船舶对高桩码头的最大撞击力，对维护库区码头的安全与稳定具有重要意义。

1模型试验设计

滑坡体在码头对岸或同岸入水后，将激起一定高度的涌浪，随着涌浪的传播，会造成系泊船舶与码头之间发生剧烈碰撞。由于库岸滑坡失稳入水产生涌浪的时间较短、地点也不固定，而且涌浪作用下船舶对码头的撞击作用又比较复杂，因此很难得到滑坡涌浪发生时船舶对码头撞击力的原型观测数据。而物理模型试验能够相对真实地模拟库岸滑坡涌浪的发生与传播过程，为测量涌浪作用下系泊船舶对高桩码头的撞击力提供一种切实可行的方法。

1.1河道与滑坡体模型设计

本文依托万州港江南沱口码头河段地形资料，采用1∶70的几何比尺建立河道模型，并对河底地形进行概化。通过统计分析“三峡库区三期地质灾害防治监测预警工程专业监测崩塌滑坡灾害点涌浪分析与危害评估”报告中的122个滑坡体的几何尺寸、下滑速度、临水坡度等因素，采用正交试验法设计81组试验工况，对不同涌浪条件下系泊船舶对高桩码头的撞击作用进行全面研究。

1.2码头模型设计

万州港江南沱口集装箱高桩码头结构平台长253 m，宽30 m，平台排架间距7 m，共36榀排架，每榀排架设置6根桩基；前两排桩基采用φ1600的钢筋混凝土嵌岩桩，后四排采用φ1800钢筋混凝土嵌岩桩，桩底均置于中风化基岩层。模型码头的长度按原型码头的一个泊位长来考虑，根据比尺，模型码头长1.5 m，宽0.43 m；码头桩基采用塑料管制作，直径为2.28 cm，间距为10 cm；码头面板、横梁和纵梁采用塑料板制作，面板两端设置两个系船柱，码头结构按刚性结构处理，固定在河道模型内，如图1所示。

图1　模型码头布置图Fig.1　The layout plan of wharf model

本次试验共制作两个码头模型，分别位于滑坡体的对岸和同岸，距滑坡入水点距离均为6.37 m，其平面布置如图2所示。

图2　模型试验平面布置图Fig.2　The layout plan of model test

1.3船舶模型设计

根据几何相似、重力相似和运动相似原则，按照1∶70的比尺进行船模设计，试验船型选择3 000 t甲板驳船。对船舶的不同载重情况分别采用铁制砝码压载配重，使船舶模型满足吃水、重量、重心位置、质量惯性矩和自振周期等与原型相似。表1为实体船与船模的参数统计表，本次试验考虑船舶装载度为满载情况，通过集装箱的配比使船舶达到满载状态。

表1　船舶参数统计表

1.4船舶撞击力模拟

船舶撞击护舷模拟的相似条件主要考虑模型护舷与原型护舷受力变形曲线相似，其上设置高度与原型护舷高度几何相似的刚性受力点，并使之与原型受力点位置相同。撞击力测量采用重庆交通大学自主研制的船舶撞击护舷传感器，采样频率为100 Hz。船舶撞击力测点分别位于船艏1/3处和船艉1/4处，如图3、4所示。

图3　系泊船舶撞击力测点布置图Fig.3　The measure point layout diagram of the mooring ship′s impact force

图4　系泊船舶实物图Fig.4　The physical map of mooring ship

2 滑坡涌浪对船舶撞击力的影响

船舶对码头的撞击力采用重庆交通大学自主研制的撞击护舷传感器测量。传感器由测量模型护舷

的变形和受力两部分组成，通过测变形板上的电容变化和测力板上惠斯登电桥中的电阻变化，得到模型护舷的变形和受力值，从而得到码头模型受撞击的能量。

2.1船舶撞击力的变化规律

通过对比分析不同工况下撞击护舷传感器所采集的撞击历时曲线，找出涌浪作用下船舶撞击力的共性，并绘制出随着涌浪传播高桩码头船舶撞击力的变化过程(如图5所示)，图6为涌浪作用下滑坡体对岸高桩码头船舶撞击力历时曲线。

从图5可以看出，撞击力测量值均为脉冲值，且船艏、船艉测点撞击力的首个脉冲值均为最大值。随着时间的推移和涌浪的衰减，脉冲值逐渐减小，船艏、尾撞击力变化规律基本一致。由于传感器为悬臂梁且为弹性体，因此在恢复过程中会出现负值，在分析过程中将正值的最大值作为撞击力的最大值。

从图6可以看出，同岸码头船舶撞击力的测量值也为脉冲值，但首个最大撞击力出现在多个震荡周期之后，且反复出现最大值，船艏和船艉测点的变化规律基本一致。由此表明滑坡体滑入水后产生的初始涌浪对同岸码头船舶最大撞击力的影响较小，而涌浪经过反射和叠加所造成的影响要更大。造成这种现象的原因是涌浪经过反射叠加后对同岸码头系泊船舶的作用角度要大于初始涌浪对船舶的作用角度。

图5　对岸码头船舶撞击力历时曲线Fig.5　Duration curve of ship′s impact force in the opposite bank

图6　同岸码头船舶撞击力历时曲线Fig.6　Duration curve of ship′s impact force in the same bank

2.2船舶撞击力影响因素分析

船舶撞击作用的影响因素众多，比如船舶的类型、撞击角度、碰撞概率、航道水深、流速以及撞击稳定性等。本文主要探讨涌浪传播对库岸系泊船舶的影响。

2.2.1撞击力随初始波高的变化规律

在滑坡涌浪作用下船舶对高桩码头撞击力的影响因素之中，涌浪传递到码头前的初始波高是个非常重要的参数。根据模型比尺，选取模型初始浪高范围在1.2～20 cm，对应的原型初始浪高在0.84～14 m的20组工况，将试验测得的船舶撞击力随初始波高的变化情况绘制如图7所示。

从图7可以看出，无论是对岸码头还是同岸码头，船舶撞击力的总体变化趋势是随着初始波高的增大而增大，但且船艏、尾撞击力的变化基本一致。由此可见，初始波高的大小对船舶撞击力起着十分重要的作用。

图7　船舶撞击力随初始波高变化图Fig.7　Chart of impact force with the wave height

2.2.2撞击力随水深的变化规律

考虑到三峡水库运行期间库区水位在145～175 m变动，因此在其他条件相同的情况下，选取试验水深为74、88、102、116 cm四组工况分别模拟三峡水库实际运行水位在145、155、165、175 m四种水深下涌浪对船舶撞击力的影响，船舶最大撞击力随水深的变化曲线如图8所示。

图8　船舶撞击力随水深变化图Fig.8　The chart of impact force with water depth

从图8中可以看出，无论同岸码头还是对岸码头，在三峡库区正常运行的情况下，船舶撞击力随水深的变化不是很明显，水位的涨落对涌浪作用下船舶撞击力的影响较小。

2.2.3不同部位撞击力的对比分析

通过对所有试验工况下船舶撞击力的统计分析，并通过比尺反算，得到滑坡涌浪作用下系泊船舶对高桩码头撞击力的统计值，见表2。

通过表2的统计结果可知，系泊船舶船首和船艉撞击力的大小相差不大，船艏撞击力略大于船艉撞击力，这说明在涌浪和系缆绳拉拽的共同作用下，系泊船舶船艏和船艉对码头的撞击力基本一致。对比同岸码头与对岸码头船舶撞击力的大小发现，滑坡体对岸码头船舶的撞击力远大于同岸码头船舶的撞击力，同岸码头船舶撞击力约为对岸码头撞击力的60%，这是由于涌浪对系泊船舶作用的角度不同，对岸码头涌浪的入射角度接近90°，而涌浪在沿同岸传播时受到的阻挡作用要更强。因此，在距滑坡体入水点相同距离的情况下，涌浪对对岸码头船舶撞击力的影响更大。

表2 　系泊船舶撞击力统计表

3船舶最大撞击力的分析计算

3.1船舶撞击力的理论计算方法

目前，船舶撞击力的计算理论主要有3种[4]：动量理论、振动理论、动能理论。动量理论即根据刚体碰撞时动量的变化等于冲量的原理来计算船舶撞击力，其存在的主要问题是：实际船舶与码头间的碰撞并非理想刚体碰撞，无论船舶还是码头都会在撞击过程中出现塑性变形，吸收部分能量；振动理论是依据船舶与码头碰撞过程中发生单振或复振原理计算船舶撞击力，其理论比较完善，但计算过程十分繁琐，且有些参数难以确定，因此动量理论与振动理论在具体操作时的限制因素较多，所以未被广泛运用。《规范》采用动能理论来计算船舶撞击力，即船舶撞击码头时产生的有效撞击能量，通过护舷、码头和船舶的变形全部转化为外力做功。

3.2涌浪作用下船舶最大有效撞击能

滑坡体入水后，将产生向前的入射冲击波，当入射冲击波到达码头附近时，对系泊船舶产生较大作用，船舶将撞向码头护舷，当护舷被压缩变形至最大时，撞击力达到最大值。在护舷反作用力作用下，船舶将向码头相反方向运动，当运动一定距离后，缆绳迅速拉紧，此时船舶系缆力达到最大值。随后，船舶在后续冲击波作用下再一次撞击护舷，如此往复，对码头造成连续伤害。从试验结果来看，涌浪传递至码头前沿时的初始浪高造成的船舶撞击力最大，对码头危害最深，因此本文在固定船型参数的情况下将初始浪高作为决定船舶最大撞击力的一个重要因素。

《规范》给出了横浪作用下系泊船舶有效撞击能的计算公式：

(1)

(2)

式中：Ewo为横浪作用下系泊船舶的有效撞击能，kJ；k为偏心撞击能量折减系数，满载情况下取0.94，半载及压载情况下取值相对小些；Cm为船舶附加水体影响系数；m为船舶质量，t，按与船舶计算装载度相应的排水量计算；VB为系泊船舶在横浪作用下的法向撞击速度，m/s；H为计算波高，m；T为波浪平均周期，s；L为波长，m；B为船宽，m；D0为船舶满载吃水，m；D为与船舶装载度相对应的平均吃水，m；α、β、γ为码头结构影响系数，由于高桩码头透水性强，波浪不发生反射，参照以往经验影响系数分别取0.3、1.35、1.0。

由水波动力学可知，当行波按有限水深行波考虑时：

(3)

根据三峡库区实际情况和试验结果来看，库区水深h与涌浪产生的行进波波长L的关系为：h/L>1，因此可将涌浪行进波按深水行进波考虑，可令kh=2πh/L>2π，于是有：

(4)

(5)

则

(6)

将式(2)、(3)、(6)代入式(1)，整理得

(7)

式中α1取0.006 8。

将式(7)中的波要素分别按涌浪传递至码头前沿处的初始波高H0与初始波长L0考虑，则滑坡涌浪作用下高桩码头船舶最大有效撞击能为

(8)

考虑到滑坡涌浪沿程衰减规律为先急剧衰减后缓慢衰减[6-7]，因此当码头与滑坡体间的距离较远时，式(8)中的波高与波长可按沿程涌浪波高H1和波长L1计算。

通过试验可知，当三峡水库正常运行时，库区码头前沿水深h的变化将不会引起船舶撞击力的改变，且库区船舶的吃水深度要远小于码头前沿水深。2010年之前的《规范》在计算船舶撞击力时将D0/D项用h/D来代替，导致h/D量级过大，夸大了水深对于船舶撞击力的影响，因此不适宜在库区船舶撞击力的计算中使用。

3.3涌浪作用下船舶附加水体质量系数

(9)

由于Cm值总是大于1.0的，通过对试验结果进行拟合，得到滑坡涌浪作用下系泊船舶附加水体质量系数的估算公式为

(10)

式中：H为码头前沿沿程波高；h为码头前沿水深；D为船舶吃水；αm、βm为码头结构形式影响系数，本文采用高桩直立式码头，αm=0.96，βm=0.25。码头前船舶附加水体质量系数的拟合结果见图9，相关系数R=0.98。

图9　 附加水体质量系数拟合结果Fig.9　Regressive values of added mass coefficients

3.4涌浪作用下高桩码头船舶撞击能的计算比较

前面通过分析推导得到了滑坡涌浪作用下三峡库区高桩码头船舶最大撞击能的计算公式，为了验证其计算结果是否合理，现利用胡小卫等人[13]的试验数据对本文公式(8)、《规范》公式的计算结果进行对比分析。图10为对岸码头与同岸码头各公式的计算结果与试验数据的对比图。

从图10中可以看出，本文公式对对岸码头船舶撞击能的计算结果与实测数据基本吻合，对同岸码头船舶撞击能的计算结果稍稍偏大，可在计算结果后面乘上一个系数η，η取0.91。而《规范》公式计算的结果整体偏小，不利于工程安全。因此本文公式(8)在计算三峡库区滑坡涌浪作用下系泊船舶对高桩码头的最大撞击力时更为可靠，有利于库区码头的安全稳定。

图10　 船舶撞击能计算结果比较Fig.10　Comparison of ship impact energy in different methods

4结论

1)在涌浪作用下，系泊船舶对位于滑坡体对岸码头的最大撞击力接近滑坡体同岸码头所受最大撞击力的两倍。且对岸码头船舶撞击力随时间急剧衰减，而同岸码头船舶撞击力则在一段时间内最大值出现反复震荡。

2)系泊船舶对高桩码头的撞击力受滑坡涌浪初始波高的影响强烈，并随初始波高的增大而增大；但受库区水深影响很小，在三峡库区水深范围内，水深对码头撞击力的影响可以忽略不计。

3)由于内河航道受风浪、潮汐影响较小，水面平静，几乎没有波浪产生。因此按《规范》计算库区码头在设计使用年限内可能遭遇的船舶最大撞击力时，忽略了滑坡涌浪可能引起的系泊船舶与码头间的剧烈碰撞，导致计算结果偏小，码头结构有可能因设计强度不足而遭到破坏。

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本文引用格式：

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收稿日期：2015-03-11.

基金项目：国家自然科学基金项目(51479015)；西部交通建设科技项目(20113288141160).

作者简介：王平义(1964-)，男，教授，博士生导师; 韩林峰(1988-)，男，博士研究生. 通信作者：韩林峰，E-mail: linfengyue@126.com.

DOI:10.11990/jheu.201503032

中图分类号：U656.1

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)06-0878-07

Effects of landslide generated impulse waves on ship impact force for pile wharf

WANG Pingyi1, HAN Linfeng1, YU Tao1, MENG Caixia2

(1. National Engineering Technology Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China; 2. Co-established by Province and Ministry Key Laboratory of Water Conservancy and Transport Engineering of Education Ministry, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract：As the main secondary result of reservoir bank landslides, surges pose enormous potential risk to wharves, ships, and hydraulic structures in the Three Gorges Reservoir (TGR) area. The high-pile wharf is currently one of the most common wharf structures in TGR. Ship impact has a significant effect on the stability and safety of working wharves. Using flume model experiments, the landslide surge impact force between ships and wharves in the TGR was studied. The results show that the maximum impact force correlates to the height of the leading wave and the added water mass coefficient, but is not correlated to the water depth. The ship impact forces computed by the "Lode Code for Harbor Engineering" are smaller than the experimental values and therefore are unsuitable for safe wharf design. Combined with relevant experimental data, this paper proposes an equation for landslide surge impact force between ships and high-pile wharves.

Keywords：landslide generated surges; Three Gorges Reservoir; pile wharf; ship impact force; added mass coefficient

网络出版日期：2016-04-21.