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滑坡涌浪影响下船舶安全锚泊范围试验研究

文档作者：许海勇2 王平义喻涛2 文档来源： 1．重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心 2．重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室		点击数：	更新时间： 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 长 江
Yangtze River
Ve1．46．No．15
Aug．， 2015
文章编号：1001—4179(2015)15—0078—04
滑坡涌浪影响下船舶安全锚泊范围试验研究
许海勇 2，王平义 ，喻 涛 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．重庆交通大学水利水运工程教育
部重点实验室，重庆400074)
摘要：由于水库蓄水水位的变化，库区时常发生山体滑坡，滑坡涌浪作用于锚泊船舶时可能会使船舶的锚链拉
断，造成较大灾害。为研究滑坡涌浪传播特性和降低涌浪对船舶造成的损害，通过岩体滑坡涌浪概化模型试
验，并基于多元线性回归分析方法，得到了首浪高度、涌浪高度衰减系数和最大锚链拉力的经验公式，进而推
导出静水中船舶安全锚泊限制范围的计算公式。上述公式的确定，可为制定滑坡地点附近锚泊船舶的安全避
险措施和预测滑坡涌浪产生的破坏范围提供依据。
关键词：滑坡涌浪；首浪高度；衰减系数；锚链拉力；锚泊限制范围
中图法分类号：P642 文献标志码：A DoI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．15．019
三峡库区航道中，由于航道等级的提升，船舶数量
的不断增大，锚泊状态下的船舶也较为常见。若库区
潜在的滑坡一旦失稳，其涌浪产生的推力可能会使锚
泊的船泊锚链绷断，致使船舶失稳，从而造成生命财产
损失。为了降低滑坡涌浪对锚泊船舶的损害并寻求相
应的预防措施，需要研究滑坡涌浪的形成与传播机理
和影响锚链拉力大小的因素，从而确定船舶安全锚泊
的限制范围。
在滑坡涌浪模型试验方面，Rudy Slingerland和
Barry Voiglrt⋯ (1979)基于模型试验，得出了最大涌浪
高度与无量纲动能之间的经验公式。H．M．Fritz等
(2003)通过三维物理试验，考虑了不同特征参数对涌
浪的影响，分析了涌浪引起的流场特点。陶孝锉
(1994)、余仁福 (1995)基于试验讨论了不同入江滑
坡体积时涌浪高度与滑速的关系。在船舶锚泊系统的
研究方面，国内外学者主要采用理论分析和经验分析
的方法开展锚链受力的分析计算 ，物理模型试验
的研究相对较少，在对锚链进行受力分析计算时，研究
人员对涌浪作用下锚泊系统的受力分析研究也较少。
实际上，内河航道中锚泊船舶在风、浪、流的作用下时
常会出现锚链断裂而失去控制的情况。尤其是当库区
发生滑坡时，其涌浪传播范围较广，危害性较大，对锚
泊船舶的安全造成了很大威胁。基于此，本文通过概
化模型试验，分析滑坡涌浪的特征，并对锚泊船舶的锚
链拉力与涌浪传播距离之间的关系进行研究。
1 模型试验
1．1 模型设计
试验模拟万州江南沱口码头河段，模型概化成
90。弯曲河道，模型几何比尺为1：70，最终将模型概化
为总长52 m、宽8 m的弯曲河道。采用散体模拟滑坡
体，用砂浆和石子混合制成大小不同的5种矩形块体，
保证密度相似，并通过块体不同的排列组合堆放方式
模拟滑体的离散程度和裂隙发育程度。滑槽采用铁质
材料，底部铁板模拟滑面。滑槽长度为2 m，两侧为可
变宽度挡板，可变范围为0．5～1．5 133。试验船型选择
收稿日期：2015—04—29
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)；重庆市科技公关项目
(CSTS2009AC6045)
作者简介：许海勇，男，硕士研究生，研究方向为滑坡涌浪和航道治理。E—mail：xuhiyong@ 163．tom
通讯作者：王平义，男，教授，研究方向为港口及航道工程和航道整治理论及技术。E—mail：PY—wang@163．tom
第15期 许海勇，筝：滑坡涌溃影响下船舶宴全错泊范围试验研究 70
3 000 t甲板驳船，按照1：70的比尺进行船模设计，并
考虑满载情况。根据涌浪测量方案以及依托工程弯曲
河道模型的特点，分别在滑坡入水点附近、河道远端和
弯道处布设锚泊船舶，距滑坡入水点的距离分别为5，
18 in和9 m，如图1所示。
图1 锚泊船舶平面布置示意
采用定位锚泊系统，双侧锚泊方式，首尾各两根共
4根锚链，如图2所示。模拟原型船舶锚链直径为40
mm，船舶锚链长度考虑较不利状态下的系泊方式，取
为2．5倍的水深。
图2 锚链布置示意
1．2 试验工况设计
三峡水库3个运行水位分别为正常蓄水位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为93．55 m，根据模型
1：70的几何比尺，设计的试验水深为1．16，0．74 m和
0．88 m。通过对库区滑坡区的资料统计，滑面倾角选
取20。，4O。和6O。。通过对库区滑坡体宽度、厚度等尺
寸资料的收集，试验选用固定长度为1 m，宽度为0．5，
1 m和1．5 m，厚度0．2，0．4 m和0．6 m共9组块体方
案。这样试验共选用3个水深、3个坡度和9个块体
体积，一共81组工况。
1．3 试验量测系统
采用重庆西南水运工程科学研究所自主研发的超
声波浪采集分析仪采集不同区域的波高数据和周期数
据，采集时间为200 s，采集频率为50 Hz。锚链拉力由
拉力传感器测得，型号为CYG1145T，测量范围为6
kPa，精度为0．5级。
2 成果分析
2．1 首浪高度公式
通过对影响首浪高度参数的无量纲化和多元线性
回归分析，发现滑坡的宽度W、厚度t、滑面角度 及
库区水深h为主要影响因素。对初始浪高日酋 及其
￡r ．
影响参数进行无量纲化处理后，分别得出 、一h、一
t
W
和 。采用多元线性回归的方法，得出相关性较好(r
=0．95)的首浪高度经验计算公式为
TAr ，
： 0．21( ) ( ) 。 (1)
W W
2．2 沿程波高衰减系数公式
滑坡发生后，水面急剧波动，初始涌浪迅速向外传
播，沿程涌浪的波高随着传播距离的增加而逐渐减小，
当传播达到一定距离时，波高衰减逐渐减缓，这与理论
分析中涌浪传播的急剧衰减和缓慢衰减过程相符。相
同距离情况下，滑坡体宽度范围内直道的波高衰减最
慢，滑坡宽度范围外直道次之，弯道波高的衰减最大。
因此，通过对弯曲河段波高等值线图的分析，将沿程涌
浪的波高衰减分为4个区域，即：滑坡体宽度范围内衰
减区域(B)、滑坡体宽度范围外直道衰减区域(A)、弯
道衰减区域(C)、过弯后衰减区域(D)，如图3所示。
图3 弯曲河道波高衰减区域
本文研究滑坡涌浪作用下船舶安全锚泊的限制范
围，只探究滑坡体宽度范围外直道衰减区域(A)的沿
程涌浪波高衰减规律。考虑这个区域内影响沿程涌浪
波高的主要参数：初始浪高日首浪、涌浪传播距离￡和
水深h。通过对参数的无量纲化并采用多元回归分析
方法，得出相关性较好(r =0．95)的沿程波高衰减系
数 的计算公式为
U
K =2．234(竿) 删(孚) ·" (2) ／
7, 见
式中，K =H ／H酋浪，H 为沿程波高。
2．3 最大锚链拉力公式
当滑坡涌浪传播到河道远端时，锚泊船舶会产生
80 人 民 长 江
偏荡，如图4所示。此时锚链作用于船体的力，不仅时
时变化，而且会出现脉冲力。当偏移量达到锚链总长
度时，一侧锚链迅速处于拉紧状态，船舶由于受到锚链
力的作用，向反向偏移，在双侧锚泊方式下，另一侧锚
链在偏移量达到锚链总长度时，也迅速处于拉紧状态。
在涌浪和锚链共同作用下，船舶不断发生偏移往复运
动，当锚链拉力达到锚链额定值时，锚链绷断，船舶出
现险情。
射确
— ＼
7号
画 水点
图4 远端河道涌浪入射示意
对测得的锚链最大拉力和锚泊船舶处的沿程波高
进行统计，发现船首处7号测点的拉力值大于船尾的
8号测点，船首处锚链最先拉断。通过对影响锚链最
大拉力参数的无量纲处理和多元回归分析，发现水深
h、波浪周期 、沿程波高 、船舶型宽B、船舶吃水
D、船舶纵摇周期 为锚链拉力F的主要影响因素。
对参数进行无量纲处理后可得
= 鲁，鲁，詈， ㈩
式中，P为水的密度，取为1 000 kg／m。。
将相关试验资料及测量数据进行多元回归分析，
可得出相关性较好(r =0．95)的滑坡远端河道锚链
最大拉力F的计算公式为
F=996．87 7p (等 。90啪(鲁 84087×
( )∽ ( )-1．53317 (4)
2．4 静水中船舶安全锚泊限制范围公式
目前对滑坡涌浪作用下船舶安全锚泊限制范围的
确定并没有相应的研究，本文通过远端河道锚泊船舶
的最大锚链拉力值计算公式进行推求。由沿程波高衰
减系数K 计算公式(2)可得
234(竽 ‘Ⅲ( (5)
将首浪日首浪计算公式(1)带人公式(5)可得
等=8_020 06(h ) 228 (吉凡 )’。5㈣(鲁凡 ) l3 。卢 。。63o6
(6)
将公式(6)带人锚链最大拉力计算公式(4)司得
F=18 007．19l33P (告 ×
(古)。。 。( n ) ·584 (旱／1, 87×
( 啪 ( )-1 533 17／3。。。⋯ (7)
由公式(7)导出的涌浪传播距离公式为
=485．489 4 (、 F 。l2(、 告 ㈣6 x
(古)-0．45 8(旱t )-1．126 2( 凡 。56 3 x
( )。。。％ 卢 ¨ (8)
· 将公式(8)中的锚链最大拉力 取为锚链拉力的
额定值F 可得
⋯ -485·4894 ( )0 ×
( )t·嗍 ( )m s s(_B) ×
( 56 ( 5 (9)
此次物理模型试验因为条件限制，未考虑波向、船
舶载重等因素，因此，结合本次试验中锚链出现拉断情
况的4组工况综合考虑，可将公式(9)修改为
Lma ) ×
( ) s ( )m s s(导)⋯z z×
( 56 ( (10)
式中，A取为569．356 2。公式(10)即为船舶安全锚
泊限制范围 ⋯ 的计算公式。
在静水条件下，滑坡点上游和下游的 ⋯ 相同，即
从滑坡点起算，上游和下游 ⋯ 距离以外，是船舶的安
全锚泊范围。
3 结论
本次试验模拟万州沱口码头段岩体滑坡涌浪特性
及其对船舶锚泊的影响，运用多元线性回归分析得出
了首浪计算公式、涌浪波高沿程衰减系数公式，并创造
性地推导出锚链最大拉力公式和滑坡涌浪传播过程中
船舶安全锚泊限制范围公式。
由于试验条件限制，并没有研究波浪与水流相互
作用下的船舶安全锚泊限制范围，因此在波流场中使
用此公式时需要根据流速和波高的变化对A值进行
修正。此外，本次试验模拟万州沱口码头段岩体滑坡
第15期 许海勇，等：滑坡涌浪影响下船舶安全锚泊范围试验研究 81
涌浪，可为该河段船舶避险措施的制定提供依据，但对
其他区域河段是否适用还有待进一步验证。
参考文献：
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2001．
(编辑：徐诗银)
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页)
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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