内河河道船行波浅析

2013年3月（上）[摘要]本文介绍了国内外典型的有关船行波计算公式和试验研究成果，分析合适上海内河河道船行波及其爬高的计算方法，并通过工程实例说明公式选用的合理性和可靠性。[关键词]内河；船行波；浅析内河河道船行波浅析马珺1黄晓滨1肖志乔2（1.上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海市，200050；2.上海市水利工程设计研究院，上海市200061）船行波是船舶在河道中航行时所激起的一种水面波动，其起因有别于风浪，当船速较高，渠道断面较小时，对于堤坡，能起剧烈的淘刷作用。在船首产生的水位突然下降，会在河岸引起剩余孔隙水压力，从而增大岸坡表面冲刷，甚至引起大面积的边坡滑塌，造成严重的水土流失。因此，在内河航道特别是水深较浅，额定较大船速较高，船舶往来频繁，两岸土地珍贵的河网中，必需采取适当的护坡措施，以抵御上述各种因素特别是船行波的冲蚀作用，确保航运畅通。1船行波引起河道边坡冲刷的机理船舶航行时，船头的水位上升，船通过后急剧下降至低水位。船尾水面相应地急剧上升后随之降回到原来水位。在船前浪与船尾浪之间，水位的还原是与船舶行驶方向相反的逆向流动所引起的。船尾横浪是凭借船舶行驶时引起了沿河岸向前、向上流的斜面补给水流实现的。船舶通航引起的这些横浪和水流能引起河道边坡严重冲刷。当船舶航速比较高时，船尾横浪可能破碎，所产生的紊流将增大斜面补给流的潜在冲刷能力。当岸坡护面块体单个铺设无任何连接，其破坏力主要是上举力。当上举力超过单独块体的重量和各方的摩阻力，一个或多个块体被举起，脱离护面层沿岸坡隆起进而下滑或被波浪冲向上部，继而在外部荷载作用下整个建筑物遭受破坏。另外，应用块体护面的岸坡，当其堤心层与护面层两者交接面上的水力梯度超过允许临界值，亦可能遭受破坏。破坏机理是堤心层上粒径细小土壤渗过土工布沿着岸坡向坡脚移动，同时沿着块体交接孔隙处渗出。2现有船行波的理论船行波是设计航道护岸工程的重要依据，它与通航船舶的类型、尺度、航道断面尺度、水深，特别是与航速有着密切的关系。在航道护岸工程设计中，如何预测船行波波高，是人们关心并从事研究的课题。国内外学者对不同吨位和不同类型船或船队的船行波进行了大量的室内试验、现场观测和理论研究，推荐了预测船行波波高的计算公式。图1显示船舶通航引起水流流动的各组成部分。图1在航道中航行的船舶引起的水体的流动（根据PLANC,1987）2.1船行波波高计算公式1）原苏联学者包瑞奇公式，根据实船试验和室内模型试验得出：当V＝10～20km/h时，靠近岸坡处最大波高为：Hm=V22g（0.65+3.2bTB0d）21+0.73LB姨-0.027（1+0.73LB姨1.37B-L4姨）蓘蓡1）式中：L———船长（m），b———船舶中剖面的船宽（m），T———船舶满载吃水（m），B———水面宽度（m），B0———当船舶沿河道轴线航行时，B0为在船舶吃水处的河宽，否则为自船轴至欲确定波高一岸的水边线距离的两倍，d———航道水深（m）。2）原苏联学者库斯科公式，根据运河的实船试验得出Hm=0.05520B'姨RV姨2g2）式中：B'———船舶离岸距离（m），R———抛物线形船舶的兴波阻力，按茹可夫斯基公式确定：其中R=24ρD2V2dL3K，式中：D———船舶排水量（m3），d———航道水深（m），K=Vgd姨。3）原苏联向金公式，根据水力学理论和实船资料推导：当VVkp=gd姨，n4时，Hm=2+BL姨1+BL姨3.1n姨V22g3）式中：n=Ω，断面系数Ω；———运河的过水断面（m2）；———船舶中剖面水下部分的断面（ｍ２）。4）原苏联柏拉宁和泊可夫在1965年及歌士坦在1967年，基于运河设计要求，提出了最大波高值：Hm=2.5V22g1-（1-14.2+n姨）（n+1n）2蓘蓡2+BL姨1+BL姨杉删山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫4）该式考虑了航速、船长、运河水面宽，但没考虑水深及船壳外形因素。5）Glkhsteyn和美国陆军工程团水道试验道（1980）Hm=0.0448V2（dL）0.5（1-1n）-2..55）6）原苏联水工建筑物荷载规范Hm=2Vck2gδTL姨6）其中Vck=0.96cosπ+arccos（1+Ka）3-2（1-Ka）蓘蓡gAB'姨式中：Vck———容许船舶的流速（m/s）；δ———船舶排水量肥脊系数；Ka———船舶水下中横截面面积与航道过水断面面积之比，即Ka=A；B'———以水边线确定的航道宽度（m）。7）原苏联规范Hm=2.5exp（-gD4Vck2）V2ckgδTL姨7）8）荷兰Delft水工试验所泼莱（Blaauw，1984）和弗厄（Verhey，1990）在船模资料和原体实测资料分析的基础上提出了以下计算公式Hm=αd（xd）-0..33（Vmgd姨）2...678）式中：x———船舷到河道岸边的距离（m）；α———船型修正系数。巡逻艇、满载内河马达船取1.0；欧洲空载货驳取0.5；空载马达船和拖牵轮0.35。9）国际航运协会常设技术委员会秘书处（PLANC，1987）57号20PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建［参考文献］[1]潘宝雄,蒋宗燕.船行波问题的研究综述[J].河港工程,2001.[2]周家宝,陈文辽.船行波与河岸护坡工程的综述[J].江苏交通工程,1996.公告建议的最大波高值计算式Hm=d（xd）-0.33（Vmgd姨）49）综上所述，影响船行波波要素主要因素是船舶的航速，其次是船型、航道断面系数、航道水深等。10）南科院、江苏交规院合作现场测试和室内船模试验，其研究成果符合Delft公式8）。苏北和苏南两河段实测数据及苏南运河500t级船舶试航测试数据和计算数值比较见下表。实测值和计算值比较表2.2爬高计算公式船行波爬高值主要取决于船行波波要素（波高、波周期）、航道坡脚处水深、护坡面的结构型式糙率透性以及河床几何尺度等。PLANC与荷兰Delft水工研究所建议的光滑不透水单坡上的爬高计算公式RuH（cosβ）0.5=1.8~2.25蓸蔀ε，ε=tanαHL姨K△。式中：β———船行波入射角，即船行波与岸边夹角；K△———护面糙渗系数，沥青、混凝土光滑面取1.0，混凝土方块、土工布层沥青块石取0.95，沥青块石取0.90，粗糙透水块石取0.80，砂砾、箩筐、柴排取0.70，碎石取0.60。2.3下滚深度计算自静水位算起，船行波沿垂线方向的下滚深度R下可按下式计算。船行波下滚深度：R下=1.8β1ΩB式中：β1———与河道断面系数有关的系数，当1/n=0.1时，β1=0.175，当1/n=0.15时，β1=0.185，当1/n=0.2~0.3时，β1=0.19；Ω———河道的过水断面面积；B———河道的宽度。3工程实例由于上述公式大多为经验公式，在没有试验的基础上，很难定夺哪个式子适合上海地区。南科院、江苏交规院合作现场测试和室内船模试验，其研究成果符合Delft公式8），上海地区与苏南地区河道环境比较接近，可采用公式8）。根据上海市某河道的规模及横断面设计，对照《内河通航标准》，分别按照最高、最低通航水位计算船行波的各项数值，经计算本工程在最高▽通航水位2.60m时船行波在护坡上的爬高为0.27加上安全超高0.20m，▽船行波在护坡上的影响标高上限为3.07在最低▽通航水位2.00m时船行波在护坡上的回落为0.25m，则船行波在护坡上的影响标▽高下限为1.75m▽。由此确定船行波的影响范围为标高3.07～1.75m。▽根据上述计算结果，河道护砌范围为高程3.10～1.70m。该工程于2006年完工，经过了5年的考验，目前护岸岸坡稳定，说明船行波计算结果合理可信。4结语本文搜集了前苏联、荷兰、美国和中国等国在船行波、波浪爬高等方面的计算方法、计算公式和研究成果。在此基础上，分析了适合上海内河河道船行波及其爬高的计算公式，可供运河和内河水道河岸岸坡防护设计人员借鉴参考。珺作者简介：马，女，1973年生，本科学历，经济学学士，上海人，毕业学校是南京政治学院上海分院，经济管理专业，西南交大，土木工程及项目管理专业在读。（上接第8页）2）热聚合时间对中间相碳微球的光学性能影响很大。在偏光显微镜下观察到的MCMB，随着时间的延长，中间相碳微球也伴随着小球的成核，生长，融并以及再分裂成小球的过程。实验中380℃恒温5h所得到的MCMB在粒径以及收率方面明显优于恒温3h。3）热聚合温度越高，则沥青质的软化程度越好，沥青颗粒容易相互粘连。高温下搅拌加速了沥青分子的热分解与热聚合，使得所得到的MCMB球径分布更小，表面更加光滑。中图分类号：TQ127.1文献标志码：A作者简历：李春艳，女，1989年生，湖南娄底人，长沙理工大学10级硕士研究生，研究方向为中间相碳微球。［参考文献］[1]党阿磊,李铁虎等.煤沥青的最新研究进展[J].炭素技术,2011.[2]程有亮,李铁虎等.硅油-煤沥青乳液制备中间相碳微球[J].材料工程,2010.[3]李克键.中间相沥青的研究与利用[J].科技风,2008.[4]沈曾民.新型碳材料[J].新型材料,2004.[5]李同起,王成扬.中间相碳微球研究进展[J].炭素技术,2002.[6]柯余良.新型中间相碳微球的制备及表征[J].煤炭转化,2009.[7]高长超,李铁虎等.中间相炭微球的研究进展[J].碳素技术,2004.[8]李同起,王成扬.炭质中间相形成机理研究[J].新型炭材料,2003.[9]方长青.添加剂对中间相沥青炭微球形成的影响[J].结构功能材料,2006.科技前沿21PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建内河河道船行波浅析作者：马珺，黄晓滨，肖志乔作者单位：马珺,黄晓滨(上海市堤防泵闸设施管理处,上海市,200050)，肖志乔(上海市水利工程设计研究院,上海市200061)刊名：科技风英文刊名：TechnologyWind年，卷(期)：2013(5)参考文献(2条)1.潘宝雄;蒋宗燕船行波问题的研究综述20012.周家宝;陈文辽船行波与河岸护坡工程的综述1996引用本文格式：马珺.黄晓滨.肖志乔内河河道船行波浅析[期刊论文]-科技风2013(5)