張曉瑩，扈 喆，林國珍，羅春蓮

（集美大學(xué) 福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021）

0 引 言

竹排又稱竹筏或排筏，用竹材捆扎而成，是有溪水的山區(qū)和水鄉(xiāng)常用的傳統(tǒng)水上交通工具，在旅游業(yè)中得到大量使用。

與景區(qū)竹排被大量使用形成對比，目前有關(guān)竹排的檢測方法和安全性保證措施的研究相對滯后，尚無權(quán)威的安全性標(biāo)準(zhǔn)或指南，竹排安全事故頻發(fā)，給水上游客的安全帶來巨大隱患。對近年主要景區(qū)竹排安全事故統(tǒng)計(jì)后可知，竹排側(cè)翻為主要的事故類型。

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前景區(qū)竹排游覽項(xiàng)目普遍存在以下問題：在竹排設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)缺少安全性論證；竹排建造過程中缺乏具有資質(zhì)的安全性評估；竹排營運(yùn)過程缺乏科學(xué)的指南規(guī)程。為解決這些問題，已有地方政府組織研究出臺適應(yīng)當(dāng)?shù)厮颦h(huán)境特點(diǎn)的竹排相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1]，然而此類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范具有較強(qiáng)的地方性，對不同水域環(huán)境和不同竹排形式的適用性較差。因此景區(qū)在發(fā)展竹排項(xiàng)目時(shí)，有必要針對景區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)及預(yù)定竹排形式做全面的安全性評估。

本文以某景區(qū)大型竹排為例，分析計(jì)算其抗側(cè)翻性能。基于《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[2]分析校核竹排的穩(wěn)性，采用三維勢流理論研究竹排在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析竹排在人員集中到一側(cè)的極端情況下的安全性。針對該竹排的不安全因素，提出若干整改措施，并進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

1 待評估景區(qū)竹排概述

待評估竹排的使用區(qū)域?yàn)槟成絽^(qū)水庫景區(qū)，最大水深約為30m。水庫常年風(fēng)平浪靜，根據(jù)其管理處管理人員多年來的觀測，在常態(tài)下水庫波浪浪高較小，基本在 0.1m以下。在大風(fēng)天氣下景區(qū)將關(guān)閉竹排觀光項(xiàng)目。為方便加工和提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，竹排主體材料采用厚壁PVC管，而非竹子。竹排排體由PVC管、上層涼棚、竹制座椅、木質(zhì)甲板、涼棚支撐件（方管）、推進(jìn)設(shè)備和PVC管連接件（槽鋼、方管、螺栓、鋼釘及鋼片）等部件組成。某景區(qū)觀光竹排實(shí)圖見圖1。

圖1所示的竹排總長13m，寬5m，高（至棚頂）約3.02m，遮陽篷位于排筏上表面1.9m高度處，滿載60人。參考現(xiàn)有竹排安全事故記錄，該竹排相對安全的因素為所在水域水流較為平緩；其不安全因素在于載客量較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出表1中竹排的載客量。

2 側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)評估方法

易導(dǎo)致竹排側(cè)翻的因素主要包括竹排自身的穩(wěn)性及竹排遭遇波浪之后的耐波性。此外，該竹排載客量較大，在某些突發(fā)情況下乘客集中于一側(cè)的危險(xiǎn)需要考慮。選取空載和滿載（載客60人）2種載況進(jìn)行評估，竹排在2種載況下的重量分別為3284.40kg和7484.40kg。

2.1 穩(wěn)性評估方法

采用Patran_pre建立模型，在DNV.SESAM中計(jì)算竹排的初穩(wěn)性，并采用《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2016）校核竹排的穩(wěn)性。由于竹排為扁平結(jié)構(gòu)且無分艙，因此僅計(jì)算其完整穩(wěn)性，無須考慮大傾角和破艙穩(wěn)性。該竹排的工作水域?yàn)樗嫫届o的水庫水域，屬于C級航區(qū)，其穩(wěn)性應(yīng)同時(shí)滿足

式(1)～式(3)中：M1為旅客集中一舷傾側(cè)力矩；M2為風(fēng)壓傾側(cè)力矩；M3為M1與M2中取大者；Δ為裝載工況下的排水量；GM為裝載工況下考慮自由液面修正的初穩(wěn)性高；K為系數(shù)，載客船舶取0.86；F為裝載工況下沿船長方向的最小干舷；B為型寬；d為裝載工況下型吃水。各項(xiàng)具體計(jì)算方法詳見相關(guān)條款。

2.2 耐波性評估方法

采用三維頻域勢流理論計(jì)算竹排在波浪中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。采用Patran_pre建模，PVC管和甲板采用shell單元，棚子支架采用beam單元，船上設(shè)備、驅(qū)動(dòng)設(shè)備和竹椅采用方形實(shí)心截面beam單元并調(diào)整重量，人員采用point單元并附集中質(zhì)量。竹排模型示意見圖2。生成濕表面模型及質(zhì)量模型之后導(dǎo)入到 DNV.SESAM 中，采用HydroD的WADAM模塊計(jì)算竹排運(yùn)動(dòng)頻域響應(yīng)。

圖2 竹排模型示意

根據(jù)景區(qū)水庫管理人員的觀測，浪高通常在0.1 m以下。保守考慮，取浪高為0.15 m，即波幅為0.075 m，具體計(jì)算工況參數(shù)見表1。在分析過程中：取浪向?yàn)?°～180°，間隔15°；取波浪周期范圍為1～20 s，間隔1 s。

表1 計(jì)算工況參數(shù)

圖3為竹排計(jì)算點(diǎn)編號示意，選取竹排上4處“危險(xiǎn)”位置，分析其運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度等信息，判斷該處人員被甩出甲板的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]波浪和風(fēng)傾力矩造成的干舷損失，計(jì)算剩余干舷，判斷舷側(cè)入水風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 竹排計(jì)算點(diǎn)編號示意

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

在空載和滿載工況下的穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

依據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算穩(wěn)性，結(jié)果見表 3，其中，為保守起見，在計(jì)算受風(fēng)面積時(shí)不考慮孤立體（如欄桿等）面積的折減效應(yīng)，且受風(fēng)面中心設(shè)為棚子投影面中心。從表3中可看出：在空載和滿載工況下穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf1和Kf2均符合規(guī)范要求，且有一定的裕度；穩(wěn)性橫準(zhǔn)數(shù)Kf3不符合規(guī)范要求，這是由人員集中于一側(cè)的傾側(cè)力矩過大導(dǎo)致的，將在“3.3”節(jié)和“3.4”節(jié)中詳細(xì)討論。

表3 穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

3.2 耐波性計(jì)算結(jié)果

在各工況下六自由度運(yùn)動(dòng)RAO最大值見表4。

表4 六自由度運(yùn)動(dòng)RAO最大值

由目標(biāo)波幅為0.075m可得：在空載工況下，最大升沉幅值為0.094m，最大縱搖幅值為0.98°，最大橫搖幅值為2.11°；在滿載工況下，最大升沉幅值為0.089m，最大縱搖幅值為0.88°，最大橫搖幅值為2.38°?？梢?，滿載較空載在垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)幅度上有所減小，而橫搖運(yùn)動(dòng)幅度增大。以空載橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)為例，給出2種運(yùn)動(dòng)幅值的RAO曲線見圖4。表5給出圖3中4處“危險(xiǎn)”位置運(yùn)動(dòng)的RAO。

圖4 空載工況縱搖與橫搖運(yùn)動(dòng)幅值RAO

表5 各點(diǎn)最大垂向位移（_Z）、速度（_VZ）和加速度（_AZ）RAO

(1) 空載工況：按波幅為0.075m計(jì)算，竹排邊界點(diǎn)中最大垂向位移為0.122m，出現(xiàn)位置為FR點(diǎn)；最大垂向速度為0.324m/s，出現(xiàn)位置為FR點(diǎn)；最大垂向加速度為1.019m/s2，出現(xiàn)位置為FR點(diǎn)和AR點(diǎn)；竹排最大垂向速度和最大垂向加速度較小，發(fā)生人員脫離甲板情況的概率較低。按《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2016）計(jì)算風(fēng)傾力矩可得Mf=7.694kN·m，由回復(fù)力矩公式可得橫傾角為θ=0.424°，對應(yīng)干舷損失為，剩余干舷為干舷扣除波浪造成的干舷損失和風(fēng)傾力矩造成的干舷損失，即，不會(huì)發(fā)生甲板浸水。

(2) 滿載工況：按波幅為0.075m計(jì)算，竹排邊界點(diǎn)中最大垂向位移為0.115m，出現(xiàn)位置為FR點(diǎn)和AR點(diǎn)；最大垂向速度為0.356m/s，出現(xiàn)位置為AR點(diǎn)；最大垂向加速度為1.119m/s2，出現(xiàn)位置為AR點(diǎn)；竹排最大垂向速度和最大垂向加速度較小，發(fā)生人員脫離甲板情況的概率較低。按《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2016）計(jì)算風(fēng)傾力矩可得Mf=10.424kN·m，由回復(fù)力矩公式可得橫傾角為θ=0.581°，對應(yīng)干舷損失為，剩余干舷為干舷扣除波浪造成的干舷損失和風(fēng)傾力矩造成的干舷損失，即不會(huì)發(fā)生甲板浸水。

3.3 人員集中一側(cè)評估結(jié)果及整改措施

考慮到人的體積及座椅所占空間，采用圖5的方式進(jìn)行簡化分析。人員初始位置狀態(tài)見圖5a)，發(fā)生人員橫向集中之后，認(rèn)為所有人員集中至竹排一側(cè)，導(dǎo)致每個(gè)座椅由2人占據(jù)，而另一側(cè)座椅為空（見圖7b））。

考慮圖5所示的情形計(jì)算穩(wěn)性，由表5可知，不符合《內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2016）的規(guī)定。為減小人員集中程度、降低人員集中傾側(cè)力矩，嘗試以下整改方案。

(1) 方案一：增設(shè)1道縱向分隔欄桿，見圖6。

(2) 方案二：增設(shè)2道縱向分隔欄桿，見圖7。

(3) 方案三：去除2列（第3到6列）座位，保留6列座位，并在原3列和6列位置處增設(shè)2道縱向分隔欄桿，見圖8。

經(jīng)計(jì)算，方案一和方案二仍達(dá)不到穩(wěn)性規(guī)范要求，而方案三滿足規(guī)范要求，因此采用方案三作為第一次整改措施。

圖5 整改前竹排滿載工況人員橫向集中示意

圖6 方案一竹排滿載工況人員橫向集中示意

圖7 方案二竹排滿載工況人員橫向集中示意（方法1）

圖8 方案三竹排滿載工況人員橫向集中示意

與橫向人員集中類似，縱向也會(huì)發(fā)生人員集中。盡管在第一次整改之后橫向穩(wěn)性得到提升，但縱向穩(wěn)性并未得到改善?？紤]到人員縱向集中可能引發(fā)甲板浸水，為避免干舷損失引起浸水，建議進(jìn)行二次整改，在船長方向第5排和第6排間增設(shè)一道橫向分隔欄桿，見圖9。經(jīng)驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)不會(huì)發(fā)生浸水，滿足要求。

3.4 人員合理布置措施

“3.3”節(jié)的分析針對的是滿載工況，為竹排穩(wěn)性滿足要求的必要條件。盡管采取了上述整改措施，但在非滿載工況下人員位置分配不合理時(shí)，仍會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)性喪失。為避免人員位置安置不合理造成危險(xiǎn)，經(jīng)驗(yàn)算，建議：當(dāng)載人不超過20人時(shí)，人員位置布置不受限制；當(dāng)載人超過 20人時(shí)，嚴(yán)格按照橫向和縱向?qū)ΨQ的原則布置人員。

圖9 二次整改后竹排滿載工況人員縱向集中示意

4 結(jié) 語

本文計(jì)算評估某景區(qū)竹排的穩(wěn)性和側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)整改措施，主要得到以下結(jié)論：

(1) 在正常天氣狀況下，竹排運(yùn)行平穩(wěn)，發(fā)生甲板浸水及人員甩出甲板的概率較低。

(2) 為保證人員集中于一側(cè)時(shí)的穩(wěn)性，建議采取相應(yīng)的整改措施，即：去除2列（第3列和第6列）座位，保留6列座位，并在原3列和6列位置處增設(shè)2道縱向分隔欄桿；在船長方向第5排和第6排間增設(shè)一道橫向分隔欄桿。

(3) 當(dāng)載人≤20人時(shí)，人員位置布置不受限制；當(dāng)載人＞20人時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照橫向和縱向?qū)ΨQ的原則布置人員。

(4) 除以上整改措施以外，還應(yīng)采取其他安全措施，如船上人員配備救生衣、駕駛時(shí)保持船距和配置備用動(dòng)力設(shè)備等。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 肇慶市聯(lián)盟.旅游排筏技術(shù)規(guī)范：ZQ 19—2015[S].

[2] 中華人民共和國海事局.內(nèi)河小型船舶檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則[S].2016.