劉憲慶，鄧皓天，余 葵，張 鑫，戴一鋒

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074；3.重慶交通大學 航運與船舶工程學院 400074)

航標作為“行輪的眼睛”，是確保船舶安全通航的關鍵因素。為保障航標功能的正常發(fā)揮，提高航標維護正常率，航道管理部門需不定期對航標進行檢查、清洗、維護。三峽庫區(qū)的水位在145～175 m變動，當三峽庫區(qū)蓄水達到175 m運行時，庫區(qū)水位抬升，流速減緩，瞿塘峽、巫峽、西陵峽內180 m高程(吳淞高程)岸標的維護較為方便；但145 m水位運行時，存在30 m水位差，如圖1所示，岸標的維護需要在懸崖絕壁上開展攀爬作業(yè)，維護難度大，且懸崖上的設施隨著時間推移日益陳舊，存在極大的安全隱患[1]。為了解決岸標布置和高度調整繁瑣復雜的問題，重慶交通大學聯(lián)合長江重慶航道局首次提出了適應大水位變幅的自浮升降式航標，并在三峽庫區(qū)閻王扁區(qū)域進行了示范應用，見圖2a)[2]。

圖1 現(xiàn)有航標及檢修作業(yè)

圖2 新型絕壁航標(高程：m；尺寸：mm)

自浮升降式航標設施運行過程中，首先受到波浪的作用，三峽水庫蓄水后，庫區(qū)水位大幅上升、水域擴大，在風力的作用下會形成風成浪，且由于航道能力提升，通航船舶噸位顯著提高，船舶航行會產生船行波[3-7]；其次受到水流的作用，三峽庫區(qū)呈現(xiàn)典型的山區(qū)河流特征，河道窄深、水位陡漲陡落、水流湍急，水流速度復雜[8]；再次受到風的作用，夔門地處瞿塘峽入口，經遇風類型為典型的地方性風，主要是峽谷特殊的地理位置與濕潤氣候產生的峽谷大風[9]。自浮升降式航標設施作為一種新型航標，在風浪流作用下的運動響應特性不甚明確。因此，通過MOSES建立動力學分析模型，分析浮動單元在波浪以及風浪流作用下的運動特性，研究結構設計和環(huán)境荷載等因素對運動特性的影響規(guī)律，為自浮升降式航標設施的設計、施工與推廣應用提供參考和依據(jù)。

1 模型建立及測試組合

1.1 航標結構

如圖2b)所示，自浮升降式航標設施主要由兩個單元構成：一是導向柱和連接架組合而成的固定單元，二是浮筒和罐形標組合而成的浮動單元。導向柱由2根直徑為0.6 m、壁厚為10 mm的鋼管通過鋼板連接而成，鋼管中心間距為0.9 m，上部通過連接架連接于絕壁上端，下部通過基礎加錨桿結構連接于岸邊礁石上，不銹鋼管內部填充混凝土以保證結構的強度、剛度和穩(wěn)定性；浮筒采用不銹鋼結構，直徑為2.2 m，套設在導向柱上，在浮筒內側距離筒底1.0、2.0 m處各設置10個滾輪，滾輪的存在既保證浮動單元隨著水位變化沿著導向柱滑動，又限制結構在水平面內的運動，并將環(huán)境荷載作用在浮動單元上的荷載傳遞到導向柱上，浮筒上部設置罐形標確保航標的可視性，用于指引過往船舶航行，見圖2c)。

1.2 測試組合

為了較好地預測自浮升降式航標的運動特性和變化規(guī)律，采用正交試驗設計方法。采用正交組合的方法安排測試組合，單個因素設置3個水平數(shù)。三峽庫區(qū)每年都會經歷145～175 m的水位變化，航標工作水深為159.5～175.1 m，選取的水深D分別為164.5、169.5、175.5 m，距離固定平臺的距離分別為5.0、10.0、15.0 m；其次，由于三峽庫區(qū)蓄水前最大風浪波高不超過1.0 m，因此結合現(xiàn)場對部分船長、水手、漁民的調研統(tǒng)計，選取30 a一遇波浪參數(shù)，即波高0.9 m、波周期3.5 s；根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》的要求，選取奉節(jié)地區(qū)50 a重現(xiàn)期的風速為25.0 m/s[10]；在風浪流的作用下，航標吃水過大容易造成浮筒上部進水，進而引起結構質量增加以及連接件銹蝕，航標吃水過小容易引起結構穩(wěn)性下降及連接件受力不均勻，因此選取的浮筒吃水分別為0.5、1.0、1.5 m，吃水的變化是通過浮筒內部分艙壓載進行的，吃水從0.5 m增加到1.0 m、從1.0 m增加到1.5 m的壓載量都是1.334 t。測試組合的參數(shù)見表1，其中質心位置為距離筒底中心點的坐標。

表1 測試組合

1.3 模型建立

由于模型比較復雜，采用MOSES自帶的體-面-線-點的自上而下的建模方法建立模型，分別為結構在水深為15、10、5 m工況下的模型網(wǎng)格劃分[11]，見圖3。導向柱上端和下端通過固定連接器約束x、y和z方向的自由度，在浮筒內側距離筒底1.0和2.0 m處分別設置10個固定連接器約束x、y方向的自由度來模擬滾輪，剛度均為1 000 kN/m，同時分別設置10個彈性連接器來考慮z方向滾輪與導向柱之間的滑動約束，彈性連接器的剛度為1 kN/m。通過軟件內置的時域分析模塊分析浮動單元在波浪以及風浪流聯(lián)合作用下結構運動響應特性。

圖3 數(shù)值分析模型

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 吃水對浮動單元運動響應的影響分析

圖4、5分別為浮動單元在波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩位移、加速度隨吃水變化的時程變化曲線和幅值變化柱狀圖。從圖4a)和圖5a)可以看出，垂蕩位移和加速度的時程變化都呈周期變化，加速度的變化周期為波浪周期，而垂蕩位移的變化周期除了有波浪周期的影響，還有一個較大的周期影響，考慮是由滾輪與浮筒之間的摩擦因素造成的。

從圖4b)可以看出，垂蕩位移幅值隨著吃水的增大呈先減小后增大的趨勢，吃水hd從0.5 m增大到1.0 m時降幅為24.2 %，而吃水從1.0 m增加到1.5 m時增幅僅僅為1.38 %。原因是水波屬于表面波，垂蕩作用力隨著吃水的增大而減小，吃水越大則水質點的振幅和運動越不明顯。

圖4 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨吃水的變化

從圖5b)可以看出，垂蕩加速度幅值隨著吃水的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，原因是由于小吃水情況下垂蕩作用力大、附加質量小，導致其加速度較大；而在大吃水情況下，由于質心較低，在垂向作用力變化不明顯的情況下，向下運動的加速度越大。

圖5 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩加速度隨吃水的變化

圖6、7分別為浮動單元在風浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移、加速度隨吃水變化的時程變化曲線和幅值變化柱狀圖?？梢钥闯?，風浪流作用下的垂蕩加速度和速度的時程變化、垂蕩位移和加速度的幅值變化趨勢都類似于波浪作用下的變化趨勢。但對比圖5b)和圖7b)的結果可以看出，風浪流作用下的加速度幅值都小于波浪作用下的加速度幅值，原因是由于計算中波浪、風和流的方向是一致的，作用于浮動單元上部的風荷載和下部的流荷載將浮動單元緊靠在固定單元上，導致由波浪力-摩擦力-慣性力構成的平衡系統(tǒng)在下沉或上浮的過程中都會受到風荷載和流荷載構成的力偶的減速效應，從而導致加速度幅值減小。

圖6 風浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨吃水的變化

圖7 風浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨吃水的變化

2.2 水深對浮動單元運動響應的影響分析

圖8、9分別為浮動單元在波浪作用下不同水深的垂蕩位移、加速度的時程變化曲線和幅值變化柱狀圖。從圖8a)和圖9a)可以看出，垂蕩位移和加速度的時程變化都呈規(guī)則變化趨勢。從圖8b)可以看出，垂蕩位移幅值隨著水深的增加呈減小的趨勢，水深越小則向下運動的幅值越大，原因是由于淺水效應[12-13]，隨著浮筒與水底的距離減小，流速增大、壓力減小，使得浮動單元產生額外的下沉從而加劇了結構的垂蕩位移。

圖8 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨水深的變化

從圖9b)可以看出，垂蕩加速度的幅值隨著水深的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，原因是水深D由5 m增加到10 m，淺水效應弱化，引起波浪力-摩擦力-慣性力構成的平衡系統(tǒng)呈加速下沉或上浮的趨勢；水深從10 m增加到15 m，主要是由于垂蕩作用力隨著水深的增加而減小從而造成結構加速度減小。

圖9 波浪穩(wěn)定作用階段垂蕩加速度隨水深的變化

圖10、11分別為浮動單元在風浪流作用下不同水深的垂蕩位移、加速度的時程變化曲線和幅值變化柱狀圖?？梢钥闯觯L浪流作用下的垂蕩加速度和速度的時程變化、垂蕩位移和加速度的幅值變化趨勢都類似于波浪作用下的變化趨勢。但是，對比圖9b)和圖11b)的結果可以看出，水深5、10、15 m時波浪作用和風浪流作用的加速度幅值分別為2.29和1.64 m/s2、2.47和1.72 m/s2、2.19和1.71 m/s2，風浪流作用下的加速度幅值和幅值變化都小于波浪作用下的幅值和幅值變化。原因是由于風荷載和流荷載構成的力偶減速效應引起波浪力-摩擦力-慣性力構成的平衡系統(tǒng)的豎向運動減弱，從而導致加速度幅值減??；風荷載和流荷載的作用使得結構緊靠在固定單元上降低了淺水效應的影響，從而導致加速度幅值變化變小。

圖10 風浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩位移隨水深的變化

圖11 風浪流穩(wěn)定作用階段垂蕩加速度隨水深的變化

3 結論

1)隨著吃水的增加，結構的垂向位移和加速度呈現(xiàn)先下降后增大的趨勢，吃水1.0 m的運動響應特性最優(yōu)。

2)隨著水深的增加，結構的垂向位移呈下降的趨勢，而垂向運動的加速度幅值呈先增加后降低的趨勢，水深越大，運動響應特性越好。

3)由于風荷載、流荷載與結構的相互作用，風浪流作用下結構的運動響應優(yōu)于波浪單獨作用下的運動響應。