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船行波

2020-04-09 21:01

船舶航行引起的水面波动。船舶航行排挤两侧水体,过水断面发生变化,引起流速、压力的变化,从而在水面产生船行波。此种非常定波,对船舶产生航行阻力,影响船舶的适航性能。通常船行波分为两个波系:①自船首发生的称为船首波系。②自船尾发生的称为船尾波系。船首波系和船尾波系均包括散波和横波。从首、尾处产生的,从两舷向外并向后倾斜扩散的波称为散波;波的峰谷线与船舶航向垂直,且从首、尾端向后传播的波称为横波(图1)。

图1 船行波图形示意

1—首横波;2—首散波;3—尾横波;4—尾散波α=18°~20°;β=36°~40°

影响船行波大小的因素,主要有船型、航速和航行水域条件。当船型和航行水域条件已定时,航速是主要的影响因素。当弗劳德数Fr(

,Vs为航速,m/s;H为水深,m;g为重力加速度,m/s2)由小增大时,船行波波高随Fr的增加即随航速的增加而迅速增高,当Fr=1.0时,波高达到最大值,当Fr>1.0,航速大于临界速度时,波高减小。船舶在有水流的航道内航行时,若船舶逆流航行,则船行波波高比在无水流的航道内要大;若顺流航行,则船行波波高减小。

船行波除了产生航行阻力,降低船舶航速外,对航行在同一水域中的其他船舶(特别是小船)的安全和泊稳条件都有一定的影响。船行波是堤坝,特别是运河护岸被破坏的主要动力因素之一。船行波传播到岸边时,波浪沿岸坡爬行破碎,使岸坡承受到动水压力和冲击,船行波沿岸运动时,部分水体在岸坡爬升,小部分水渗入岸坡。波浪消失后爬升的水体下落,可能带走岸坡上部分疏松土粒;渗入岸坡内的水体又向外流,可能将岸坡表层土壤颗粒顶出并被波浪带走,因此船行波的大小是设计航道断面和选择护坡型式的主要依据之一。

船行波的理论研究已取得很大成果,但在航道设计时难于应用,在实际工程中仍采用经验公式或半经验公式估算船行波波高。

船行波波高(hc)可按式(1)计算:

式中,Ls、Ts分别为船舶的长度和吃水,m;δ为船舶排水量系数;V为按运行要求容许的船舶航速,m/s,可按公式(2)计算:

式中,ks为船舶中横剖面水下面积(Fs)与航道的过水断面面积(F)之比,即ks=Fs/F;b为航道水面宽度,m。

船行波在斜坡上的爬高hHc,可按公式(3)计算:

式中,βs为系数,用整体平板护坡取1.4,用块石砌坡取1.0,用抛石护坡取0.8。

船行波在斜坡护面上的波压力分布如图2所示。

图2 船行波波压力分布图

(a)波浪在斜坡上爬升时;(b)波浪从斜坡上回落时

(1)波浪在斜坡上爬升时:

(2)波浪在斜坡上回落时:

式中,zk为运河岸坡护面下界的深度,m;Δh为运河岸坡护面背后由于透水引起的水位降低值,m。对从计算水位沿斜坡延伸小于4m的护面,护面具有不透水支撑,取Δh=0.25hc;对从计算水位沿斜坡延伸大于4m的护面,并具有块石棱体支撑,取Δh=0.2hc;γ为水的容重,kN/m3;m为坡度系数,m=cotα;α为斜坡坡角,(°)。

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