船舶螺旋桨和助推器对港口水工建筑物的危害及工程措施

'船舶螺旋桨和助推器对港口水工建筑物的危害及工程措施关键词：螺旋桨；助推器；冲刷ABSTRACT:Thisarticleintroducesthemechanismofthescourinducedbypropellerandthrusterjetflowandsomelatestresearchfruitinthisfield.船舶的大型化、高速化和操纵性能的提高给港口建设提出了许多新的课题，其中螺旋桨产生的水流对港口建筑物的冲刷作用已经引起港口工程界的注意。70年代以来，船舶尺度向大型化发展。油轮、散货船和集装箱船的船型尺度均有大幅提高，最大油轮已经接近50万DWT;最大散货船已经接近36万DWT;1996年初6000TEU（第五代）集装箱船投入运营，1997年9月8000TEU(第六代)集装箱船投产，业内人士估计在不久的将来会出现载箱量为12000~14000TEU的第七代集装箱船。另外集装箱船高速化的趋势明显，80年代中期，多数集装箱船的航速在20kn以下，目前4000~6000TEU集装箱船的航速一般为25kn。2002年大西洋航线将投入航速为40kn的3万DWT(1432TEU)集装箱船。日本也在积极开发航速50kn超高速船的试验工作，预计2005年投产使用。现代化船舶不仅追求较高的航速，而且对于操纵性能的要求也越1来越高，例如快速轮渡船和海军舰船，这些操纵性能强的船舶通——————————————————————————————————————————————— 常配备大功率辅助推进器。总之船舶的大型化、高速化和优良的操纵性能与不断提高的螺旋桨引擎功率密切相关。70年代以来,船舶引擎功率大幅提高,导致了螺旋桨产生的水流对码头损坏的报道大量增加。螺旋桨和助推器全速运转时产生强劲射流，其流速有时高达10~12m/s。这样高的流速无疑会对底床和其它水工结构产生冲刷危害。专家Bergh于1981年调查了18个瑞典港口,其中16个因为船舶操纵产生的紊态射流冲刷而产生危害。1994年英国科学和工程研究协会出资对英国的主要港口进行了调查，结果显示42%的港口受冲刷危害，29%被定性为严重危害。紊态射流对底床的冲刷严重危害重力式和板桩码头的稳定性，不仅如此，其对透空式的桩基码头也有不可忽视的危害。英国的调查报告指出，英国43%的滚装码头是高桩透空结构，其中的28%存在紊态射流冲刷产生的危害，受危害的部位通常是高桩平台底部的斜坡护岸。大量调查发现主螺旋桨对码头的作用范围较大，重力式和板桩岸壁底边的绝大部分都可能受其危害。而侧推进器的危害部位往往局限于一定区域，例如透空式码头平台底部的斜坡护岸。经过以上调查研究，西欧国家对螺旋桨和推进器水流对港口水工建筑物产生的冲刷危害十分重视，近年来进行了大量研究实验，产生2了许多实用性成果，并且对螺旋桨和助推器产生的紊态射流对港——————————————————————————————————————————————— 口水工建筑物的作用机理进行了深入研究。一、作用机理大量的研究证明，螺旋桨产生的紊态射流在流程内存在两个明显的流态区。第一个流态区长度大约是螺旋桨直径的3倍，此流态区内流体和其周围液体是不连续的，不仅如此，由于桨毂的影响，流体内部也是不连续的，其中心流速较慢，外缘流速较快，这样流体内外均会产生使流体减速的剪切力，与此同时周围液体和流体中心部分会逐渐被加速，这个过程一直持续到第二个流态区开始（即射流区），射流在此区内消散的过程流态没有本质的变化。为了方便理论推导，我们对一个旋转的螺旋桨产生的水流作如下假设（图-1）：31．假设螺旋桨盘扇范围为一动力圆盘，流过圆盘区液体的每个分子均受到突然增加的压力作用；2．在动力圆盘作用下产生一独立的围绕动力盘轴心旋转的圆柱状流体，其直径与螺旋桨直径相等。3．动力圆盘作用产生的动量增加仅发生在上述圆柱状流体内，动量增加后的流体产生图-1所示流线型变化。4．在流体上游出口截面处流速分布均匀，流速为Vo。完成加速后的下游流体速度V2>Vo。5．在上述流体加速过程中，流体任意截面内流速分布是均匀的。——————————————————————————————————————————————— 6．上述流体上下游之间的压力差与周围流体对其作用压力相等。7．上述流体满足流体连续方程和伯努利定理。8．不考虑流体内粘滞力产生的作用。上述假设代表了螺旋桨作用下流体的大致情况，根据该假设，显然存在下述关系：VoAo?V1A1?V2A2(1-1)式中Ao、A1、A2和Vo、V1、V2分别为流体断面1-1~3-3的断面面积和相应流速。根据动量定理，螺旋桨产生的总推力T可以通过断面1-1和3-3之间流体动量的变化推导得出，即：4T??A1V1(V2?Vo)（1-2）式中ρ------流体密度根据能量守恒定理，螺旋桨马达对流体所作的功W等于断面1-1和3-3之间的动能差，即：W?0.5?A1V1(V22?Vo2)?TrV1（1-3）式中：Tr------螺旋桨马达对流体产生的推力注：对于内闭型螺旋桨，由于一部分总推力作用到封闭管道上，所以Tr小于T，而开放型的螺旋桨Tr=T,因此对于开放型的螺旋桨，从式1-2和式1-3中可以推导出下述关系：0.5?A1(V22?Vo2)??A1V1(V2?Vo)——————————————————————————————————————————————— 因此V1?0.5(V2?Vo)(1-4)代入式1-1，则有A2V10.5(V2?Vo)??(1-5)A1V2V2A2V2?0.5A1(V2?Vo)(1-6)由此可以推导出开放型螺旋桨产生圆柱形流体的直径(Do)与螺旋桨直径(Dp)之间的关系如下：A2?把Vo?0、?4Do2和A1?Dp2V2?4Dp2代入上式，则有下述关系：?4Do2V2?0.5?4Do?Dp/2?0.7Dp把V1?0.5V2,A1?T??4Dp2,Vo?0，Uo?V2带入式1-2，则：?8?Dp2Uo2(1-7)式中Uo------螺旋桨产生射流的初始流速5对于封闭型的螺旋桨，A1?A2,V1?V2;同样可以根据动量定理和质量守恒定律推导出类似关系如下：T??4?Dp2Uo2（1-8）把螺旋桨推进系数Kt?T/(?n2/Dp4)引入式1-7和式1-8,——————————————————————————————————————————————— 则有下述关系：对于开放型的螺旋桨：Uo?1.6Kt（1-9）对于封闭型的螺旋桨：Uo?1.1Kt（1-10）式中n------螺旋桨每秒钟转数至此，我们推导出了螺旋桨产生的紊态射流的初始流速，但是在第二个流态区内，射流流速随着流程的增加的变化规律具有现实的工程意义，是解决冲刷问题的关键。西欧国家对此进行了大量的科学实验，笔者对上述试验成果进行汇总后，选择对工程具有指导性的成果分述如下：二、试验研究成果Hamill等人根据大量的试验证明第二流态区内流体横断面内的最大流速Umax与Uo的比值与螺旋桨的转速无关，并提出了下列经验公式：x------计算断面与螺旋桨盘面间的水平距离6如果流程内无建筑物阻碍（如图-1所示），则：当x≤3Dp时，A=1.107,B=0.1835;当x>3Dp时,A=0.543,B=0.0281。如果流程内有斜坡护岸的阻挡（如图-2所示），则：当x≤3Dp时，A=1.107,当x>3Dp时,θ---斜坡护岸与水平面的夹角；——————————————————————————————————————————————— Xr---螺旋桨与斜坡护岸的水平距离。射流在竖直平面内的速度分布可按下式计算：7Z----计算点与螺旋桨中心线的垂直距离实际计算过程还应该考虑螺旋桨倾角、直立岸壁反射和舵的影响，在这方面也有一些实用方法和经验公式，篇幅有限，本文不再赘述。三、港口水工结构防冲刷措施对螺旋桨和助推器水流引起的冲刷问题，一方面可以采取工程措施加以解决，即设计建造可靠的护底系统，或增加船舶龙骨下富裕水深；另一方面可以从港口营运上着手，即对高速船舶进出港口操作进行限制。显然合理的工程措施可以从根本上解决上述问题。工程上通常采用大块石护底，在计算出底床流速的情况下，我们可以计算出护底块石的大小。然而有时块石护底可能是不切实际的方案，例如计算出的块石较大、石料缺乏，或因为潜水工作太多造成施工难度加大等。因此可以根据当地实际情况和材料来源提出更切实际的护底方案。四、护底型式在工程设计中，根据实际情况通常考虑3种护底方案。方案一：护底表层安放大块石，大块石下铺设0.5m——————————————————————————————————————————————— 厚二片石垫层。此方案适于在石料丰富地区使用，其优点是造价相对较低，耐久性较好；如果由于特殊情况产生冲刷破坏，修补简单。其缺点是厚度大，需要增加防护范围内的疏浚工程量，水下潜水员施工质量也较难控制。8方案二：采用镀锌钢丝笼,笼内边角用钢筋加强，笼内填满100~200Kg块石。为了增加稳定性，块石间的缝隙用混凝土或沥青砂浆浇筑。此方案施工采用整体预制安装，因此潜水工作量少。作为柔性结构，石笼很容易适应底床的变化，因此可以减少一定的疏浚工程量。其缺点是镀锌钢丝笼可能被海水腐蚀，填石和吊装的过程也对防腐层有破坏，因此耐久性和破损后修复比较困难。方案三：柔性护底是一种设计新颖的护底形式，在结构上它与软体排类似，但在设计机理上却截然不同。它充分考虑了地基土的吸附作用，因此是一种较为经济的护底形式。其结构如上图所示：这种结构在波兰的格但斯克港得到了有效应用。其优点是造价低廉，施工简单方便，施工时潜水次数少，对底床的适应性好。其缺点是土工布和不透水土工薄膜的耐久性有待实践的检验。在格但斯克港护底的设计过程中，波兰的工程技术专家开发了柔性护底的计算方法，其主要内容如下：式中：Bmin------块体最小厚度；V------冲刷底流速；Υw-----海水比重，Υb------混凝土块体比重；Ks------与土骨架压缩性有关的系数；Kf------与孔隙水压缩性有关的系数；ρw-----海水密度，N0------土的空隙率。——————————————————————————————————————————————— 以上公式没有考虑吸附力随时间消散的影响，修正后的计算公式如下：式中：K------与地基土水力传导性有关的系数；H------透水层深度；t------螺旋桨连续冲刷持续时间。10五、参考文献BERGH,H.andMAGNUSSON,N.,1987."PropellerErosionandProtectionMethodsUsedinFerryTerminalsinthePortofStockholm."PermanentInternationalAssociationofNavigationCongresses,BulletinNo.58,Brussels,Belgium.BLAAUW,H.G.andVANDEKAA,E.J.,1987."ErosionofBottomandSlopingBanksCausedbytheScrewRaceofManeuveringShips."Paperpresentedatthe7thInternationalHarborCongress,Antwerp,May22-26.G.A.HAMILLandR.M.M.QURRAIN,H.T.JOHNSTON,1998."TheInfluenceofARevetmentonDiffusionofAPropellerWash."PIANCBulletin,1998.G.A.HAMILLandH.T.JOHNSTON,1996."EstimatingtheVelocitiesinaShip'sPropellerWash"PIANCBulletin,No.89,December1995.BJARNEPANKCHIK，HELGEGRAVESENandJORNTHOMSEN,1994.“ScourProtectioninNewFerryTerminalofElsinore(DK)”28thInternationalNavigationCongress,Seville,1994.——————————————————————————————————————————————— ANDRZEJSAWICKI,MAREKKULCZYKOWSKI,WOJCIECHROBAKIEWICZ,JACEKMIERCZYNSKIANDJANUSZHAUPTMANN,1998.“NewTypeofBottomProtectioninHarbors-DesignMethod”JournalofWaterway,Port,Coastal,andOceanEngineering,July/August1998.PIANC.ReportofWorkingGroupNo.11,1995.“FerryDevelopmentsandTheirConsequencesforPorts”BJARNEPANKCHIKANDBENTLADEGAARD,1991.“DanishFerryTerminals”PIANCBulletin,1991.FUEHRER，M.,POHL,M.,ANDROMISCH,K.,1987.“PropellerJetErosionandStabilityCriteriaforBottomProtectionsofVariousConstructions.”PIANCBulletinNo.58,Brussels,Belgium.11———————————————————————————————————————————————'