海浪与船舶安全

[内容提要]此文通过对海浪、船舶以及它们之间的关系的分析,从中找出海浪影响船舶安全的主要因素,以及在航海实践中利用海浪的主要操作方法,以保证船舶的安全。

关键词:海浪船舶安全影响特点措施

船舶安全与海浪有着密切的关系。只有对海浪、船舶以及它们之间的关系有了比较清楚的认识,才能在航海实践中趋吉避凶,并找出有效的利用海浪的方法来指导我们的航海实践,保证船舶的安全。

1认识海浪及其特点

海洋上的波浪主要是由风引起的。人们习惯上将风浪、涌浪、以及由它们形成的近岸浪统称为海浪。风浪和涌浪是最常见的重力波。海洋中具有各种不同频率的波,但其大部分能量集中在特征周期为4~12s的范围,属于重力波。对航海有影响的波还有海啸、风暴潮和内波、潮波等。在海洋上波浪是沿表面向前传播的,而海水则是原地踏步。深水波中海面上水质点的轨迹是以波高为直径的圆,在海面以下其直径以指数形式迅速减小。浅水波中水质点运动的轨迹为椭圆,其长轴和短轴都随着与海面距离的增加而减小,但长轴减小慢,短轴减小快,在海底短轴为零。

(1)风浪(Wind Wave)是指由风的直接作用所引起的水面波动。风浪的传播方向总是与风向保持一致。风浪的大小与风区、风时有关。充分成长的风浪只决定于风速。风速越大,风浪充分成长所需要的最小风时和最小风区也越大。但是充分成长的风浪并不是一有风就能产生的。对于充分成长的风浪可以用波浪谱描述它,而且风浪的大部分能量集中在一个比较狭窄的频率范围内。风速大小不同,风浪对应的特征周期也发生相应的变化,如20kn风对应的特征周期为9s, 40kn风对应的特征周期为16s。

(2)涌浪(Swell)是风浪离开风区后传至远处,或者风区里的风停息后所遗留下来的波浪。随着传播距离的增加,涌浪逐渐衰减,涌浪波高逐渐降低,同时周期和波长逐渐加大。并且长波比短波波速快。因为涌浪的传播速度比风暴系统本身的移速快得多,所以涌浪的出现往往是海上台风等风暴系统来临的重要预兆。涌浪是一种比较规则的移动波。

(3)近岸浪(Coastal Wave Beach C omber)是风浪或涌浪传至浅水或近岸区域后,因受地形影响将发生的一系列变化。外海传来的波浪,当它接近海岸时,通常波峰线总是与海岸平行的,波长变小,波高增大,且在岬角处浪高,海湾内浪小,海浪卷倒和破碎。

(4)流波效应海流对波浪有显著影响,据统计,当海流流速2~3kn,风速10~15m/s时,波浪和海流反向或接近于反向的情况下,其波高比无流时大20% ~30%左右,并产生部分波浪破碎或全部破碎。当波浪与海流同向时,波长增大,波高减小;当流速与波速比较可以忽略不计时,可不必考虑流的影响。

(5)深水波和浅水波波长小于海深的波称为深水波(深水波的波长不超过水深的4倍)。其波速C= 1.5T,波长K=1.5T2,T为周期。

浅水波是波长远大于海深的波(波长至少是水深的20倍)。其波速c=g h,g为重力加速度,h为水深。可见,浅水波的波速与水深有关,水越深,波速就越大。海洋中大部分波浪不是具有深水波性质就是具有浅水波性质。

(6)群波(Grou p Wave)在一群波中,由小到大,再由大到小排列有序,称为群波。在一般的情况下,连着三四个大浪之后,必接七八个小浪,俗称三大八小。

(7)驻波(Standin g Wave)由两列波向相反的正弦波叠加,可以得到一种波形不向前传播的波,波面只在原地振动,称为驻波。在海滨峭壁处常出现驻波,热带气旋眼区出现的/金字塔浪0也属于驻波性质。

(8)海啸(Tsunami)主要是由浅源地震引起的,又称地震波。它是长周期波,周期约为15~60min,波长很长,常达几百千米,波速很大,每小时可传播几百甚至上千千米。在外海其坡度甚小,很难观测到它。当海啸波传至近岸时,由于海水变浅,波高剧增,可达10m以上,甚至可达25m,危害极大。在震中附近航行的船舶,因海水上下振动(纵波)而有触礁的感觉。

(9)内波(Internal Wave)密度相差较大的水层界面上的波动称为内波。内波在各种深度的海洋中都可产生,其波高比表面波大得多,常达几十米,甚至近百米。船舶遇到内波现象时大致会有两种情况:/死水0和共振。/死水0现象是由于船舶前进时带动了上部密度较小的水层,使这个水层在密度较大的水层上滑动,从而形成内波,船舶的运动能量都消耗在这种内波的形成上,尽管开足马力,却很难前进一步。

(10)潮汐波(Tidal Wave)海水在月球和太阳引潮力的作用下发生的周期波称为潮汐波。

(11)风暴潮(Storm Sur g e)因强热带风暴、台风、寒潮等强风暴影响引起的海面异常升高、潮位大大超过平常潮位的现象。主要是由于大气压下降或大风所

海浪与船舶安全)))王石岩海浪与船舶安全

中远(香港)航运有限公司王石岩

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造成的。统计表明,气压每下降1hPa,海面大约升高1cm。当风吹向岸边时,强风牵带着海水使海面升高。海面的这种升高与风速的平方成正比。

海洋上的波浪并不是单纯的以上述波的形式单独存在,而是多种波的矢量合成。在航海中我们要通过仔细观察,掌握波浪的运动规律,就能够充分利用波浪的特性操纵船舶。

2认识船舶及其特点

为安全完成水上运输任务,船舶必须具有其基本特性,即抗沉性、稳性、可操纵性、载货、载客性。船舶在设计、建造时首先就要考虑抗沉性。船体必须坚固,具有抗风浪的能力。排水系统要设计、安装合理。船舶要有适当的稳性,包括横稳性和纵稳性。横稳性可抗船舶的横摇而船舶不至于倾覆。船舶的操纵性包括船舶的旋回性、航向稳定性、改向性、保向性和船舶的变速运动性。

作为水上运输工具的船舶主要是用来载货和/或载客的。船体要有适当的强度来适应不同载货状况,来保证船舶在载货过程中不至于破裂、断裂等,同时必须满足稳性的要求。

对于我们航海人员来说,要保证船舶的安全,首先就要对自己操纵的船舶有一个全面而仔细的了解。做到合理、安全、有效地使用船舶。这要从两个方面来了解船舶的硬件特性和软件环境。

2.1船舶的硬件特性

要了解船舶的吨位大小、尺度、航速、设计航行的区域、本轮的抗风浪能力等。要清楚本轮的船体结构、构造、钢板的锈蚀情况、船龄大小以及以前的使用记录,船体是否有过损害、是否已修复,本轮船体是否有缺陷等等。

对于船舶的动力设备,救生、消防设施,系、锚泊设备,导航、助航设备,通信设备等的技术状况要熟悉和了解。

2.2软件环境

着重要了解的是:本轮船员的技术素质,特别是驾驶员和轮机员的技术素质。对于本轮的操纵性能要熟练掌握并能在航海实践中加以合理地应用。

对本轮的载货、载客能力及船舶的装载手册(Ioading m anual)要认真研究,并在工作中加以应用,对整个装卸货过程要加以监控以确保船体强度。

对船舶的稳性、固有周期等要了如指掌。

海图、航海图书、资料等是否齐备。

3海浪对船舶的影响

船舶在波浪中的摇荡运动,是波浪的强迫摇荡和船舶本身固有的摇荡相结合的复合运动。这种摇荡运动由于受到水阻力的阻尼作用,因而是逐渐衰减的。摇荡的强度取决于波面角的陡度、波浪的周期、船舶本身的摇荡周期与船舶尺度和波长的比例关系。但是对船舶安全有威胁的摇摆是横摇、纵摇和垂荡。

3.1横摇

船舶在规则波中的强制横摇摆幅可以近似地用下式表示:

H=A/[1-(T/t)2](1)式中:H为船舶横摇摆幅;A为最大波面角,180b@ H/K,H为波高,K为波长;T为船舶横摇周期(s):t 为波浪周期(s);

当T/t=1时,船舶摇摆最剧烈,横摇角越摇越大,将会导致船舶倾覆,即横谐摇。

横谐摇时的横倾角可用下式估算:

H s=7.92A(2)

船舶的固有横摇周期T可用下式求得:

T=C R@B GM(3)式中:C R为横摇周期系数(估算时可定为0.8);B为船宽(m);GM为初稳性高度(m)

波浪的遭遇周期t e,可用下式求得:

t e=K/(C+V cos5)(4)式中:K为波长(m);C为波速(m/s);V为船速;5为遭遇浪角。

船舶横向受浪航行时,容易出现横谐摇的情况。由于船舶的剧烈横摇对船舶将有以下的危害:

产生过大的横倾角;主甲板容易上浪;由于横摇加速度增加,容易引起货物及其他活动物的移动,增加自由液面的冲击力;船体结构容易受损,增大船舶倾覆的危险等。

3.2纵摇和垂荡

由于纵稳性较大,加上船舶的纵摇质量惯矩和水阻尼力矩很大,所以在波浪的作用下产生的纵摇摆幅比横摇的小,纵倾角一般不超过最大波面角。

波高越大,垂荡越激烈,但由于水阻力很大,使垂荡很快衰减。

纵摇周期可用下式估算:

T p=C p L(5)式中:Tp为船舶纵摇周期:L为船长(m);Cp为纵摇周期系数,货船取0.54~0.72,油船(尾机)取0.80~ 0.91,客船取0.45~0.55。

垂荡周期可用下式估算:

T H=2.4D(6)式中:D为船舶平均吃水(m)。

船舶在不规则波中顶浪前进时需用临界状态的概念来判断船舶的摇摆情况。先根据船速和波浪遭遇周期计算出谐摇波长,再根据谐摇波长和船长的关系,确

#12#5航海技术62006年第5期