郝志涛 曾林林 海口航标处

1.前言

浮标的配布与建设，经常会碰到设置地点季节性风浪比较明显，海底底质为岩石等特殊情况，按照普通的浮标配套方案设置浮标，浮标容易出现移位，尤其是在台风过后，浮标漂移的可能性比较大，给船舶的安全航行带来不利的影响。因此，降低浮标在特殊环境下发生移位的概率，保持良好的导助航效能，可以有效保障通航水域环境的安全。

2.浮标的构成及浮标受力情况

普通浮标主要有顶标或望板、支架、浮筒、尾管、平衡铁组成。

浮标锚链主要由马鞍链、短链、半链、全链等链节和连接卸扣、末端卸扣、转环等附件组成的锚链。

浮标受力情况分析：

浮标受力主要分成两部分：一部分是沉锤受力情况，沉锤受到锚链的拉力，底部海水吸附力，侧面潮流的推力等；另一部分是浮筒受力情况，浮筒受到的浮力，侧面风力，海水潮流的推力，锚链的牵引力等。

3.浮标移位的原因分析

3.1 沉锤以及锚链产生的抓力不够

抓力来自于沉锤的抓力和锚链的抓力之和，其中沉锤的抓力取决于沉锤的重量以及外形构造，潮流受力面积，还有海底底质以及地形等；锚链的抓力为卧底锚链与海底之间的摩擦力。影响抓力的主要因素有以下几个方面：

一是海底的底质影响。海底底质主要分为粘土、泥沙地、岩石地等，海底底质黏性越大，抓力越大。海底为粘土，泥沙地，沉锤容易沉陷下去，抓力也越大；海底为岩石，沉锤无法凭借自身重力沉陷下去，直接座落岩石之上，抓力小。据试验数据显示，海底底质对抓力的影响差别十分大，粘土海底底质抓力可达沉锤的10倍，泥沙地海底底质大约为沉锤的5～7倍左右，岩石地最差。

二是沉锤的外形形状的影响。根据伯努利原理p+½ρv²+ρgh=C，式中p为流体中某点的压强，v为流体该点的流速，ρ为流体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度，C是一个常量。静压（p）是流体真实存在的压强值，动压（½ρv²）也称为速压或速度头，其单位都是Pa。如下图所示（假设流体为定常流），当流体从a点流过物体时，由于受到物体前缘部分的阻拦，流速减慢，前端压强升高；当流体流到物体最高点b时，速度不断增大，因而压强不断减小。

图1

这样，物体前端受高压，末端受低压，在物体前后就形成了一个压强差，该压强差产生的压力作用在物体上，阻碍物体向前运动。我们就把这个由前后压强差形成的阻力称为“压差阻力”。根据实验可知，如果为圆柱体所受的阻力位1个单位，那么前流线型设计所受的阻力就是1/5，前后流线型设计所受的阻力为1/25。如图1所示。

传统浮标的沉锤，在形状方面有梯形体、正方体，也有销去顶部锥部圆锥体，沉锤外形差异，形成的压差阻力也不一样，越是趋向于流线型，压差阻力越小。一般情况下，锥形体压差阻力＜梯形体压差阻力＜正方体压差阻力。

三是沉锤的受力面积影响。沉锤完全浸入海底，受力面积为零，沉锤基本不受海底潮流影响；沉锤没有完全侵入海底，露出海底部分的面积越大，受海底潮流的影响越大。在海水流动比较湍急的海底，沉锤没有被粘土、泥沙的覆盖，受力面积大。投放浮标时，沉锤受力会随波逐流，很难投放精准，投放后，也容易受潮流影响而移位。

四是沉锤底部与海底接触面积影响。吸附力是两者不同物质产生吸附作用而产生的力，主要有物理吸附与化学吸附。其中物理吸附主要有溶液表面吸附、固液界面吸附、固气界面吸附等。沉锤与海水之间形成固液界面吸附，两者接触面积越大，形成的物理吸附力越强，部分沉锤在底部做成真空，当沉锤入海后，空间部分蓄水，增大沉锤与海水之间的接触面积，增大与海水的吸附力。

五是沉锤、卧底锚链自重的影响。抓力很大一部分来源就是沉锤与锚链的重量、卧底锚链与海底之间的摩擦力，抓力与沉锤、每米链重成正比。卧底链越长，链重越大，抓力越大；反之，抓力越小。

3.2 浮筒受力影响

一是浮筒惯性力产生影响。惯性力是指当物体加速时，惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向。惯性力实际上并不存在，实际存在的只有原本将该物体加速的力，因此惯性力又称为假想力。当系统存在一加速度a时，则惯性力的大小遵从公式：F=ma(m为物体质量)，它的大小与物体质量成正比，与物体所受合力的加速度成正比。

传统的浮标采用钢制浮标，依靠浮筒提供浮力，浮筒大约1/3处于水面以上，2/3处于水面以下，尾管上配置适当的压重，维持一定的稳性。浮筒受力情况，主要有来自于水面以上的风力、海水给浮筒的浮力、钢制浮标自身重力、潮流给与浮筒的瞬时推力、沉锤给与浮筒的牵引力等等。当随着外部环境的变化的时候，各力的方向、大小随之而变。正常情况下，浮力与重力是大小相等，方向相反的一对力，作用相互抵消，沉锤以及锚链给与浮筒的牵引力占据主导地位，浮标以沉锤为圆心在一定的回旋半径旋转。当潮流以及风力给与浮标的推力占据主导地位时，因钢制浮标较之于玻璃钢浮标或者塑料浮标，质量大，惯性大，瞬时产生的推力大，沉锤受力离开海底或者锚链断裂。一旦沉锤离开海底或者断链，浮筒就会迅速的被潮流所冲走。而玻璃钢浮标以及塑料浮标，质量轻，惯性小，浮筒受力产生的瞬时推力小，沉锤以及锚链产生的牵引力占据主导地位，惯性力小，不容易受潮流影响而移位。

二是浮筒及支架受力面积影响。当风压一定的情况下，受力面积越大，由F=PS可知，受力越大。所以，浮筒以及支架表面面积越大，在应对强风情况下越不利，尤其是台风的情况下，很多浮标就是在台风过后，出现严重移位。

4.航标移位的解决办法

4.1 用轻质量浮标代替传统重质量钢制浮标

当航标设定所处位置，风力比较大，尤其是季节性风比较突出，台风比较常见，海水潮流比较急，可以改用质量比较轻的玻璃钢浮标或者塑料浮标代替传统的钢制浮标，同时考虑水线以上受风面积部分，尽量多采用镂空处理，或者流线型设计，减少浮筒质量，减少受风面积，减少浮筒所受外力，减少因为浮标质量惯性带来的惯性力，从而降低浮标对沉锤所带来的牵引力。

4.2 用高密度的铁块代替低密度传统沉锤

当航标设定所处位置，潮流比较急占据主导移位因数时，可以用高密度的铁块代替传统的沉锤。传统沉锤主要原料为普通的钢筋混泥土，其密度约为2600kg/m³。铁的密度为7800kg/m³。在同样重量的情况下，铁的体积约为沉锤体积的1/3。体积小，意味着与海水之间的受力面积小，在同样大小的推力情况下，不容易产生移动。同时考虑到铁块的延展性比较强，可以以比较薄的厚度确保一定的刚度，改变铁块形状，让铁块变得扁平，增大铁块底部面积，增大与海水之间的吸附力，防止沉锤移位。

5.结束语

近年来，随着国家海洋环境的发展，航标数量也在不断增加，新材料、新工艺在航标上的应用，有效提升了航标的导助航服务水平。本文通过对浮标的改进，降低浮标移位的风险，减少了航标故障的发生，对船舶安全航行有积极的意义。