谢志刚，邓 宇，王吉诰，郑 兴，苏 磊

（1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003；3.包头市平安航运有限责任公司，内蒙古 包头 014000；4.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150006）

破冰船破冰是国际上先进的机械破冰技术之一，主要应用在高纬度地区远洋航行、湖泊或内河航道凌期破冰，为船舶航行时开辟航线。内河破冰主要用于小型河流、航道或港口进出港区域，应用较多的地区有荷兰、德国、加拿大、芬兰等国家［1］及我国的东北地区。20世纪五六十年代，黄河下游建造了克凌1号和克凌2号两艘破冰船，尝试开展使用破冰船破除封冻期和开河期河道冰盖，以解决其壅水阻流问题；1974年以后，由于河道水浅不能满足破冰船吃水条件，加之出现反复封开河的情况，因此破冰船未再使用［2］。破冰船破冰主要依靠船身自重和动力冲击压迫冰面，利用冰层抗剪切强度小的特点，致使冰层断裂，达到破冰目的。内河破冰船和破冰机械自重和动力较小，破冰厚度范围为10～50 cm，破冰效率可达2 000 m2／h。近几年，国内外也使用两栖破冰机械，借助机械动力破除冰盖［3］。

黄河的凌汛问题主要在上游宁蒙河段、中游北干流河段及下游利津至河口河段，目前宁蒙河段是重点防凌河段［4］。随着经济社会的高速发展，跨河桥梁和水工建筑物增多，传统航弹或火炮破冰实施的难度增大。把适宜黄河宽浅、弯曲多变的河道特性的破冰船破冰作为一种机械破冰方式，应用于无法实施爆破破冰的河段，具有较好针对性和可操作性。

1 轻型破冰船结构及性能

1.1 破冰船吃水深度分析

内河破冰船主体必须适应凌汛期河道的水文、河床形态。黄河内蒙古段河道凌汛期在不发生冰塞冰坝的情况下，大部分河段水面宽度在300～500 m之间，水深在3～5 m之间，冰下流速为1 m／s左右。该河段河槽与其他河流相比，最大的不同点在于没有固定的宽度和深度，而是呈变化的宽浅状，满足浅吃水的要求对于船舶设计而言尤其重要。在船型一定的条件下，吃水深度与排水量相关。船舶排水量大，相应破冰能力强，但吃水深度也大，同时适应河道的能力也差。综合考虑黄河现行船舶及黄河下游破冰船的研制和应用经验，本次设计的破冰船吃水深度不宜大于1.4 m。

1.2 船体尺度和主机功率分析

分析国内外内河破冰船参数和试验河段河道条件，可知船长和船宽决定着船型。一般而言，破冰船属工程辅助船，长宽比相对航行船只小，即为短而宽的船型。不同类型典型破冰船的长宽比见表1。

黄河内蒙古段河道凌汛期水面宽在300～500 m之间，考虑破冰船作业时调头的需要，参考现有船舶尺度，破冰船的宽度为7～8 m，船长为20～30 m，较符合该河段作业要求。

冰荷载是破冰船设计建造需考虑的关键参数，对破冰船动力的选择有直接的影响，而冰荷载又与冰力学参数及环境温度直接相关［5］。对于内蒙古河段，开河前期气温较高，最低冰温为-5℃；典型工况下冰的密度为0.77～0.99 g／cm3，一般在0.90 g／cm3以上；弯曲强度在冰温-10.0、-5.0、-2.5℃时分别为1.2、0.9、0.6 MPa［5］；剪切强度在冰温-5℃时约为350 kPa；河道典型冰厚为0.4～0.6 m。

应用Lindqvist公式预测船破冰阻力。Lindqvist公式基于冰阻力与速度为线性关系的假设，将冰阻力分为3部分进行计算，包括挤压阻力、浸没阻力和弯曲破坏阻力［6］。

破冰阻力Rice计算公式如下：

式中：RC为破碎阻力；RB为弯曲阻力；RS为浸没阻力；L为船长；V为船速；g为重力加速度。

破碎阻力RC计算公式为

式中：ρw为水密度；ρi为冰密度；T为吃水深度。

主要计算参数见表2。计算得到航速4节、弯曲强度0.6 MPa情况下，冰厚为0.3、0.4、0.5 m时对应的预报总阻力分别为179、272、380 kN。冰荷载随着冰厚的增加而急剧增大；航速4节、在平整冰情况下，冰厚为0.4 m时对应总阻力大于200 kN，破冰船的功率不应小于400 kW。

表2 主要计算参数

1.3 结构参数与性能设定

依据黄河内蒙古河道特征及破冰实际需求，由包头市平安航运有限责任公司建造了用于黄河内蒙古河段的轻型破冰船。破冰船类型为工程辅助船，航区为内河C级航区。船型为钢质、单甲板、双桨、双舵、艉机型，具有前倾式船艏和方艉。船总长27.7 m，型宽7.0 m、型深2.2 m，设计吃水深度1.3 m，主机为2台柴油机，主机功率772 kW，总吨位116 t。船体前部设计辅助破冰机构。破冰机构选用斗山300挖掘机上部结构，由控制台、伸缩臂、破冰器构成。

破冰功能分为连续式破冰、冲撞式破冰、辅助式破冰和碎冰区航行4种模式。连续式破冰是依靠船体自重在低速航行中连续压破压断冰盖的破冰方式，这种方式一般应用于冰厚小于20 cm的冰层。冲撞式破冰是利用船的速度和质量反复冲击冰盖造成冰块破裂的破冰方式，这种方式一般应用于大面积冰盖且冰厚大于20 cm时。辅助式破冰和碎冰区航行是依靠辅助破冰器的铲斗和挖机臂对大块较厚冰块（厚度一般大于40 cm）或大面积碎冰堆积体进行锤击、铲击和挖掘作业进行破冰的方式。内河破冰不同于海洋和港口破冰，破冰船没有从无冰区进入有冰区的过程。破冰船除具备破冰功能外，还需具备自救能力，即依靠辅助器完成破冰开始阶段和河道冰凌密度过大时船体掉头和降低船体周围冰凌密度，达到自身脱困效果。

2 破冰试验

2.1 仿真试验

以黄河内蒙古包头磴口河段7 km河道地形为依据，结合破冰船和开河期河冰参数，建立了船-冰-水耦合模型，模拟船在冰-水环境中的破冰阻力F。模拟工况为：航速4节，浮冰密集度C=70%，河道水流流速为0.7 m／s，冰厚为0.3 m，弯曲强度σ分别为0.6、0.9、1.2 MPa。由图1可见，破冰阻力模拟结果与Lindqvist经验公式计算结果具有较好一致性。

图1 冰厚0.3 m时不同弯曲强度对应的破冰阻力

2.2 现场试验

2021年2月28日—3月2日，在黄河内蒙古德胜泰大桥上游2 km处河道内进行了4种破冰模式的现场试验。该河段凌汛期观测到的最大冰厚为0.85 m。试验前，现场探测冰层最大厚度为0.6 m，最小厚度0.2 m。试验结果显示，整体破冰情况与仿真测试预估成果基本一致。

在连续式破冰模式（见图2）下，破冰阻力与仿真测试相近，破冰船可以快速断裂冰盖，航速最大4节，破冰厚度0.2～0.3 m，随船行进可以开辟一段航行通道。船-冰作用过程中的冰激振动不明显，对船艏结构影响较小。

图2 连续式破冰模式

在冲撞式破冰模式下，破冰厚度0.3～0.4 m。此冰厚条件下，破冰阻力大于破冰船动力，破冰船仅能短距离反复冲击冰盖。船艏处冰荷载在同一肋骨上衰减较快，船舶舷侧纵向构件的强度较高，冰激应变几乎不能影响到相邻肋位。通过观察船艏舷部外侧甲板，发现船体与大块冰盖挤压、摩擦、冲击下，船首右侧出现了多处刮擦痕迹，但是钢板并未出现凹陷和破损。船体结构设计满足破冰要求。

在辅助式破冰模式下，冰层厚度大于0.4 m。破冰铲斗能够很轻易地破碎较厚的冰盖，并将破裂的大块冰打碎。从铲斗翻起的冰块能够看到，河段冰层多处冰盖呈现两层冰的结构，单层冰厚度为25～30 cm，冰层中夹杂有泥沙等杂物。仅依靠铲斗的锤击和铲击作用，破冰效果不理想。而配合冲撞式破冰并利用船体左右晃动，形成下压和振动的合力，破冰效率较高。历经1 h破冰，最大破冰厚度大于0.5 m，破冰面积达2 200 m2／h。

在碎冰区航行模式下，原航线上的平整冰区在船-冰作用下已破碎为大量较小块不规则的浮冰，碎冰聚集在船体四周。航行过程中，被覆盖在水面碎冰层以下的浮冰与船体结构发生作用，冰块体积较小，与船体产生的冰激励响应可以忽略。

4种方式综合破冰2 h，疏通河道长度1 km，破冰面积4万m2。破冰船船艏结构、外舷甲板均无损坏，满足该河段航行安全性要求。

3 结 语

破冰船破冰作为一种机械破冰手段，能有效解决爆破破冰存在的不足，具有较好的针对性和可操作性。本文依据轻型破冰船在开河期的破冰试验，得出以下研究成果，可为破冰船破冰操作和数值仿真研究提供参考。

（1）设计建造的轻型破冰船船型为钢质、单甲板、双桨、双舵、艉机型，具有前倾式船艏和方艉。船总长27.7 m，型宽7.0 m，设计吃水深度1.3 m，主机为2台柴油机，主机功率772 kW，总吨位116 t，满足黄河河道凌汛期破冰需求。

（2）基于仿真模型分析结果可知，轻型破冰船在黄河内蒙古河段开河期进行破冰试验满足设计需求。

（3）通过对连续式破冰、冲撞式破冰、辅助式破冰和碎冰区航行4种模式下现场破冰试验分析可知，连续式破冰和冲撞式破冰模式下，破冰厚度在20～40 cm；辅助式破冰模式下破冰厚度在40 cm以上，最大破冰厚度超过50 cm。

（4）黄河内蒙古河段凌汛期具有河槽窄、水深浅、冰层厚的特点，破冰船型深和吃水深度一般设计得较小。封河期发动机螺旋桨叶片和方向舵的位置正好处于冰冻层。开河前期，需要提前解冻该部位区域的冰盖。鉴于河道水流携带的杂草秸秆等杂物较多，加装加热除冰装置会造成杂物缠绕和附着。建议在应用中，改变目前的水箱压重方式为配重块压重。在流凌期，轻型破冰船停靠码头后，加载配重块使吃水深度接近最大吃水深度线，减小螺旋桨叶片和方向舵在冰盖中的深度，以利于开河期快速完成船体四周的消冰作业，做好破冰准备。