沉箱漂浮穩(wěn)定計(jì)算和精安裝施工工藝

張宏飛

（長(zhǎng)沙市湘江綜合樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙市 410200）

1 工程概況

某電廠碼頭工程包括綜合碼頭和煤碼頭，碼頭沉箱總數(shù)量為50個(gè)，其中500 t以下共30個(gè)、（2 100～2 560）t共20個(gè)，沉箱類型較多、規(guī)格不一。具體類型及規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 沉箱類型及規(guī)格

沉箱是在預(yù)制廠預(yù)制，采用氣囊移運(yùn)至出運(yùn)碼頭上半潛駁，由拖輪拖運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，半潛駁就位下潛，沉箱吃水一定深度由起重船起吊出塢和漂浮拖運(yùn)至安裝位置進(jìn)行安裝。因此，沉箱出塢浮游到安裝位置過(guò)程中需要保證其穩(wěn)定性。

2 設(shè)備選用

考慮受當(dāng)?shù)仫L(fēng)大浪高等條件的影響，且沉箱安裝時(shí)防波堤未能形成，水上運(yùn)輸選用5 000 t的“航工半潛駁1#”和2800HP拖輪。安裝選用250 t的“航工起五”起重船和1 700 t定位船（配25 t起車吊），同時(shí)選用700HP的起錨艇協(xié)助作業(yè)。根據(jù)半潛駁的平面尺寸、載重量以及沉箱的外型尺寸、重量等特征性，半潛駁一次運(yùn)輸3個(gè)500 t以內(nèi)沉箱，2 000 t以上沉箱一次運(yùn)輸1個(gè)。

3 沉箱漂浮穩(wěn)定計(jì)算

沉箱在浮吊牽引漂浮、拖運(yùn)和沉放的過(guò)程中應(yīng)保證不傾覆，即要求沉箱具有一定的漂浮穩(wěn)定性。浮體的穩(wěn)定性可用定傾中心高度（m）表示，為了保證沉箱的浮游穩(wěn)定性，沉箱在有掩護(hù)區(qū)域近程浮運(yùn)時(shí)，m≥20 cm。本項(xiàng)目所有沉箱并不是全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，重心偏向沉箱前趾，通過(guò)計(jì)算沉箱空載浮游均不穩(wěn)定，沉箱重心、空載吃水深度和定傾中心高度、配重加水深度和定傾中心高度計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 沉箱重心和空載時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算

表2中表明：A、B（D）類沉箱在后艙分別加2.2m、2.05m深水時(shí)，浮游是穩(wěn)定的；C、E、01#類沉箱雖然在后艙加入配重水，但浮游仍不穩(wěn)定，需要調(diào)整。以A型沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 A型沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算

3.1 空載時(shí)計(jì)算

（1）通過(guò)計(jì)算，A型沉箱空載時(shí)重心位置XC=4.53m，YC=3.78m（以沉箱側(cè)面前趾為坐標(biāo)原點(diǎn)，見(jiàn)圖1），A型沉箱材料體積Vi=190.48m3

圖1 A沉箱重心坐標(biāo)

（2）沉箱總排水量體積：V=Vi×25/10.25=464.6m3

（3）前趾排水量體積：V/=7.04m3

（4）沉箱吃水深度：T=（V-V/）/A=5.97m

（5）浮心高度：Yw=［（V-V/）×T/2+V/y］/V=2.94m

（6）重浮心差：a=YC-Yw=0.84m

（7）定傾半徑：ρ=（I-∑i）/V=0.68m

（8）定傾高度：m=ρ-a=-0.16m＜0.2m 沉箱浮游不穩(wěn)定，需要采用壓載措施。

3.2 加水壓載深度t0計(jì)算

（1）不平衡力矩（對(duì)沉箱寬度中心）：

（2）為保持沉箱正直，所需在后二艙加水壓載，加水深度為t0：

3.3 沉箱后兩艙加水（t0=2.22m）時(shí)浮游穩(wěn)定計(jì)算

（1）加水重力：g=△M/1.825=690.44 kN

（2）加水重力對(duì)沉箱底面的重力矩：△M y=g×（0.5+t0/2）=1 111.61 kN/m。

（3）沉箱總重力：G=Vi×24.5+g=5 357.3 kN。

（4）重心高度：Yc=（Vi×Yi×24.5+△My）/G=3.5m。

（5）沉箱總排水量：V=（Vi×25+g）/10.25=531.96 m3。

（6）沉箱吃水深度：T=（V-V/）/A=6.85m。

（7）浮心高度：Yw=［（V-V/）×T/2+V/y］/V=3.38m。

（8）重浮心差：a=YC-Yw=0.12m。

（9）定傾半徑：ρ=（I-∑i）/V=0.60m。

（10）定傾高度：m=ρ-a=0.48m＞0.2m 沉箱浮游穩(wěn)定。

4 沉箱精安裝施工工藝

（1）沉箱精安裝方法一。

傳統(tǒng)沉箱安裝工藝：沉箱浮游到設(shè)計(jì)基床位置，沉箱加水下潛，沉箱下潛到離基床（0.3～0.5）m時(shí)，起重船控制好吊力（100 t左右），沉箱再加一定深度水，當(dāng)沉箱輪廓線與理論輪廓線重合時(shí)（GPS控制、電腦顯示），起重船快速落鉤，沉箱落到基床上。第一個(gè)沉箱采用粗安裝，第二個(gè)沉箱以第一個(gè)沉箱為依托進(jìn)行精安裝，再精安裝第一個(gè)沉箱。具體方法見(jiàn)沉箱安裝示意圖2、圖3、圖4。

圖4為放大圖，已表明：當(dāng)?shù)诙€(gè)沉箱靠近第一個(gè)沉箱（1m左右），二只手拉葫蘆（10 t/只）系上1-4、2-3吊點(diǎn)（預(yù)埋的Φ25圓鋼）控制沉箱前后位置；另二只手拉葫蘆（10 t/只）系上1-5、2-6吊點(diǎn)控制沉箱左右位置。

（2）沉箱精安裝方法二。

見(jiàn)圖5，以一端已安裝好的沉箱為依靠，另一端粗放的沉箱為輔助，進(jìn)行沉箱精安裝。利用4臺(tái)水泵（100m3/h）對(duì)待精安裝的沉箱由內(nèi)向外抽水，讓沉箱浮起，控制好抽水深度，沉箱平衡上浮。當(dāng)沉箱離開(kāi)基床 0.3m 時(shí)，4 只手拉葫蘆（1-4、2-3、1-5、2-6）收緊，同時(shí)另 2只手拉葫蘆（7-10、8-9）放松，當(dāng)沉箱輪廓線與理論輪廓線重合時(shí)，用另4臺(tái)水泵向沉箱內(nèi)倉(cāng)加水，沉箱下潛落床。

圖2 沉箱安裝示意圖

圖3 沉箱安裝示意圖

圖4 沉箱安裝示意圖

圖5 沉箱安裝示意圖

在風(fēng)力達(dá)5級(jí)以上、浪高大于0.6m時(shí)，沉箱預(yù)埋的Φ25圓鋼和10 t手拉葫蘆均有拉壞，且人工操作不安全。通過(guò)對(duì)水阻力和波浪力計(jì)算分析，加工三角馬凳（圖6）、四角馬凳（圖7）取代Φ25圓鋼吊環(huán)，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)、單雙柄滑車取代10 T手拉葫蘆，配一只定位船來(lái)進(jìn)行沉箱精安裝（圖8）。

圖8已表明：操作安全可靠、使用簡(jiǎn)便，沉箱始終處于可以控制狀態(tài)。

圖6 三角馬凳

圖7 四角馬凳

圖8 沉箱安裝示意圖

5 沉箱安裝質(zhì)量評(píng)定

我們已完成對(duì)綜合碼頭30個(gè)沉箱、煤碼頭20個(gè)沉箱的精安裝，按《港口工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)沉箱安裝進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)定，綜合碼頭沉箱安裝合格率為100%，優(yōu)良率為86.7%，煤碼頭沉箱安裝合格率為100%，優(yōu)良率為80.0%。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)沉箱浮游穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致驗(yàn)算，嚴(yán)格控制加水深度，沉箱隨半潛駁下潛、出塢、浮游、粗就位、排水上浮、精安裝等過(guò)程中，沉箱一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

盡管現(xiàn)場(chǎng)施工條件十分惡劣，給沉箱安裝帶來(lái)了很大困難，但我們嚴(yán)格按照科學(xué)管理、靈活多變、見(jiàn)縫插針、精心施工的原則，先進(jìn)行沉箱粗安放就位，再進(jìn)行精安裝調(diào)整，提高了工效，保證了質(zhì)量。