畢莉莉，王雪剛

（1.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

浮船塢臨時(shí)擋浪輔助沉箱安裝技術(shù)

畢莉莉1，王雪剛2

（1.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

文章介紹大涌浪環(huán)境下借助浮船塢臨時(shí)擋浪的輔助沉箱安裝技術(shù)。使用水動(dòng)力軟件AQWA對(duì)“防城港”號(hào)浮船塢擋浪效果進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與浮船塢擋浪前后波高進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為使用浮船塢進(jìn)行施工中的擋浪是可行的，且擋浪效果顯著。采用浮船塢擋浪，增加了施工窗口期，縮短了施工工期，減少了施工成本。

浮船塢；擋浪；沉箱安裝

0 引言

茂名港博賀新港區(qū)粵電煤炭碼頭工程處于廣東省三大浪區(qū)之一，由于其南向沒有掩護(hù)，在南季風(fēng)的影響下，涌浪的最小波高也高達(dá)1 m左右，使得在安裝沉箱時(shí)不能準(zhǔn)確定位，甚至多次壓壞基床。

針對(duì)此情況，采用“防城港”號(hào)浮船塢擋浪輔助沉箱安裝，使用水動(dòng)力勢(shì)流計(jì)算軟件AQWA進(jìn)行建模和計(jì)算，分析利用浮船塢進(jìn)行臨時(shí)消波的效果和適應(yīng)性，并將水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與浮船塢擋浪前后波高進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)船使用擋浪效果相吻合，使用浮船塢進(jìn)行施工中的擋浪是可行的，且擋浪效果顯著，同時(shí)對(duì)比了浮船塢吃水深度對(duì)擋浪效果的影響。

1 工程概況

廣東茂名港博賀新港區(qū)粵電煤炭碼頭工程位于茂名市電白縣電城鎮(zhèn)，博賀灣東南部的東閣嶺至蓮頭嶺沙壩附近的潟湖灘涂和海域（圖1）。

圖1 工程效果圖Fig.1 Engineering drawing

工程包括防浪護(hù)岸、防波堤、港內(nèi)護(hù)岸、取水口、3.5萬t碼頭、10萬t碼頭、港池開挖、堆場(chǎng)回填和簡(jiǎn)易護(hù)岸施工等。3.5萬t碼頭由西往東，港池局部開挖后水深約15 m。施工現(xiàn)場(chǎng)南向?qū)儆跓o掩護(hù)狀況，受東南向的涌浪影響大。波高0.5 m以內(nèi)的頻率占19.48%；波高0.5～1.0 m的頻率占50.15%；波高1.0～1.5 m的頻率占25.26%；波高1.5 m以上的頻率占5.11%，根據(jù)設(shè)計(jì)及水文資料，現(xiàn)場(chǎng)水深15 m且為極端高水位時(shí)，5 a一遇的最大波高為7.9 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

2014年3月，項(xiàng)目進(jìn)行沉箱安裝典型施工時(shí)，沉箱的裝駁、拖航、下潛起浮和移位等工序均順利完成，但在沉箱準(zhǔn)確定位沉放時(shí)出現(xiàn)較大偏差。經(jīng)多次定位安裝，在采取加大沉箱進(jìn)水量、縮短下沉?xí)r間及兩側(cè)布置方駁定位等措施后，沉箱定位下沉?xí)r鋼絲繩均被拉斷，沉箱位移0.3~1.2 m，沉箱不能準(zhǔn)確定位。惡劣海況成為影響沉箱安裝進(jìn)度、質(zhì)量和安全的主要因素。

無掩護(hù)條件大涌浪環(huán)境沉箱安裝施工存在較大困難，安裝過程中會(huì)破壞基床表面[1]，必須采取相應(yīng)的措施進(jìn)行施工期臨時(shí)擋浪。浮式防波堤是較理想的擋浪措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，擬利用現(xiàn)有船機(jī)進(jìn)行擋浪、消波，改善施工受到波浪環(huán)境制約的影響，確保惡劣海況下沉箱安裝。初步選定使用“防城港”號(hào)浮船塢進(jìn)行臨時(shí)消波輔助沉箱安裝。

3 浮船塢擋浪分析

3.1 擋浪計(jì)算

“防城港”號(hào)浮船塢的船長(zhǎng)為43 m，型寬為32 m，型深為3.6 m，吃水為3.05 m，空載排水量為2 330 m3，滿載排水量為3 200 m3?！胺莱歉邸碧?hào)浮船塢的三維模型如圖2所示。根據(jù)該浮船塢的三維模型，以其設(shè)計(jì)吃水（3.05 m）為基本計(jì)算狀態(tài)，靜水面為界，將其分成水上和水下兩部分。將浮船塢幾何模型的水上和水下兩部分按照默認(rèn)長(zhǎng)度0.5 m、最大單元尺寸為1 m的規(guī)格自帶劃分網(wǎng)格，共計(jì)生成的15 302個(gè)SHELL63面單元，最終生成的網(wǎng)格形態(tài)見圖2。

圖2“防城港”號(hào)浮船塢三維模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 3D model and mesh generation of"Fangchenggang" floating dock

為了準(zhǔn)確地描述浮船塢在波浪中的放置位置，以及更好地表達(dá)浮船塢擋浪的效果，同時(shí)與三維模型中的坐標(biāo)系相統(tǒng)一，定義如圖3所示的隨船坐標(biāo)系。透射系數(shù)kt是評(píng)估防波堤消波效果的一個(gè)重要指標(biāo)，其表達(dá)式為：kt=Ht/Hi，式中：Hi為塢前入射波高；Ht為塢后透過波高。定義波高衰減平均百分?jǐn)?shù)為（1-kt）×100%。波高衰減平均百分?jǐn)?shù)越高，即透射系數(shù)越小，浮式防波堤的擋浪效果越好。

圖3 隨船坐標(biāo)系Fig.3 Local coordinate system

定義計(jì)算的規(guī)則波波高為2 m（即入射波的波幅為1 m）；與波浪的遭遇角為90°；計(jì)算區(qū)域水深為15 m；波長(zhǎng)根據(jù)波浪的彌散關(guān)系確定，ω2= gktanh（kh），式中：ω為圓頻率，ω=2π/T，T為波浪周期；h為水深（計(jì)算區(qū)域水深為15 m）；g為重力加速度，取9.81 m/s2；k為波數(shù)，k=2π/L，L為波長(zhǎng)。使用Hunt的方法確定波數(shù)[2-5]：

式中：f（β）=1.0+0.652 2β+0.462 2β2+0.086 4β4+ 0.067 5β5，β=ω2h/g。則波長(zhǎng)的計(jì)算公式為：

使用水動(dòng)力勢(shì)流軟件AQWA計(jì)算浮船塢對(duì)周期為6 s的規(guī)則波的擋浪效果，根據(jù)式（2）計(jì)算，其波長(zhǎng)為53.10 m。假設(shè)水為無黏性、無旋、不可壓縮的理想流體；認(rèn)為沒有水流穿過船體和海底；對(duì)浮船塢周圍127.6 m長(zhǎng)、86 m寬的水域面積上劃分4 000個(gè)單元的自由面網(wǎng)格；同時(shí)考慮繞射和反射的作用。這個(gè)波浪周期內(nèi)區(qū)域內(nèi)各單元的波幅峰值分布如圖4所示，圖5為浮船塢船后波高衰減平均百分?jǐn)?shù)曲線。

圖4 波幅峰值分布圖Fig.4 Distribution of wave amplitude peak value

圖5 波高衰減曲線Fig.5 Wave height attenuation curve

從圖4和圖5可以看出，在浮船塢的正后方（y<21.500）50 m的計(jì)算范圍內(nèi)，波高衰減超過50%，擋浪效果隨著堤后距離的增加而降低；船外側(cè)（y>21.500），隨著堤后距離的增加，擋浪效果增加，基本是滿足開爾文波系的形狀，其擋浪效果隨著離開船側(cè)的距離而削弱。

該浮船塢的設(shè)計(jì)吃水為3.05 m，分別設(shè)置其吃水為1 m、2 m、3.6 m和4 m，計(jì)算并對(duì)比其對(duì)周期為6 s波浪的擋浪效果，其半潛駁船后波高衰減平均百分?jǐn)?shù)曲線如圖6所示。

圖6 不同吃水的波高衰減曲線Fig.6 Wave height attenuation curve in different draft

3.2 實(shí)施效果

茂名港博賀新港區(qū)粵電煤炭碼頭工程的沉箱安裝時(shí)，基于以上浮船塢擋浪的計(jì)算結(jié)果和多次總結(jié)施工方法，采取“防城港”號(hào)浮船塢進(jìn)行擋浪前后的擋浪效果對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)海況對(duì)比如圖7和圖8所示。未采用任何擋浪措施，浪高1 m左右；使用“防城港”號(hào)浮船塢進(jìn)行側(cè)向擋浪時(shí)，船后的浪高在0.2 m以內(nèi)，與圖6中的浮船塢的正后方（y=0）波高衰減曲線大于80%相吻合。綜合圖6的計(jì)算結(jié)果與浮船塢擋浪前后的波浪對(duì)比（圖7和圖8），可以認(rèn)為使用浮船塢進(jìn)行施工中的擋浪是可行的，并且擋浪效果顯著。

圖7 未使用擋浪措施時(shí)的海況Fig.7 Sea condition without wave-blocking

圖8 浮船塢擋浪后的海況Fig.8 Sea condition with wave-blocking of floating dock

4 結(jié)語

本文主要使用水動(dòng)力軟件AQWA對(duì)“防城港”號(hào)浮船塢擋浪效果進(jìn)行計(jì)算，將水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與浮船塢擋浪前后波高對(duì)比，認(rèn)為使用浮船塢進(jìn)行施工中的擋浪是可行的，且擋浪效果顯著。施工中采用浮船塢進(jìn)行擋浪，在不是特別惡劣的海況下可進(jìn)行施工，較不采取擋浪措施的情況增加了施工窗口期，縮短了施工工期，減少了施工成本，可供類似工程借鑒。同時(shí)對(duì)比了吃水對(duì)目標(biāo)波浪的擋浪效果的影響。獲得以下主要結(jié)論。

1）浮船塢的擋浪效果明顯，浮船塢的正后方50 m內(nèi)的波高衰減超過50%，擋浪效果隨著船后距離的增加而削弱；

2）船外側(cè)（即y>21.50），擋浪效果隨著船后距離的增加而變好，隨著離開船側(cè)的距離增加而削弱；

3）保持足夠的干舷防止越浪的情況下，擋浪效果隨著船舶吃水的增加而變好。

[1]徐曉東，施孟凱.無掩護(hù)水域長(zhǎng)周期波條件下沉箱出運(yùn)安裝工藝[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（9）：52-54. XU Xiao-dong,SHI Meng-kai.Techniques of caisson transportation and installation in long period wave condition without sheltered waters[J].China Harbour Engineering,2014(9):52-54.

[2] HUNT J N.Direct solution of wave dispersion equation[J].Journal of the Waterway Port Coastal and Ocean Division,1979(105):457-459.

[3]蔣德才，臺(tái)偉濤.緩坡非均勻流場(chǎng)中隨機(jī)波傳播的折繞射聯(lián)合模型[J].海洋學(xué)報(bào)，1993，15（6）：37-46. JIANG De-cai,TAI Wei-tao.Refraction-diffraction federated model of random wave propagation in the mild slope non-uniform flow field[J].Acta Oceanologica Sinica,1993,15(6):37-46.

[4]朱志夏，韓其為，白玉川.不恒定非均勻流場(chǎng)中隨機(jī)波的折射繞射聯(lián)合數(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報(bào)，2001（7）：22-29. ZHU Zhi-xia,HAN Qi-wei,BAI Yu-chuan.Refraction-diffraction combined numerical model for random wave in unsteady nonunifirm current[J].Journal of Hydraulic Engineering,2001(7):22-29.

[5] 李孟國(guó).用波浪彌散關(guān)系確定波長(zhǎng)的方法[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2002（6）：33-34. LI Meng-guo.Method to determine wave length by using wave dispersion equation[J].China Harbour Engineering,2002(6):33-34.

Installation technology of temporary wave-blocking assists caisson for floating dock

BI Li-li1,WANG Xue-gang2
（1.The Third Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong 524005,China; 2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

We introduced the caisson installation technology of temporary wave-blocking using the floating dock in large swells,calculated the effect of wave-blocking of"Fangchenggang"floating dock by the hydrodynamic software AQWA,the calculation results are compared with the wave heights before and after wave-blocking of floating dock.It is feasible to use floating dock for wave-blocking in construction,and the effect is significant.It is shown that the proposed technology has the advantages of increasing the construction window period,shortening construction period and saving the cost of construction.

floating dock;wave-blocking;caisson installation

U656.1；U655.4

A

2095-7874（2016）12-0063-03

10.7640/zggwjs201612013

2016-07-06

2016-09-01

畢莉莉（1983— ），女，山東威海人，工程師，主要從事港口工程技術(shù)管理工作。E-mail：blili@cccc4.com