黃宣軍，呂迎雪，張先波

（中交天津港灣工程研究院有限公司，中國交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300222）

1 概述

目前，沉箱結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于我國的港口工程建設(shè)中，如港口岸壁、碼頭、防波堤、燈塔等，隨著港口建設(shè)不斷向深水化發(fā)展，采用的沉箱重量由原來的幾百噸發(fā)展到幾千噸甚至上萬噸。如大連南部濱海大道工程主橋索塔錨碇基礎(chǔ)采用的就是2.6萬t的超大型沉箱，該沉箱不論是外形尺寸、平面面積、沉箱重量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)港口工程采用的沉箱，堪稱中國第一。對(duì)于大型沉箱的施工技術(shù)，一般是在岸邊或船塢中制造，然后采用浮運(yùn)方式拖運(yùn)到工程海域，最后進(jìn)行海上定位，灌水和填充下沉，使之平穩(wěn)沉到已整平的地基或拋石基床上。

在整個(gè)施工過程中，海上定位與下沉是難度最大、最關(guān)鍵的階段。傳統(tǒng)的施工工藝是采用方駁定位，但對(duì)于萬噸級(jí)的大型沉箱傳統(tǒng)方駁定位難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高。本次研究將采用兩種定位方法，一種是纜系定位，該定位方法與船舶靠泊碼頭相類似，事先在工程海域安放2個(gè)小沉箱，利用大沉箱系靠在小沉箱，通過調(diào)整纜繩方位進(jìn)行定位、注水安裝（見圖1）。另一種方法是錨系定位，該定位方法是事先在工程海域設(shè)置6個(gè)錨點(diǎn)，將大沉箱用6根錨纜錨系在錨點(diǎn)上，通過調(diào)整各錨纜松緊程度進(jìn)行定位、注水安裝（見圖2）。

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 沉箱模型

試驗(yàn)采用2.6萬t的超大型沉箱，其基本尺寸見表1。

2.2 纜繩的選取

纜系定位采用的系纜繩為直徑φ=80 mm的尼龍纜，破斷力為900 kN；

圖1 纜系定位安裝Fig.1 Positioning and installing of mooring system

圖2 錨系定位安裝Fig.2 Positioning and installing of anchor system

表1 沉箱基本尺寸（比尺1∶40）Table 1 Basic size of the caisson(scale 1∶40)

錨系定位采用的錨纜為直徑44 mm、長度200 m的鋼纜，其破斷力為1 070 kN。

2.3 波浪條件

本次沉箱定位試驗(yàn)研究的天然水深為18 m，其中沉箱底部的基床面水深為15 m，波浪方向?yàn)檎龑?duì)沉箱長軸方向（見圖1和圖2），波浪譜型采用我國的海港水文規(guī)范譜，其中纜系定位安裝試驗(yàn)研究的有效波高為1.0 m，平均周期為5~6 s；錨系定位安裝試驗(yàn)研究的有效波高為0.8~1.2 m，平均周期為6~8 s。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 纜系定位安裝試驗(yàn)結(jié)果

纜系定位安裝方案是，在工程海域事先安裝2個(gè)小沉箱，小沉箱后停系1艘5 000噸級(jí)的方駁。方駁前八字纜系在小沉箱上，后八字錨纜拋在海里。大沉箱上布置4個(gè)系纜點(diǎn)，2個(gè)系在小沉箱上，2個(gè)系在方駁上。通過調(diào)整各纜繩方位進(jìn)行定位，注水安裝，待大沉箱平穩(wěn)坐落基床上后安裝結(jié)束。

纜系定位安裝試驗(yàn)的內(nèi)容是，大沉箱定位后，沉箱吃水d=8.29 m、14.5 m狀態(tài)下，測定沉箱在H13%=1.0 m、T =5 s、6 s的波浪以及45°方向潮流（漲潮、落潮）聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和系纜力（見圖1）。沉箱運(yùn)動(dòng)量主要給出了沿波浪方向的橫移量和橫搖角。沉箱系纜力值給出了各纜繩拉力中的最大值。試驗(yàn)照片見圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3 沉箱纜系定位安裝試驗(yàn)研究Fig.3 Experimental study on the positioning and installing of caisson mooring system

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）工程海域平流段時(shí)，在波浪作用下，沉箱吃水越大，其橫移及橫搖運(yùn)動(dòng)幅度越小，各纜繩受力較均勻，最大纜力均未超過200 kN；

2）在漲潮流與波浪聯(lián)合作用下，受潮流的沖擊影響，大沉箱緊靠小沉箱，且縱向上有漂移，造成大沉箱上各系纜繩的受力不均勻，且對(duì)小沉箱的擠靠力也較大。

表2 沉箱纜系定位安裝試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Positioning and installing test results of the caisson mooring system

3）在落潮流與波浪聯(lián)合作用下，受潮流的沖擊影響，大沉箱離開小沉箱，對(duì)小沉箱的擠靠力為0，各系纜繩的受力比較均勻，在流速0.20 m/s時(shí)，最大纜繩拉力均＜200 kN。

4）通過試驗(yàn)研究，大型沉箱海上纜系定位安裝時(shí)，由于漲潮流時(shí)大沉箱對(duì)小沉箱的擠靠力太大，故盡量不要選擇在漲潮流條件下進(jìn)行大沉箱定位，宜選擇在波況較好，平流時(shí)段或落潮流速較小時(shí)進(jìn)行，定位時(shí)的波、流條件為：波高H13%≤1.0 m、周期T ≤6 s，落潮流速≤0.20 m/s。若落潮流速較大時(shí)，應(yīng)增強(qiáng)沉箱上纜繩的強(qiáng)度或增加纜繩數(shù)量，但流速不宜超過0.50 m/s。

3.2 錨系定位安裝試驗(yàn)結(jié)果

沉箱錨系定位安裝試驗(yàn)示意圖，詳見圖2，試驗(yàn)給出了沉箱沿波浪方向的橫移量、橫搖角以及各纜繩拉力中的最大值。試驗(yàn)照片見圖4，不同波浪條件、不同沉箱吃水（d=8.29 m、10.5 m、13.0 m、14.0 m、15.0 m）條件下的部分試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖4 沉箱錨系定位安裝試驗(yàn)研究Fig.4 Experimental study on the positioning and installing of caisson anchor system

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1） 在沉箱未坐落基礎(chǔ)之前（即d＜15.0 m），沉箱主要隨波浪來回運(yùn)動(dòng)，沉箱的位移量、橫搖角和錨纜力隨波高和波周期增大而增大，但隨吃水的增大而減小。隨著吃水的增大，沉箱的穩(wěn)定性也越來越好，便于沉箱的精確定位調(diào)整。

2） 沉箱剛剛坐落基床上時(shí)（即d=15.0 m），沉箱的位移量和錨纜拉力較其他吃水時(shí)明顯增大，主要是因?yàn)樵诓ɡ俗饔孟拢料湓诨采先杂形灰?，且由于基床?duì)沉箱底部的摩擦作用，這種位移不再是隨波浪來回運(yùn)動(dòng)。因此造成沉箱向背浪側(cè)的位移逐步增大，相應(yīng)的迎浪側(cè)的錨纜力值較大，最終達(dá)到整個(gè)錨系系統(tǒng)形成一個(gè)新的平衡。

3）通過試驗(yàn)研究，大型沉箱海上錨系定位安裝時(shí)，可以在定位前適當(dāng)加大沉箱吃水，方便沉箱定位，但在沉箱接近坐落基床上時(shí)為定位過程最危險(xiǎn)的階段，施工過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施防止沉箱在基床上發(fā)生位移，譬如利用拖輪進(jìn)行輔助，同時(shí)盡快增大沉箱的自重；或者利用起重船配重的方式將足夠重量的壓載物置于沉箱上，確保沉箱的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

針對(duì)超大型沉箱的海上定位安裝問題，本文介紹了纜系定位安裝和錨系定位安裝兩種方法，并通過物理模型試驗(yàn)研究測定了沉箱在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)量和纜力值。通過研究，大型沉箱采用纜系定位安裝時(shí)，宜選擇在波況比較好，平流時(shí)段或落潮流速較小時(shí)進(jìn)行為佳。若工程海域流速較大時(shí)，應(yīng)增強(qiáng)沉箱上纜繩的強(qiáng)度或增加纜繩數(shù)量。大型沉箱采用錨系定位安裝時(shí)，可以在定位前適當(dāng)加大沉箱吃水，但在沉箱接近坐落基床上時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施防止沉箱在基床上發(fā)生位移，確保沉箱穩(wěn)定。

圖5 沉箱錨系定位安裝試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Positioning and installing test resultsof thecaisson anchor system

[1]大連市南部濱海大道工程主橋索塔錨碇沉箱工程物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2012.Physical model test report on anchorage caisson in cable tower of main bridge of Dalian South Binhai Avenue[R].Tianjin:CCCC Tianjian Port Engineering Institute Co.,Ltd.,2012.

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[3] 康松濤，洪凌云.超大型沉箱關(guān)鍵施工技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2013（4）：53-56，62.KANG Song-tao,HONG Ling-yun.Research and application of key technology for construction of very large caissons[J].China Harbour Engineering,2013(4):53-56,62.

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