超大型沉箱海上定位安裝試驗研究

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力重點試驗室，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，然后采用浮運方式拖運到工程海域，最后進行海上定位，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，但對于萬噸級的大型沉箱傳統(tǒng)方駁定位難度大，危險系數(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個小沉箱，利用大沉箱系靠在小沉箱，通過調(diào)整纜繩方位進行定位、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個錨點，將大沉箱用6根錨纜錨系在錨點上，通過調(diào)整各錨纜松緊程度進行定位、注水安裝（見圖2）。

2 物理模型試驗

2.1 沉箱模型

試驗采用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，波浪方向為正對沉箱長軸方向（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；錨系定位安裝試驗研究的有效波高為0.8~1.2 m，平均周期為6~8 s。

3 試驗結(jié)果

3.1 纜系定位安裝試驗結(jié)果

纜系定位安裝方案是，在工程海域事先安裝2個小沉箱，小沉箱后停系1艘5 000噸級的方駁。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個系纜點，2個系在小沉箱上，2個系在方駁上。通過調(diào)整各纜繩方位進行定位，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)合作用下的運動狀態(tài)和系纜力（見圖1）。沉箱運動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。試驗照片見圖3，試驗結(jié)果見表2。

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

試驗結(jié)果表明：

1）工程海域平流段時，在波浪作用下，沉箱吃水越大，其橫移及橫搖運動幅度越小，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，且對小沉箱的擠靠力也較大。

表2 沉箱纜系定位安裝試驗結(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，最大纜繩拉力均＜200 kN。

4）通過試驗研究，大型沉箱海上纜系定位安裝時，由于漲潮流時大沉箱對小沉箱的擠靠力太大，故盡量不要選擇在漲潮流條件下進行大沉箱定位，宜選擇在波況較好，平流時段或落潮流速較小時進行，定位時的波、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，應(yīng)增強沉箱上纜繩的強度或增加纜繩數(shù)量，但流速不宜超過0.50 m/s。

3.2 錨系定位安裝試驗結(jié)果

沉箱錨系定位安裝試驗示意圖，詳見圖2，試驗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）條件下的部分試驗結(jié)果見圖5。

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

試驗結(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動，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（即d=15.0 m），沉箱的位移量和錨纜拉力較其他吃水時明顯增大，主要是因為在波浪作用下，沉箱在基床上仍有位移，且由于基床對沉箱底部的摩擦作用，這種位移不再是隨波浪來回運動。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，最終達到整個錨系系統(tǒng)形成一個新的平衡。

3）通過試驗研究，大型沉箱海上錨系定位安裝時，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為定位過程最危險的階段，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，譬如利用拖輪進行輔助，同時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研究測定了沉箱在波浪作用下的運動量和纜力值。通過研究，大型沉箱采用纜系定位安裝時，宜選擇在波況比較好，平流時段或落潮流速較小時進行為佳。若工程海域流速較大時，應(yīng)增強沉箱上纜繩的強度或增加纜繩數(shù)量。大型沉箱采用錨系定位安裝時，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研究報告[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.

[2]JTJ/T 234—2001，波浪模型試驗規(guī)程[S].JTJ/T 234—2001,Wavemodel test regulation[S].

[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.

[4] ZHANG Guo-jun,TAN Yong-gang,LI Hong-nan.Analysis on overall design of themain bridgeof Dalian South Binhai Avenue[J].Applied Mechanicsand Materials,2012,137:392-397.

[5]WANGQian,TANYong-gang,GENGTie-suo.Caisson foundation design for offshore anchorage[J].Advanced Materials Research.2012,368:1 491-1 494.