多成分錨泊技術(shù)在塔貝拉水電站吊裝平臺定位的應(yīng)用

徐紅剛，王 兵，柏勝平，張光輝

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北武漢430072)

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多成分錨泊技術(shù)在塔貝拉水電站吊裝平臺定位的應(yīng)用

徐紅剛1，王 兵2，柏勝平1，張光輝1

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北武漢430072)

巴基斯坦塔貝拉四期擴建工程中需要在水庫水面上吊裝疊梁門封堵4號引水洞。受庫區(qū)水面風(fēng)浪影響，吊裝平臺的高精度定位是保證疊梁門吊裝順利實施的前提。在吊裝平臺風(fēng)荷載計算分析的基礎(chǔ)上，利用基于海軍錨和多成分錨泊線的四點錨泊定位系統(tǒng)，滿足了疊梁門吊裝穩(wěn)定的要求，瞬時定位精度可達厘米級。實踐證明，該方法易于實現(xiàn)、穩(wěn)定性高，是施工作業(yè)平臺在寬闊水庫水面上進行動態(tài)定位的有效方法。

錨泊定位；浮箱平臺；閘門吊裝；深水庫區(qū)；塔貝拉水電站

1 工程概況

塔貝拉水電站是巴基斯坦印度河干流上的大型水利樞紐工程，具有灌溉、發(fā)電、防洪等效益。最大壩高143 m，正常蓄水位472.6 m。1976年蓄水發(fā)電，至今已運行近40年。右岸布置4條引水洞，1992年完成三期擴建后，裝機容量達3 478 MW，四期擴建工程在將右岸的4號引水洞改為發(fā)電引水洞的基礎(chǔ)上，新增裝機1 410 MW。4號引水洞的改造要先利用疊梁門吊入位于庫底的封堵門槽完成封堵。封堵門槽距庫岸最近距離約200 m，無陸基吊裝平臺可供利用，因此研制并利用由浮箱模塊組成的疊梁門吊裝平臺展開作業(yè)。

門槽位于庫區(qū)設(shè)計水位下100～120 m處，吊裝過程中近100 m無導(dǎo)軌，且門槽入口容許誤差僅±30 cm，吊裝定位精度要求非常高。由于深水下控制疊梁門位置和狀態(tài)存在諸多困難，采用將水下定位轉(zhuǎn)化為水面定位的方法，即通過在水面定位疊梁門吊裝平臺來代替在水中定位疊梁門。為了提高疊梁門吊裝入槽的準確率，需在吊裝過程中保證吊裝平臺的位置穩(wěn)定，實現(xiàn)吊裝平臺的高精度定位。

2 問題分析

封堵門槽位于半庫灣的庫底，上方水面開闊，吊裝平臺的位置必然受水面風(fēng)浪影響，從而使疊梁門在吊裝過程中隨平臺移動；同時，吊裝過程歷時較長，須多次重定位與固定；吊裝平臺周邊近岸覆蓋范圍不足，難以利用岸邊地錨纜索定位。針對這一難題，須研究設(shè)計一套保證疊梁門吊裝平臺快速定位的技術(shù)方案。

一般水上作業(yè)平臺根據(jù)作業(yè)水域水深，常用3種定位方式：錨泊定位(水深小于1 500 m)、錨泊輔助動力定位(水深1 500～3 000 m)和全動力定位(水深大于3 000 m)[1，2]。由于平臺作業(yè)區(qū)域位于半庫灣中，水深100 m左右，因此設(shè)計采用錨泊定位系統(tǒng)。

3 吊裝平臺風(fēng)荷載

3.1 疊梁門吊裝平臺

疊梁門吊裝平臺輪廓尺寸為36 m×15 m×1.5 m(長×寬×高)，由14個浮箱模塊按3列5行排列拼裝而成。平臺正中部無浮箱，為疊梁門安裝吊物孔。疊梁門吊裝平臺質(zhì)量為257 t(包括固定門機、發(fā)電機等設(shè)備)，設(shè)計承載質(zhì)量1 160 t。簡化的吊裝平臺如圖1所示。

圖1 疊梁門吊裝平臺側(cè)視示意

3.2 風(fēng)荷載計算

疊梁門吊裝平臺作業(yè)區(qū)域位于半庫灣中，為簡化計算，取浮箱平臺長度方向為橫向受風(fēng)面，寬度方向為縱向受風(fēng)面。在設(shè)計承載質(zhì)量160 t的工況下，平臺吃水深度計算值為0.77 m。

橫向受風(fēng)面積(浮箱+疊梁門節(jié)+軌道+臺車)為Axw=(1.5-0.77)×36+14.27×1.245+29×0.54+2.0×0.5×4≈63.7 m2，縱向受風(fēng)面積(浮箱+疊梁門節(jié)+門機)為Ayw=(1.5-0.77)×15+4.24×5.36+19.0≈52.7 m2。

根據(jù)JTS144- 1—2010《港口工程荷載規(guī)范》中作用于船舶上的風(fēng)荷載計算公式，計算作用于疊梁門吊裝平臺上的風(fēng)荷載。

(1)

(2)

式中，F(xiàn)xw、Fyw分別為作用在平臺上的計算風(fēng)壓力的橫向和縱向分力，kN；Axw、Ayw分別為平臺水面以上橫向和縱向受風(fēng)面積，m2；Vx、Vy分別為設(shè)計風(fēng)速的橫向和縱向分量，m/s；ζ1為風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)；ζ2為風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)。

浮箱平臺水面以上橫向輪廓的最大水平尺寸為36 m，縱向輪廓的最大水平尺寸為15 m，均小于50 m，故風(fēng)壓不均勻折減系數(shù)ζ1取為1.00。

浮箱平臺上門機安裝總高度約為12.5 m，故風(fēng)壓高度變化修正系數(shù)ζ2插值取為1.24。

多種風(fēng)力條件下，風(fēng)壓力計算如表1所示。

表1 對應(yīng)風(fēng)級的風(fēng)壓力求解結(jié)果

風(fēng)級風(fēng)速/m·s-1橫向分壓力/kN縱向分壓力/kN000～020002300013103～150130800720216～330633103487334～541695409337455～793628519984580～10766564366606108～13811072260979

注：表中風(fēng)壓求解均以最大風(fēng)速計。

為保證疊梁門到達門槽頂部時偏差不超過30 cm，要求在風(fēng)浪影響下浮箱平臺的水面位置偏差小于15 cm。由于錨泊系統(tǒng)屬于柔性定位系統(tǒng)，剛度較低，為避免大風(fēng)浪時，無法對正門槽，磕碰損壞疊梁門、門槽或門吊系統(tǒng)，疊梁門安裝選在風(fēng)力小于3級的時段進行，即設(shè)計吊裝工況的風(fēng)力不超過3級，浮箱平臺錨固穩(wěn)定性以6級風(fēng)力校核。

4 基于海軍錨的多成分錨泊線定位

綜合考慮塔貝拉水電站現(xiàn)場施工條件和設(shè)備采購、運輸條件等因素，疊梁門吊裝平臺定位系統(tǒng)設(shè)計主要從以下幾個方面考慮。

4.1 錨的選用

錨是拋入水底后提供抓力，通過其頂端所系的錨鏈或錨索將疊梁門吊裝平臺系留于預(yù)定水域的專用設(shè)備。錨的種類大致可分為有桿錨、無桿錨、大抓力錨及特種錨四大類[3]。

海軍錨是歷史最悠久的典型有桿錨。單爪嚙入土中，具有較好的抓重比，即便受風(fēng)力或潮流等影響也不易翻轉(zhuǎn)走錨。盡管收放不便，但不需經(jīng)常收放錨具的深水區(qū)作業(yè)工程船舶常采用海軍錨作為主錨[4，5]。經(jīng)研究和比選，本工程擬采用輕型海軍錨作為錨泊系統(tǒng)的主錨。

4.2 錨泊線形式

錨泊線是錨鏈、錨索及其配上各種塊重或浮力器件的組合[6]，主要用于連接錨和疊梁門吊裝平臺，傳遞錨產(chǎn)生的抓駐力。隨著錨泊技術(shù)的發(fā)展，錨泊線的組成成分也由單一的全鏈、全索發(fā)展至多成分的組合形式[7]。

考慮到浮箱平臺定位操作具有重復(fù)性，為了提高定位能力，改善錨泊系統(tǒng)性能；同時比較了在浮箱平臺上安裝卷纜機與錨機的可操作性和經(jīng)濟性，研究設(shè)計了錨鏈與鋼纜連接的組合錨泊線形式：錨泊線與錨連接部分采用錨鏈，與浮箱平臺連接部分采用鋼纜。浮箱平臺上配以電動卷纜機收放鋼纜，對錨泊線進行調(diào)整。

在錨鏈上設(shè)浮筒，主要用以標識錨鏈，并在錨泊系統(tǒng)非作業(yè)狀態(tài)下支撐錨鏈。浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖2。

圖2 海軍錨浮筒結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

4.3 布錨方式

錨點的布設(shè)應(yīng)考慮吊裝平臺能承受任何方向的最大環(huán)境力。與海洋環(huán)境相比，處于內(nèi)陸庫區(qū)半庫灣進行施工作業(yè)的環(huán)境力多半來自水庫風(fēng)浪。

考慮經(jīng)濟性與操作繁簡程度，設(shè)計選用四點超靜定布錨方式。根據(jù)水下地形圖、水庫水深數(shù)據(jù)和定位錨鏈的最大仰角，在吊裝平臺四角的外延150 m范圍內(nèi)選擇4個錨定位置，如圖3所示。其中浮筒系統(tǒng)錨位尺寸為參考值，需根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境及實際水位高程進行調(diào)整確認。

圖3 浮箱平臺錨定系統(tǒng)設(shè)計示意(單位：m)

4.4 錨抓力校核

對錨泊懸垂線進行受力分析：單向風(fēng)荷載作用時，假設(shè)僅靠近風(fēng)向一側(cè)兩錨受力；考慮最不利的情況，對兩正交風(fēng)荷載作用疊加。錨1和錨2與浮箱平臺軸線在水平方向所成夾角均為34°；錨3和錨4與浮箱平臺軸線在水平方向所成夾角均為50°。

由風(fēng)荷載計算知，3級風(fēng)條件下，浮箱平臺受風(fēng)荷載最大值為Fxw=1.695 4 kN,Fyw=0.933 7 kN。

6級風(fēng)條件下，浮箱平臺受風(fēng)荷載最大值為Fxw=11.072 2kN,Fyw=6.097 9 kN。

根據(jù)經(jīng)驗公式計算錨定力

F=mgK

(3)

式中，m為海軍錨質(zhì)量；K為抓重比，查閱《浮橋施工技術(shù)》可得海軍錨在庫底多年淤沙地層上的抓重比K取為2.7[8]。

設(shè)計采用1.0t輕型海軍錨，由式(3)計算可知，該錨的錨定力為26.46 kN，在設(shè)計工況和校核工況下，錨泊系統(tǒng)所需錨拉力均小于錨定力，故采用1.0t輕型海軍錨可以滿足錨定需求。海軍錨在庫底工作性態(tài)如圖4所示。

圖4 海軍錨在庫底工作性態(tài)

4.5 拋錨

將海軍錨、錨鏈、浮筒連接成套，將其吊裝至作業(yè)平臺上；用疊梁門吊裝平臺將海軍錨運至投放點，利用平臺側(cè)邊的掛吊投放海軍錨；緩慢下落著床；以浮筒標志錨位，便于監(jiān)視和取用。用同樣的方法將四組海軍錨拋錨到位，完成運吊裝一體化平臺四角的海軍錨拋錨工作。

4.6 錨泊定位實施效果

4號隧洞取水口疊梁門吊裝采用整套運輸、逐節(jié)吊裝的方式，將疊梁門的4節(jié)門葉在無導(dǎo)軌條件下吊裝到100 m深水下的門槽內(nèi)。吊裝開始前，首先用駁船驅(qū)動浮箱平臺至安裝區(qū)域附近，將浮箱平臺四角上的卷纜機放纜與海軍錨的浮筒上錨鏈連接，構(gòu)建水面疊梁門吊裝平臺與錨固系統(tǒng)，便于水上位置的動態(tài)控制。通過電動卷纜機動態(tài)操控吊裝平臺姿態(tài)，牽動吊裝平臺并穩(wěn)定于疊梁門閘門槽的正上方，使浮箱上的吊點中心與疊梁門門槽中心線重合。在吊裝平臺實時高精度測量系統(tǒng)的反饋指導(dǎo)下，可實現(xiàn)運吊裝一體化平臺瞬時厘米級高精度定位，吊裝過程中分米級定位。

通過浮箱平臺上的吊孔，利用門機將疊梁門吊入水中，直至其底部距門槽入口0.5 m時停止。再次利用測量系統(tǒng)和錨泊定位系統(tǒng)對平臺和疊梁門姿

態(tài)進行測控，使疊梁門起吊中心線與門槽中心線重合，繼續(xù)下放疊梁門至門槽底部。依次完成剩余門葉及另一套疊梁門吊裝。

在上述錨泊定位技術(shù)的協(xié)助下，工程于2014年12月成功吊裝2套、共8節(jié)疊梁門。在本工程的百米級水深無導(dǎo)軌疊梁門吊裝過程中，共完成了2套疊梁門的兩輪吊裝作業(yè)。其一次性精準定位成功、順利入槽的比例超過50%；所有疊梁門節(jié)均順利吊裝到位，無一例發(fā)生卡槽等吊裝事故。

5 結(jié) 論

本工程百米級深水高精度疊梁門無導(dǎo)軌吊裝作業(yè)，在水面無定位參考、水面風(fēng)浪等不利條件下，主要依靠水面的疊梁門吊裝平臺定位解決疊梁門深水吊裝入槽問題。本文在分析吊裝平臺風(fēng)荷載、錨泊系統(tǒng)的錨、錨泊線、布錨方式等問題的基礎(chǔ)上，選用基于海軍錨和多成分錨泊線的錨泊定位方式，保證了水上吊裝平臺的錨泊穩(wěn)定。瞬時定位精度可達厘米級，吊裝過程中的定位精度可達分米級。順利完成了2套8節(jié)疊梁門的兩輪吊裝作業(yè)。定位精度、效率與成本兼顧，可操作性強，可為庫區(qū)水上和水下吊裝施工作業(yè)提供參考。

[1]WICHERS J， van DIJK R. Benefits of using assisted DP for deepwater mooring systems[C]∥Offshore Technology Conference， 1996．

[2]AALBERS A B， MERCHANT A A. The hydrodynamic model testing for closed loop DP assisted mooring[C]∥Offshore Technology Conference， 1996．

[3]王道能. 浮筒錨泊系統(tǒng)受力分析及其仿真[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)， 2008．

[4]潘夢蕾. 錨與錨鏈[J]. 現(xiàn)代艦船， 2008， 46(4)： 32- 35．

[5]俞伯良， 顧秋霞. 對我國現(xiàn)行標準海軍錨的分析和探討[J]. 艦船輔助機電設(shè)備， 1976， 13(3)： 1- 14．

[6]潘甜. 組合錨泊系統(tǒng)的分析與研究[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)， 2010．

[7]余龍， 譚家華. 基于準靜定方法的多成分錨泊線優(yōu)化[J]. 海洋工程， 2005， 23(1)： 69- 73．

[8]吳德馨. 浮橋施工技術(shù)[M]. 北京： 中國建材工業(yè)出版社， 2000．

(責(zé)任編輯 王 琪)

Application of Multi-component Mooring Technology in the Positioning of Lifting Platform of Tarbela Hydropower Station

XU Honggang1, WANG Bing2, BAI Shengping1, ZHANG Guanghui1

(1. Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu 610081, Sichuan, China;2. State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China)

The stoplog gate is needed to be lifted on the surface of reservoir to seal No. 4 diversion tunnel of Tarbela fourth extension hydropower project in Pakistan. Under the influence of wind and waves in deep reservoir, the high precision positioning of pontoon platform is the precondition to ensure that the stoplog gate lifting process is carried out smoothly. Based on the calculation and analysis of wind load acting on lifting platform, the four-point mooring positioning system included navy anchors and multi-component mooring lines are adopted. It meets the stability requirement of stoplog gate lifting and the instantaneous positioning precision can achieve centimeter-level. The practice proves that the method is ease to implement and has high stability. The method is effective on the construction of platform for dynamic positioning on the surface of wide reservoir．

anchor mooring positioning; pontoon platform; gate lifting; deep reservoir; Tarbela Hydropower Station

2015- 10- 02

徐紅剛(1976—)，男，四川成都人，助理工程師，從事水電站金屬閘門和啟閉機設(shè)計、制造、安裝工作．

TV512

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0559- 9342(2016)09- 0068- 04