適用內(nèi)河大水位差地區(qū)的移船、下水設(shè)施設(shè)計創(chuàng)新

楊昌輝， 居惠紅， 徐東暉， 秦曉宇

(1. 中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 200063； 2. 上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海200063)

適用內(nèi)河大水位差地區(qū)的移船、下水設(shè)施設(shè)計創(chuàng)新

楊昌輝1,2， 居惠紅1,2， 徐東暉1,2， 秦曉宇1,2

(1. 中船第九設(shè)計研究院工程有限公司， 上海 200063； 2. 上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心， 上海200063)

結(jié)合武昌船舶重工有限責(zé)任公司雙柳基地橫向萬噸級下水滑道工程，論述大型特種產(chǎn)品在平地總裝建造，利用組合式模塊車移運(yùn)，結(jié)合橫向斜船架滑道下水的方案。該項目大型平臺產(chǎn)品(如雙體船)在平地總裝建造及移船下水操作的成功實施，可為類似產(chǎn)品在大水位差地區(qū)的建造場地總體布置方案、滑道工程設(shè)計提供參考。

移船；下水; 萬噸級滑道; 水位差

0 前言

武昌船舶重工有限責(zé)任公司(以下簡稱武船)雙柳基地船臺、滑道工程根據(jù)地形、地質(zhì)、水文的不同情況和下水操作的不同要求，因地制宜地進(jìn)行了總體布置：將沿岸線自然水深較大的區(qū)段布置碼頭設(shè)施；地質(zhì)條件較好的區(qū)段作為承載力要求高的船臺、橫移區(qū)；而有著適宜水域、水下自然地形坡度貼合滑道坡度的區(qū)段作為下水滑道區(qū)域，相關(guān)構(gòu)筑物在進(jìn)行移船、下水作業(yè)時互不干擾。此項目中新穎的移船工藝方案、突破常規(guī)的平面布置等方面可為類似工程設(shè)計提供參考。

1 項目背景

武船雙柳基地位于陽邏經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)雙柳鎮(zhèn)長江左岸，占地3 000畝(沿江岸線2 800 m，縱深800～1 000 m)。基地目標(biāo)產(chǎn)品最大為載重量30 000 t成品化學(xué)品船，重量達(dá)10 000 t，對于地處長江中游，最大水位差達(dá)20 m的重型裝備制造基地來說，在產(chǎn)品移運(yùn)、上墩和下水設(shè)施的設(shè)計和施工方面均提出了較高的要求。

2 產(chǎn)品移運(yùn)、下水設(shè)施設(shè)計創(chuàng)新

2.1 組合式模塊車移運(yùn)+滑道橫向下水工藝

武船雙柳特種船舶及重型裝備制造基地的代表性產(chǎn)品主要有海工輔助平臺船和成品化學(xué)品船，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 典型產(chǎn)品參數(shù)

工程所處的區(qū)域位置決定了項目產(chǎn)品下水方案是總體設(shè)計中的關(guān)鍵部分。經(jīng)多種方案對比分析，考慮到目標(biāo)產(chǎn)品的主尺度、自重以及工程位置水位差情況，橫向斜船架滑道下水相較于縱向布置的滑道、船塢或者升船機(jī)等方案均更為可行。

橫向斜船架滑道是借助于絞車的拉曳使船舶通過垂直其縱軸的方向運(yùn)動而上墩、下水的滑道。與縱向布置滑道相比，其優(yōu)點是：能在坡度較陡的情況下，既使滑道長度盡可能縮短，又使滑道末端標(biāo)高有較大的提高，從而使滑道末端有可能布置在離岸較近、水深較淺的地方。這樣，對于因水域狹窄或航運(yùn)繁忙而不允許滑道過于伸出水面的情況較為有利，且由于近岸處水流速度相對較緩，而船舶在上墩、下水時處于與水流基本平行的狀態(tài)，迎水面積較小，對船舶的下水安全和定位操作均較為有利。

初步設(shè)計時，移船工藝采用船臺小車載運(yùn)船舶，經(jīng)過縱、橫移上斜船架，這是一種成熟的移船工藝，通過了集團(tuán)公司組織的初步設(shè)計專家評審會的審查。但考慮到船臺小車軌道鋪設(shè)面積較大會增加投資成本，經(jīng)分析比較，最終采用組合式模塊運(yùn)輸車作為移船設(shè)備。模塊運(yùn)輸車使用靈活，對場地荷載、沉降要求較小，可分期、分批購買或部分租賃，組合使用，從而顯著節(jié)約了初期投資。

采用模塊運(yùn)輸車承載船舶縱、橫移并上斜船架的移船方式，是一種全新的移船工藝。模塊運(yùn)輸車具有機(jī)動靈活、運(yùn)輸重量大、地面承載力要求相對較低、可根據(jù)運(yùn)輸產(chǎn)品進(jìn)行多種方式的組合拼接的特點。使用時，既可以拼接成一個大的模塊運(yùn)送大型結(jié)構(gòu)，又可以分成若干個小模塊進(jìn)行運(yùn)輸，節(jié)能高效。將眾多車輛模塊組合后，通過同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)所有車輛的同步運(yùn)行。圖1為模塊運(yùn)輸車承載整船移運(yùn)，單個模塊車如圖2所示，模塊車組合如圖3所示，采用模塊式運(yùn)輸車的移船工藝如圖4所示。

圖1 模塊運(yùn)輸車承載整船移運(yùn) 圖2 單個模塊運(yùn)輸車

圖3 模塊運(yùn)輸車組合

圖4 模塊運(yùn)輸車移船工藝

2.2 船臺及滑道平面布置創(chuàng)新

基于上述移船工藝，進(jìn)行總平面布置調(diào)整。根據(jù)地形、水流及泥沙淤積情況，從下水安全、開挖土方量方面考慮，在不改變陸域總體規(guī)劃的前提下，將滑道向下游適當(dāng)移動，滑道中心線距離廠區(qū)下游邊界線850 m。該布置方案使泥沙淤積情況得到大幅改善，并得到了模型試驗的驗證。

下水滑道布置在廠區(qū)的中下游，根據(jù)設(shè)計原則：長江大堤開口寬度不大于60 m，標(biāo)高不低于24.3 m[1]，在滑道頂端，將防汛大堤局部(約220 m)往陸域方向平移，移動距離70 m，新建大堤與原大堤形成“凹”字型。船舶移運(yùn)工藝要求船舶需要由船臺經(jīng)橫移區(qū)縱移穿堤后轉(zhuǎn)移至下水斜船架上，故需新建大堤西側(cè)連接段，設(shè)置凈寬不大于60 m的防汛閘門門礅。當(dāng)長江水位達(dá)到警戒水位時，關(guān)閉防汛閘門，形成完整的防汛體系。 “凹”字型平面布置方案的提出，不僅為船舶從橫移區(qū)直接縱移上橫移架提供了可能，省去了模塊運(yùn)輸車的一次轉(zhuǎn)向操作，還滿足了防洪主管部門對大堤開口寬度要求，同時，橫向滑道末端未伸入現(xiàn)有航道水域，對長江通航環(huán)境沒有影響。

滑道區(qū)陸域側(cè)布置4#露天船臺，并向北依次布置5#～7#室內(nèi)船臺；4#～7#露天船臺西側(cè)布置為橫移區(qū)，橫移區(qū)西側(cè)布置1#～3#露天船臺。船臺布置均為東西走向，與下水斜船架平行。絞車房布置在滑道頂端、防汛大堤內(nèi)側(cè)。調(diào)整后的船臺、橫移區(qū)取消了船臺小車縱、橫移軌道，其布置如圖5所示。

圖5 調(diào)整后的船臺、橫移區(qū)平面布置

2.3 滑道主要參數(shù)確定

(1) 設(shè)計水位及防洪水位。擬建工程處防洪水位為26.83 m(高程系統(tǒng)為1985國家高程，下同)。漢口站警戒水位為25.2 m，推算到擬建工程處為24.21 m。場址所在的堵龍干堤為3級堤防，堤頂高程為28.50 m。

工程處于不受潮汐影響的長江中游地區(qū)，以造船為主，取枯水期3個月內(nèi)，水位持續(xù)時間2.0 h，統(tǒng)計月平均達(dá)到20天的水位，作為滑道設(shè)計下水水位，取11.5 m。

(2) 滑道坡度。 橫向滑道坡度的確定涉及下水船舶大小、水域地形以及曳船絞車的拉力等因素，一般比縱向滑道坡度陡。考慮滑道坡度應(yīng)與自然岸坡相適應(yīng)，水下部分盡量不改變原有地形特征，以減少后期使用回淤量，并減少挖方或回填量。經(jīng)模型試驗驗證，最終確定滑道坡度為1∶8。

(3) 滑道頂端標(biāo)高。船臺、橫移區(qū)場地設(shè)計標(biāo)高為24.3 m，高于警戒水位。滑道頂端斜船架首端高度為2.0 m，架面標(biāo)高與場地設(shè)計標(biāo)高一樣，則滑道頂端標(biāo)高為22.3 m。絞車房布置在滑道頂端防洪墻(頂端標(biāo)高為28.5 m)后方，在絞車鋼絲繩出口處開孔，并經(jīng)定滑輪轉(zhuǎn)向，連接至斜船架首端的動滑輪上。

(4) 滑道末端標(biāo)高?；滥┒藰?biāo)高為設(shè)計水位與滑道末端水深之差?；滥┒怂畎词?1)計算。

式中：T為下水船舶最大吃水，m；a為裕度，m；ht3為船舶墊墩高度(包括墊墩、抬船橫梁、船臺小車、曲線邊墩等高度)，m；ha為斜船架末端高度，m。

經(jīng)計算，滑道末端標(biāo)高為-2.1m。

2.4 滑道工藝設(shè)備及拉曳系統(tǒng)布置

滑道上主要設(shè)備為橫向斜船架，該斜船架采用多臺絞車曳引，并制定有保證同步或調(diào)整的措施。由于移船距離較長，且要求牽引速度恒定，因此采用帶儲繩筒的摩擦式絞車[2]?；郎掀聲r總牽引力及牽引絞車?yán)Ω鶕?jù)機(jī)械化滑道設(shè)計規(guī)范相關(guān)公式進(jìn)行計算。

根據(jù)代表產(chǎn)品尺度、重量分布，橫向斜船架長190m，共分2節(jié)，主架長110m，副架長80m，主、副架可聯(lián)合或分別獨立使用。斜船架在滑道的上下運(yùn)行，由拉曳系統(tǒng)提供支持。根據(jù)工藝配置，整個斜船架橫向一排共配置了26個拉點，主架16個拉點，副架10個拉點。每臺絞車鋼絲繩拉力為40t，在滑輪上繞4道組成一個拉點，每個拉點名義拉力為160t。主、副架質(zhì)量分別為1 850t，1 350t。橫向斜船架橫剖面如圖6所示。

圖6 橫向斜船架橫剖面

2.5 滑道結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.5.1 設(shè)計條件及要求

(1) 水文。陽邏長江段屬常年徑流河段，受季節(jié)性雨季上游來水及干支流匯水影響，每年洪峰期與枯水期水位相差在10m以上，高水位可達(dá)26m，低水位在13m以下。

(2) 地質(zhì)。擬建場區(qū)地層主要由粉土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂、細(xì)砂、卵石和含礫粉砂巖組成?？眳^(qū)地層成因以河流沖積、沖洪積為主，且地層分布不均勻。擬建場區(qū)岸坡在目前自然條件下比較穩(wěn)定，但在江水沖蝕作用下存在崩塌等隱患，岸坡局部穩(wěn)定性存在問題，應(yīng)予以重視。預(yù)制樁可采用⑦-2、⑧、⑩-1層為持力層，鉆孔灌注樁可采用第⑧、⑩-2層作為樁基持力層[5]。

橫向下水滑道典型地質(zhì)剖面如圖7所示。

圖7 工程地質(zhì)典型剖面

(3) 工藝荷載及使用要求?；浪酵队伴L度為195.2m，整個滑道鋪設(shè)32根軌道，主架占20根，軌距為5.65m，副架占12根，軌距為6.8m，軌道型號QU100，輪壓為70t。每根軌道上有走輪16個，輪距為1.1m，共有走輪512個，其中主架320個，副架192個。

該斜船架既長且載重量大，是我國目前最大規(guī)格之一，因此走輪多軌道也多。特別是軌道的狀態(tài)對斜船架正常運(yùn)行影響甚大。軌道鋪設(shè)要求：以理論位置為基準(zhǔn)，軌道中心線偏差±5mm，接頭錯牙小于1mm，頂端標(biāo)高偏差±4mm，接縫間隙小于4mm。此外，走輪在運(yùn)行中對鋼軌有側(cè)向力，最大側(cè)向力按每個走輪25t考慮。

2.5.2 滑道結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足工藝設(shè)備軌道基礎(chǔ)承受荷載較大和嚴(yán)格控制變形的使用要求，滑道采用樁基連續(xù)梁或樁基簡支梁結(jié)構(gòu)，并將每2根軌道梁連接形成井字梁形式。

2.5.2.1 結(jié)構(gòu)方案

滑道靠近陸域側(cè)約60m范圍為陸上施工，采用樁基連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分段長度為27.5m或33.0m，跨距為7.50～9.0m?；懒簲嗝娉叽鐬?.8m×2.6m(H)，樁基采用灌注樁，直徑Φ為1 200mm，樁底嵌入⑩-2中風(fēng)化含礫粉砂巖6.50～8.50m。

滑道靠近水域側(cè)130m范圍為水下施工，滑道采用簡支梁結(jié)構(gòu)。滑道梁分段長度為7.0m，跨距為7.0m。滑道梁斷面尺寸為0.8m×2.4m(H)，樁基采用灌注樁，直徑Φ為1 200mm，樁底嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖6.50～8.50m。

下水滑道結(jié)構(gòu)典型斷面如圖8所示。

圖8 下水滑道結(jié)構(gòu)典型斷面

2.5.2.2 結(jié)構(gòu)計算

橫向下水滑道按照彈性支撐簡支梁考慮，采用有限元軟件進(jìn)行分析計算。

樁力承載力：根據(jù)《武船雙柳基地船臺滑道工程地質(zhì)勘察報告書(詳細(xì)勘察)》中有關(guān)地質(zhì)參數(shù)確定單樁垂直極限承載力的分析，計算結(jié)果如下：

(1) 單根梁最大反力4 090kN，最大樁力為4 090×2=8 180kN。

(2) 滑道梁彎矩：Mmax=6 285kN·m。

(3) 相關(guān)內(nèi)力計算結(jié)果云圖如圖9所示。

圖9 內(nèi)力計算結(jié)果云圖

(4) 單樁垂直極限承載力設(shè)計值。

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTS167-4-2012)第4.2.4條規(guī)定，當(dāng)樁基按承載力采用承載力經(jīng)驗參數(shù)法確定單樁垂直極限承載力設(shè)計值時，按下式計算：

以ZK44鉆孔為例，樁底嵌巖深度為8.50m時，Φ1 200鉆孔灌注樁單樁極限承載力設(shè)計值為8 400kN。試樁壓力達(dá)到14 000kN。

3 結(jié)語

(1) 武船雙柳基地橫向斜船架滑道是國內(nèi)已建設(shè)實施的最大機(jī)械化滑道工程之一，下水質(zhì)量達(dá)10 000t，也是首次在國內(nèi)將組合式模塊車應(yīng)用于整船移運(yùn)及總段合龍[3]。模塊運(yùn)輸車承載船舶縱、橫移，并與斜船架滑道下水相結(jié)合，是一種全新的移船、下水工藝。

組合式模塊車移運(yùn)大件產(chǎn)品，省去了船臺小車軌道這樣的固定設(shè)施，并與橫向斜船架滑道相結(jié)合，顯示出該方案的靈活性和可擴(kuò)展性：① 斜船架可在縱向和橫向2個方向根據(jù)產(chǎn)品需要擴(kuò)展。目前，為滿足船寬達(dá)45m的雙體船移船下水要求，已實施副架加寬工程； ② 已建橫移區(qū)和船臺北側(cè)均預(yù)留了場地空間，可供未來發(fā)展使用。

(2) 本項目主要水工設(shè)施是下水滑道，水流運(yùn)動特征及河床沖淤變化對滑道工程的布置及運(yùn)行具有重要的影響，尤其是滑道建成后，其水域內(nèi)是否會出現(xiàn)泥沙淤積是工程成敗的關(guān)鍵。為此，委托南京水利科學(xué)研究院專門進(jìn)行了數(shù)學(xué)、物理模型試驗研究。

通過對不同水文條件下滑道不同布置方案實施前后的情況進(jìn)行計算，分析工程河段水流泥沙運(yùn)動特征及河床演變規(guī)律，著重研究滑道建成后其附近水域的水流流速、流態(tài)以及泥沙淤積狀況，并對滑道工程的平面布置方案進(jìn)行論證。結(jié)果表明：采用1∶8坡度，閘門通道直接對準(zhǔn)斜船架，船舶下水時，可以減少一次橫移操作，且不需要設(shè)置模塊車退出平臺，而泥沙淤積情況與其他方案相差不大。模型報告結(jié)論的提出，為本項目總平面布置、滑道設(shè)計參數(shù)的最終優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

[1] 中船第九設(shè)計研究院工程有限公司. 武船陽邏雙柳特種船舶及重型裝備制造基地造船區(qū)建設(shè)項目可行性研究報告[R].2010.

[2] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.機(jī)械化滑道設(shè)計規(guī)范：CB/T 8523-2011[S].北京：中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，2011.

[3] 中船第九設(shè)計研究院工程有限公司.武昌造船廠集團(tuán)有限公司武船雙柳基地造船區(qū)水工設(shè)施初步設(shè)計[R].2012.

[4] 南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室.武船雙柳基地造船區(qū)水工設(shè)施水流泥沙數(shù)學(xué)模型計算研究[R]. 2011.

Design Innovation on Ship Transport and Launching for Inland River with Large Tide Range

YANG Changhui1,2， JU Huihong1,2， XU Donghui1,2， QING Xiaoyu1,2

(1. China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd.， Shanghai 200063， China；2. Shanghai Research Center of Ocean & Shipbuilding Engineering， Shanghai 200063， China)

Regarding the launching skid way project of Shuangliu base in Wuhan, a transverse skid way proposal for large-scale vessels is demonstrated and analyzed by considering on-land assembly with module carriages. The successful launching of large-scale vessels in the project (twin-hull ship and etc.) can provide reliable and helpful reference for other similar products launching in area with large tide range.

ship transport; launching; skid way; tide range

楊昌輝(1979-)，男，高級工程師，主要從事船廠、港口等水工工程設(shè)計。

1000-3878(2017)01-0058-07

U651

A