基于魚雷錨施工的海洋組合式錨泊基礎

劉金龍，祝磊，姚軍，肖赟 （合肥學院城市建設與交通學院，安徽 合肥 230601）

1 引言

魚雷錨是動力貫入錨的一種，一般長約15m，重達130t。錨自身的形狀類似魚雷，故得名魚雷錨。魚雷錨可分為有尾翼和無尾翼兩種類型，有尾翼的錨身一般有4個尾鰭。魚雷錨錨身形如圓柱狀，內(nèi)部中空，可以填充高密度的材料如混凝土、廢金屬等來增加自重和降低錨重心而維持其穩(wěn)定性，下端部呈錐形狀，便于貫入海床土體中。

魚雷錨安裝快捷方便，安裝時不需要借助任何外力，僅需在離海底足夠高的位置將其垂直釋放，使其靠自身重力下落，并在碰撞海底時，借助高加速度導致的巨大慣性力而貫穿海床至一定深度。通常釋放高度在距海底30m時能達到17m/s的最終碰撞速度，貫入深度約為7m，在150m時能達到30m/s以上，貫入深度約為20m。

可見，魚雷錨具有結構簡單、可重復使用、制造成本低、安裝便捷的特點，非常適合海上的施工環(huán)境。若能利用該優(yōu)點，把魚雷錨變成一種施工工具，必將促進海洋錨泊基礎施工技術的進步與發(fā)展。因此，有必要發(fā)展基于魚雷錨貫入施工的新型基礎型式，促進海洋工程錨泊基礎的技術進步。

2 新型組合式錨泊基礎

為此，本文提出一種基于魚雷錨施工的海洋組合式錨泊基礎，包括可組成整體呈對稱狀態(tài)的上下兩部分結構；上下兩部分結構均由兩個套筒與七個翼板組成，兩個套筒之間由一塊翼板焊接相連，每個套筒外圍另外還均勻設置有三塊翼板；所述上下兩部分結構沿豎向的投影形狀完全相同；上下兩部分結構一側(cè)的相鄰翼板上各設置一個相互位置較近的預留孔，用鋼索綁定兩個預留孔使上下兩部分結構相互連接；上部結構離預留孔較遠的另一側(cè)翼板的下部設置一個系泊孔，錨鏈與系泊孔相連，如圖1～圖8所示。

圖1 所提錨泊基礎俯視圖

圖2 所提錨泊基礎主視圖

圖3 所提錨泊基礎側(cè)視圖

圖4 所提錨泊基礎三維示意圖

圖5 所提錨泊基礎上部分結構三維示意圖1

圖6 所提錨泊基礎上部分結構的三維示意圖2

圖7 所提錨泊基礎下部結構的三維示意圖1

圖8 所提錨泊基礎下部結構的三維示意圖2

上下兩部分結構均由兩個套筒與七個翼板組成，兩個套筒之間由一塊翼板焊接相連，每個套筒外圍還均勻設置有三塊翼板，如圖5～圖8所示?？梢?，每個套筒外圍均勻的分布有四塊翼板，其中一塊翼板為兩個套筒之間共用。

上部結構套筒的內(nèi)徑與外徑分別等于下部結構套筒的內(nèi)徑與外徑。施工時上下兩部分結構需進行組合，組合后上部結構兩個套筒的中心軸線分別與下部結構兩個套筒的中心軸線重合。上下兩部分結構沿豎向的投影形狀完全相同，投影形狀如圖1所示。

3 錨泊基礎施工方法

所提錨泊基礎使用魚雷錨進行施工；魚雷錨包括錨身，錨身內(nèi)部中空，錨身的下端設置錐形狀的錨頭，錨身的上端設有端頭，端頭的外徑大于錨身的外徑，端頭的內(nèi)部設置吊桿；錨身的外徑小于套筒的內(nèi)徑，端頭的外徑大于套筒的外徑。魚雷錨如圖9與圖10所示。

圖9 施工用的魚雷錨三維結構示意圖

圖10 施工用的魚雷錨剖面圖

錨身的內(nèi)部中空，中空處裝入填充物，填充物可選用高密度的材料如混凝土、廢金屬等，用以增加魚雷錨自重和降低魚雷錨重心，維持魚雷錨貫入海床過程中的穩(wěn)定性與鉛垂度。

所提錨泊基礎的施工過程如下。

①用鋼索綁定上下兩部分結構的兩個預留孔使上下兩部分結構相互連接，調(diào)整上下兩部分結構的姿態(tài)使上部結構兩個套筒的中心軸線分別與下部結構兩個套筒的中心軸線重合，如圖4所示。

把兩個無尾翼魚雷錨的錨身穿越、套入上下兩部分結構的兩個套筒中，如圖11所示。

圖11 所提錨泊基礎施工時組裝示意圖

錨身的下端向下延伸至超過錨泊基礎下部結構的套筒下端。把施工用的鋼索綁定在各無尾翼魚雷錨上端的吊桿上，并把錨鏈的一端連接在錨泊基礎上的系泊孔上，使用后續(xù)可解脫的輔助措施使各錨身與錨泊基礎緊密相連，確保起吊錨身時錨泊基礎不會脫落?；趦筛┕だK索平穩(wěn)的起吊錨泊基礎使整體垂直懸吊于海床上方，如圖12所示。

圖12 施工時起吊錨泊基礎位于海床上方示意圖

②下放錨鏈一定的長度使其處于松弛狀態(tài)且對錨泊基礎的快速下沉影響降到最低，然后同步釋放各施工繩索，使錨泊基礎在魚雷錨自重作用下快速下沉并貫入海床，如圖13所示。

圖13 基于魚雷錨貫入海床的示意圖

所提錨泊基礎基于兩個無翼魚雷錨施工貫入海床，魚雷錨較大的自重能把錨泊基礎貫入至較深的海床中，安裝便捷，施工時間短，非常適合海上的施工環(huán)境。

③同步向上張拉施工繩索，張拉過程中使后續(xù)可解脫的輔助措施失效與破壞，使錨身與套筒逐步分離，最終把各錨身拉起、移除。錨身移除后錨泊基礎的姿態(tài)如圖14所示，施工結束。后續(xù)在錨鏈拉力作用下，錨泊基礎發(fā)生相應偏轉(zhuǎn)與位移，圖15給出了錨泊基礎的可能工作狀態(tài)示意圖。

圖14 魚雷錨移除后錨泊基礎姿態(tài)示意圖

圖15 所提錨泊基礎工作狀態(tài)圖

為了方便錨身與套筒的分離，可在錨身表面涂抹潤滑劑。上下兩部分結構由位于共同一側(cè)的預留孔用鋼索柔性相連，鋼索僅能傳遞拉力。基于下部結構的牽制與約束，上部結構在錨鏈拉力的作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后其翼板沿錨鏈拉力方向能兜住一定的海床土體。而下部結構在上部結構傳遞過來的拉力作用下，也將發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后其翼板沿錨鏈拉力方向也能兜住一定的海床土體。上部結構與下部結構的變形與變位互不相同，相互牽制與約束，各自在錨鏈拉力作用下形成較為復雜的姿態(tài)，使錨泊基礎整體與海床土體的接觸較為復雜，增大了錨泊基礎與海床土體的摩擦力，提高了抗拔承載力。

與現(xiàn)有技術相比，所提錨泊基礎的優(yōu)點為：

①錨泊基礎基于兩個無翼魚雷錨施工貫入海床，魚雷錨較大的自重能把錨泊基礎貫入至較深的海床中，安裝便捷，施工時間短，非常適合海上的施工環(huán)境；

②錨泊基礎貫入海床后，在錨鏈拉力作用下上下兩部分結構發(fā)生相互旋轉(zhuǎn)與牽制，使錨泊基礎整體與海床土體的接觸較為復雜，部分翼板能兜住一定的海床土體，增大了錨泊基礎與海床土體的摩擦力，從而提高了抗拔承載力；

③錨泊基礎由鋼板、套筒焊接而成，組合后整體呈對稱狀態(tài)，結構簡單，制作方便，造價較低。

4 結語

提出了一種基于魚雷錨施工的海洋組合式錨泊基礎，包括可組成整體呈對稱狀態(tài)的上下兩部分結構；上下兩部分結構均由兩個套筒與七個翼板組成，兩個套筒之間由一塊連接翼板相連，每個套筒外圍還設置有三塊翼板；上下兩部分結構沿豎向的投影形狀完全重合；上部分結構離預留孔較遠的另一側(cè)翼板的下部設置一個系泊孔，錨鏈與系泊孔相連。所提錨泊基礎基于兩個無翼魚雷錨施工貫入海床，安裝便捷，施工時間短；錨泊基礎貫入海床后，在錨鏈拉力作用下上下兩部分結構發(fā)生相互旋轉(zhuǎn)與牽制，部分翼板能兜住一定的海床土體，提高了抗拔承載力。