大潮差海域鋼管樁浮式圍囹平臺(tái)水動(dòng)力性能分析

林明臻，陳迪郁 ，巫興發(fā)

（1.福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全中心，福建 福州 350001;2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

通常情況下高樁碼頭建設(shè)區(qū)域的水文情況較為復(fù)雜，容易受到風(fēng)、浪、潮、流等環(huán)境因素的限制。特別是我國沿海潮汐以半日潮為主，潮差大，樁基多處于潮位變動(dòng)區(qū)，不僅易受到海水浸泡和侵蝕，而且需要選擇在潮汐的間歇期進(jìn)行施工作業(yè)。

在高樁碼頭的設(shè)計(jì)和施工中，樁基施工直接影響了高樁碼頭的建設(shè)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。針對(duì)高低樁現(xiàn)象，還需要進(jìn)行接樁及割樁作業(yè)。傳統(tǒng)的作業(yè)平臺(tái)采用型鋼焊接搭設(shè)在樁基外壁，作業(yè)效率差，在一定程度上會(huì)影響工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

不少項(xiàng)目在施工時(shí)都設(shè)計(jì)了新型的作業(yè)平臺(tái)，朱文功[1]等人依托舟山市某高樁碼頭工程，設(shè)計(jì)了一種割樁鋼平臺(tái)，詳細(xì)闡述了其特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路。李官文等[2]設(shè)計(jì)了一種群樁樁頭割除鋼平臺(tái)，解決了海上風(fēng)電場(chǎng)水深限制的難題，提高了作業(yè)的安全性。但這種平臺(tái)都依賴起吊系統(tǒng)，在施工時(shí)平臺(tái)處于懸掛狀態(tài)。對(duì)于潮位變化大的項(xiàng)目，施工平臺(tái)在使用過程中處于漂浮狀態(tài)，受到波浪的影響較大，上述研究主要涉及施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案和施工工藝，對(duì)其水動(dòng)力性能的研究較少。

以自主研發(fā)的一種可旋轉(zhuǎn)開合的浮式施工平臺(tái)為研究對(duì)象，區(qū)別于傳統(tǒng)的浮式結(jié)構(gòu)物，本浮式平臺(tái)屬于小尺度開孔結(jié)構(gòu)。相對(duì)于完整浮體來說，帶有開孔結(jié)構(gòu)浮體的水動(dòng)力特性會(huì)明顯不同[3]。其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致作業(yè)精度無法滿足要求，更嚴(yán)重的還會(huì)造成安全事故。為解決安全隱患，控制引起施工質(zhì)量問題的環(huán)境因素，本文研究了不同波浪和不同潮差環(huán)境下施工平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)，給出浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)適用的波浪條件，為浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)和施工作業(yè)提供參考，可應(yīng)用于橋梁、碼頭以及風(fēng)電等各種領(lǐng)域的海上作業(yè)。

1 工程概況

福建寧德某泊位工程位于三都澳港區(qū)，主要施工內(nèi)容為新建20 萬噸級(jí)通用泊位4 個(gè)及相應(yīng)的配套設(shè)施。泊位工程為高樁梁板式碼頭，樁基均采用鋼管樁。引橋也采用樁基排架結(jié)構(gòu)，排架間距統(tǒng)一為20m，深水部分采用φ1200 鋼管樁沉樁施工。

三都澳內(nèi)潮汐屬不規(guī)則半日潮，三都澳灣內(nèi)潮差較大、最大潮差達(dá)8m 以上，潮差由灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸增高；灣內(nèi)平均海面起伏不大，平均漲潮歷時(shí)大于平均落潮歷時(shí)。

擬建碼頭、引橋、港池區(qū)場(chǎng)地屬海水潮間帶，受潮汐水影響，海水的深度呈規(guī)律性變化。場(chǎng)地潮汐水屬正規(guī)半日潮，潮流呈往復(fù)流，據(jù)三都澳實(shí)測(cè)潮位統(tǒng)計(jì)資料：本區(qū)最大潮位8.53m，最小潮位-0.52m，最大潮差8.44m，最小潮差1.59m，平均潮差5.30m，平均高潮位6.67m，平均低潮位1.37m。

依托項(xiàng)目鋼管樁數(shù)量多達(dá)1112 根，且絕大多數(shù)為斜樁，占比76%，水上作業(yè)面小，因此研發(fā)設(shè)計(jì)了一種浮式作業(yè)平臺(tái)，可滿足大潮差環(huán)境下的樁基焊接、切割等施工作業(yè)的要求。

2 浮式施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高水上作業(yè)的安全性和便捷性，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，研制了浮式施工平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱浮式圍囹），其主要結(jié)構(gòu)[4]如圖1 所示。浮式圍囹下部的浮式基礎(chǔ)為八邊形結(jié)構(gòu)，材料選用鋼板，鋼板外圈可焊接鋼筋形成框架增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。鋼板內(nèi)填充泡沫塑料，下部結(jié)構(gòu)的中間開孔形成作業(yè)通道，其尺寸根據(jù)樁基的直徑確定。上部結(jié)構(gòu)外圍設(shè)置有環(huán)形護(hù)欄，便于施工人員在平臺(tái)上進(jìn)行安全作業(yè)。

圖1 浮式圍囹結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)潮位低于作業(yè)潮位時(shí)，平臺(tái)固定在作業(yè)高度，此時(shí)浮式圍囹處于懸掛狀態(tài)，無需考慮波浪載荷的影響。潮位上漲后，此時(shí)為圍囹施工平臺(tái)進(jìn)樁和退樁特定時(shí)間。浮式圍囹利用自身浮力進(jìn)行作業(yè)，如圖2 所示。通過在上部結(jié)構(gòu)施加重量壓載可控制浮式圍囹的吃水，將平臺(tái)沿鋼管樁下降至合適的作業(yè)高度。

圖2 高潮位下施工平臺(tái)浮式作業(yè)

浮式圍囹的主要參數(shù)見下表。

3 水動(dòng)力性能分析

3.1 水動(dòng)力模型

根據(jù)表1 在水動(dòng)力軟件中建立了浮式圍囹的結(jié)構(gòu)模型，見圖3。建立質(zhì)量模型時(shí)考慮了上部護(hù)欄的質(zhì)量，劃分網(wǎng)格后得到浮式圍囹的水動(dòng)力模型，見圖4。經(jīng)過計(jì)算得到無壓載情況下，浮式圍囹的設(shè)計(jì)吃水為0.34m，本文考慮內(nèi)部樁基為直樁，未限制浮式平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)。

表1 浮式圍囹設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 計(jì)算工況

圖3 浮式圍囹結(jié)構(gòu)模型

圖4 浮式圍囹水動(dòng)力模型

3.2 計(jì)算工況

項(xiàng)目所在地平均波高為0.6m，平均周期為4.2s。為確定浮式圍囹的可作業(yè)環(huán)境條件，以波浪周期、波浪入射角和潮位為變量定義了不同的工況，計(jì)算了浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

其中周期變化范圍為1～15s，周期間隔為1s；由于平臺(tái)的對(duì)稱性，波浪入射角的變化范圍為0～90°，每間隔15°取一模擬工況；高潮位作業(yè)時(shí)，通過控制平臺(tái)壓載進(jìn)行吃水的調(diào)整，考慮0.34m（空載），0.6m，0.8m共三組不同的作業(yè)吃水，分析潮位變化對(duì)浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。列舉計(jì)算工況如下表所示。

通過頻域分析得到浮式圍囹重心處的六自由度RAO（單位波幅下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)），根據(jù)縱向坡度來判斷浮式平臺(tái)是否具有可作業(yè)條件[5]，當(dāng)縱向坡度≤1%時(shí)，可認(rèn)為其滿足縱向穩(wěn)定性要求。將縱向坡度[6]換算為角度，在波浪荷載的作用下，當(dāng)縱向坡度≤1%時(shí)，平臺(tái)的橫搖角和縱搖角需小于0.57°；當(dāng)縱向坡度≤5%時(shí)，平臺(tái)的橫搖角和縱搖角需小于2.86°。

4 結(jié)果分析

4.1 波浪周期和入射角的影響

下圖給出了浮式圍囹垂蕩、橫搖和縱搖三個(gè)方向的RAO 曲線，從中可以看出，垂蕩方向的RAO 波浪的主要頻率范圍內(nèi)保持在1m 左右，體現(xiàn)了浮式圍囹的隨波性。橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的固有頻率在2s 左右，保證了橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)不容易與波浪發(fā)生共振。在1～15s 的頻率范圍內(nèi)，橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的RAO 曲線呈現(xiàn)出先增大到極值后減小的趨勢(shì)。

根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果，本浮式圍囹在中長(zhǎng)周期波浪的海域下穩(wěn)定性較好。本項(xiàng)目平均周期為4.2s，平均波高0.6m 可滿足縱向坡度≤2.7%的作業(yè)要求。波浪平均周期為6s 的作業(yè)海域，平均波高小于0.47m 可滿足縱向坡度≤1%的作業(yè)要求；波浪平均周期為8s 的作業(yè)海域，平均波高小于0.82m 可滿足縱向坡度≤1%的作業(yè)要求；不同周期下的可作業(yè)波高可根據(jù)圖5（b）換算得到。

圖5 空載條件下浮式圍囹的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

浮式圍囹的設(shè)計(jì)型式基本呈圓盤形結(jié)構(gòu)，整體對(duì)稱程度較高，所以橫搖縱搖的RAO 曲線數(shù)值幾乎相同，只是對(duì)應(yīng)的入射角不同，在計(jì)算其他工況時(shí)選取90°入射角對(duì)應(yīng)的最大橫搖角作為判斷參數(shù)。

4.2 不同潮位的影響

隨著潮位的上漲，需在平臺(tái)上增加壓載以保持原有的作業(yè)高度，浮式圍囹吃水也相應(yīng)有所增加。圖6 對(duì)比了90°浪向角下，空載、0.6m、0.8m 吃水的橫搖RAO曲線，從中可以看出隨著的吃水逐漸加深，RAO 的幅值也逐漸增加，浮式圍囹的穩(wěn)定性更差。

圖6 不同吃水下浮式圍囹的橫搖運(yùn)動(dòng)

經(jīng)過換算得到單位波幅下不同吃水對(duì)應(yīng)的縱向坡度比，如表3 所示。根據(jù)潮位高度計(jì)算平臺(tái)的作業(yè)吃水，經(jīng)過線性插值可得到不同波浪條件下的作業(yè)窗口期，為類似工程提供了參考依據(jù)，提高了浮式圍囹平臺(tái)的通用性和適用性。

表3 單位波幅下浮式圍囹縱向坡度比

本文的設(shè)計(jì)參數(shù)考慮到了群樁之間的周轉(zhuǎn)效率和經(jīng)濟(jì)成本，受到群樁之間的作業(yè)面積的限制，浮式圍囹基礎(chǔ)直徑不宜過大。對(duì)于穩(wěn)定性能要求更高的項(xiàng)目，可考慮增大浮式基礎(chǔ)直徑D、降低結(jié)構(gòu)重心等方式保證作業(yè)精度。

5 小結(jié)

對(duì)于樁基數(shù)量多，受潮差影響較大的項(xiàng)目，浮式圍囹施工平臺(tái)可在施工現(xiàn)場(chǎng)快速周轉(zhuǎn)，適用于割樁、焊接等各種水上作業(yè)，具有高效、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水動(dòng)力分析，主要結(jié)論如下：

（1）浮式圍囹設(shè)計(jì)參數(shù)合理，固有頻率避開了波浪的主要頻率范圍，在中長(zhǎng)周期波浪的海域下穩(wěn)定性更好。

（2）為滿足作業(yè)精度要求，空載狀態(tài)下，平均周期6s 對(duì)應(yīng)的浮式圍囹可作業(yè)波高為0.47m，平均周期8s 對(duì)應(yīng)的浮式圍囹可作業(yè)波高為0.82m。

（3）隨著潮位的上漲，浮式圍囹需增加壓載以保持作業(yè)高度，此時(shí)結(jié)構(gòu)的重心高度相應(yīng)增加，造成浮式圍囹的穩(wěn)定性變差。

（4）總結(jié)了不同吃水狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的作業(yè)精度，在設(shè)計(jì)制造浮式圍囹時(shí)，可按照90°入射角評(píng)估波浪荷載對(duì)此類結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)帶來的影響。

（5）波浪條件較為惡劣時(shí)可考慮增大浮式圍囹基礎(chǔ)直徑提高作業(yè)精度，其外內(nèi)徑之比D/d=3～4 為宜。

浮式圍囹施工平臺(tái)根據(jù)潮位高低特性調(diào)整平臺(tái)作業(yè)高度，滿足全天候施工作業(yè)。在一期項(xiàng)目應(yīng)用過程中，共有53 根鋼管樁高于設(shè)計(jì)標(biāo)高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用浮式圍囹后，浮式作業(yè)未出現(xiàn)質(zhì)量安全事故，每根鋼管樁割樁可節(jié)約1.5h。預(yù)計(jì)整個(gè)工程割樁/接樁作業(yè)節(jié)約工期可達(dá)35 天，大幅提升了施工質(zhì)效，為項(xiàng)目降本增效合計(jì)75 萬元。