急流場中甲板駁船穩(wěn)泊研究及應(yīng)用

摘 要：在復(fù)雜的急流場環(huán)境中，甲板駁船穩(wěn)泊技術(shù)對于橋梁單孔主跨超過200 m的超長節(jié)段鋼箱梁安全吊裝施工和提高施工效率至關(guān)重要。本文以余溫公路靈江特大橋施工為例，旨在探討急流場中通過對甲板駁船進行橫向受力分析，錨泊定位和拖船推力綜合計算，確定載有超長節(jié)段鋼箱梁甲板駁船橫向定位吊裝施工方案，望能給予同類型橋梁施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：急流場；甲板駁船；穩(wěn)泊技術(shù)；橫向定位；鋼箱梁吊裝

余溫公路靈江特大橋主橋橋跨布置為（120+260+120）=

500 m，采用三孔一聯(lián)鋼混組合連續(xù)剛構(gòu)橋，見圖1。根據(jù)通航凈空和兩端連接線要求，主橋設(shè)對稱縱坡3.5%，豎曲線半徑7 000 m。在主跨跨中設(shè)置90 m長鋼箱梁，鋼箱梁按整孔吊裝施工，制造分6個梁段，分別為鋼混結(jié)合段（4個長6 m鋼混結(jié)合段，結(jié)合面往混凝土箱梁側(cè)長2.0 m，往鋼箱梁側(cè)長為 4.0 m）和鋼箱梁整體吊裝段（2個）；其余部分采用混凝土結(jié)構(gòu)，采用變高梁。本次研究技術(shù)重點是重量720 t、寬度11.7 5m和長度82 m的超長鋼箱梁裝在甲板駁船上急流場中橫向定位穩(wěn)泊技術(shù)及吊裝施工方案，見圖2和圖3。

1 急流場

椒靈江水系：椒靈江水系是浙江省第三大水系河流，自源頭至入?？谌L202 km，流域面積6 590.71 km2，上游段稱永安溪（長 138.5 km）和始豐溪為山溪河流，河勢彎曲、坡陡流急；中游段稱靈江（長44.7 km）為感潮河流，河勢彎曲、河寬變化大，本工程新建橋址位置見圖4，處在靈江中游；下游段稱椒江（長 18.8 km）為感潮河流，河勢順直、寬淺。椒江河口屬強潮河口，潮型為不規(guī)則半日潮。新建橋址江段為急流場，恰為彎道處，流態(tài)復(fù)雜，流速較急 （漲潮最大流速 1.77 m/s，平均流速1.17 m/s；落潮最大流速1.54 m/s，落潮平均流速0.78 m/s）。除了臺汛期下泄洪水落水流大增外，一般情況下，落潮流小于漲潮流 。

2 船舶資料

2.1 甲板駁船主要船舶參數(shù)

總噸位1 964，凈噸位1 099，載貨量3 041 t，總長98.0 m，其中甲板裝在長度84.5 m，型寬17.5 m，裝載艉吃水2.5 m，艏吃水2.5 m，設(shè)計航速10.0 kn，龍骨以上最大高度20.3 m，水線以上最大高度17.8 m，卸空后空載吃水2.3 m，水線以上最大高度為18.0 m ，見圖5和圖6。

2.2 拖船主要船舶參數(shù)

拖1：總長37.7.0 m ，型寬10.0 m，類型Z ，功率4 800 hp，吃水3.7 m（系于船艉部，距船中約19 m）。

拖2：總長40.0 m ，型寬9.6 m，類型FPP，功率3 000 hp，吃水3.0 m（系于船艏部，距船中約45m）。

3 超長節(jié)段鋼箱梁甲板駁船橫向定位穩(wěn)泊技術(shù)分析

3.1確定超長節(jié)段鋼箱梁吊裝施工方案

甲板駁船需要在橋位線中心橫向精準(zhǔn)定位才能按設(shè)計要求吊裝超長節(jié)段鋼箱梁，吊裝時將占據(jù)整個雙向通航水域，航道將進行臨時雙向封航。需要解決兩個問題：一個需要核算定位甲板駁船的受力，是否能安全橫向定位穩(wěn)泊；另一個需采取安全保障措施，包括申請海事部門封航、警戒船上下游警戒和顯示錨標(biāo)警示標(biāo)志等。在急流影響下，甲板駁船容易發(fā)生偏蕩現(xiàn)象，若錨抓力不足可能導(dǎo)致走錨失控、碰撞跨墩提梁機等風(fēng)險，甚至影響吊裝中的鋼構(gòu)件掉落造成二次風(fēng)險。施工時，要高度重視急流對甲板駁船橫向定位吊裝施工不利影響，通過技術(shù)分析和精準(zhǔn)計算合理布置錨纜和足夠功率拖船，科學(xué)確定有足夠系纜力、錨抓力和頂推力的吊裝施工方案。超大節(jié)段鋼箱梁吊裝作業(yè)時為防范甲板駁船偏蕩及走錨影響吊裝施工，配備拖船協(xié)助橫向穩(wěn)泊定位，以保障吊裝施工安全是必要的。吊裝施工方案要根據(jù)潮汐和現(xiàn)場情況確定錨、纜和拖船布置方案。

甲板駁船需要用錨和拖船來橫向定位，根據(jù)潮汐和現(xiàn)場情況，小潮落潮時段進行吊裝施工更為穩(wěn)妥，初步吊裝施工穩(wěn)泊布置方案為：甲板駁船定位時要精準(zhǔn)，既能根據(jù)需要左右前后微調(diào)，又要保證所布置纜鏈達到最大受力效果，經(jīng)綜合考慮后，上游側(cè)艏部設(shè)1只斯貝克錨（2 t）和1只AC-14大抓力錨（2.75 t），出繩（鏈）方向與水流方向夾角約分別為14°和10°；艉部設(shè)1只AC-14大抓力錨（3.5 t），出繩方向與水流方向夾角約為10°，艉部設(shè)1根Ф34 mm鋼絲繩，系固于岸基系船柱處，出繩方向與水流方向夾角約為65°。下游側(cè)，艏部布置1只斯貝克錨（2 t），出繩方向與水流方向夾角約為14°，原計劃在艉部也布置1只斯貝克錨（2 t）或下游岸上設(shè)系船柱，由于水域限制而未拋，下游岸上也沒有合適的系船柱，經(jīng)計算通過上游系船柱鋼絲繩可以彌補，拖船在甲板駁船下游側(cè)頂推協(xié)助穩(wěn)泊。初步穩(wěn)泊布置方案需經(jīng)過計算確定其合理性和可行性，布置方案見圖7。

3.2橫向船舶受力分析錨泊定位計算及確定錨泊設(shè)備選型

3.2.1 計算說明

船舶在錨泊時受到風(fēng)力、水流及波浪等環(huán)境力的作用，這些力按其不同的作用方向組合構(gòu)成作用于船舶的外力，由錨泊系統(tǒng)承受。根據(jù)本工程甲板駁運輸?shù)哪康?，甲板駁船必須設(shè)置定位錨泊設(shè)備，使錨泊設(shè)備在作業(yè)時能控制船位，或在有限范圍內(nèi)改變船位。以船舶本身為中心，船艏部（3只）和艉部（一只）向四周拋出4只錨及配置相應(yīng)錨索，合理的多點錨泊布置方式是降低錨索負荷和保持水平偏移較小的重要因素。

3.2.2本工程新建橋址航道通航水深安全分析

根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013）[1]確定運輸船所需通航水深，航道通航水深可按下列公式計算： D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3 式中：D0—航道通航水深（m），D0= T+0.7 m，甲板駁船和拖船的最大吃水為3.7 m，則所需最少海圖水深為4.4 m。橋梁所在基準(zhǔn)面位于85國家高程下1.316 m，本工程吊裝施工橋位處在海圖水深5 m等深線附近，海圖水深在4.46～11.1 m，滿足甲板駁船和拖船全天候作業(yè)水深要求。

3.2.3計算及選型

根據(jù)本工程位置特點，本計算書計算船舶單向迎流狀態(tài)（即船舶側(cè)向迎流），下面將分別按上述船型計算錨泊受力及錨泊設(shè)備選型：

（1）甲板駁船船受力計算 [2]

側(cè)向受力：Fy=Fwy+Fcy+Fmdy

Fwy風(fēng)力采用下式計算， Fwy=0.613Σ（CsChAi）Vw2

式中： Cs-形狀系數(shù)，實取Cs1=1（主船體）；Cs2=1.1（甲板駁船室群）；Cs3=1.1（大節(jié)段）； Ch-高度系數(shù)，實取Ch=1； Ai-受風(fēng)構(gòu)件正投影面積，實取Ai1=115 m2 （主船體）；Ai2=44 m2 （甲板駁船室群）； Ai3=344 m2 （大節(jié)段）； Vw-有效風(fēng)速，計算按6級風(fēng)最大風(fēng)速取。 Vw=0.6V10+0.4Vt=0.6×12.4+0.4×1.2×12.4=13.39 m/s ，V10-10 min 平均風(fēng)速，取V10=12.4 m/s ，V1- 1 min 平均風(fēng)速，取V1=1.2 V10=14.88 m/s ，則Fwy=0.613×（1×1×115+1.1×1×44+1.1×1×344）×13.392 =

59.55 kN。

Fcy水流力采用下式計算， Fcy=72.37 SVc2

式中： S-船體濕表面積， S=Ld（1.36+1.13CB B/T）=95.55×3.00×（1.36+1.13×0.87×17.50/3.00）=2 034m2

VC-水流速度，VC= Vw+ VT ，Vw-風(fēng)生水流速度，Vw=0.01 V10=0.124 m/s ，VT-潮生水流速度，取Vw=1.77 m/s （根據(jù)當(dāng)?shù)厮馁Y料取最大值） ，VC=0.124+1.77=1.894 m/s ，則Fcy=72.37×2034×1.8942 =528.04 kN。

Fmdy波浪力采用下式計算， Fmdy=0.13CmdhB2 LHS 2

式中：Cmdh-平均波浪漂移系數(shù)，Cmdh=0.68（查表得） B-船寬=17.50 m； L水線間長=95.55 m； HS-有義波高=2 m； d-吃水=3 m，則 Fmdy=0.13×0.68×17.502 ×95.50×22 =10.34 kN。

綜上所述， 側(cè)向受力Fy=（59.55+528.04+10.34）×103 = 598 kN。

（2）實船定位能力

本船定位時設(shè)計為輻射狀拋錨，艏、艉分別采用錨泊及系泊相結(jié)合的方式，錨泊示意如下，本船僅在退潮時作業(yè)，計算僅考慮退潮時：實船定位示意圖，見圖7。

① 上游：艏部1只斯貝克錨（2 t），配Ф40 mm錨鏈，出繩方向與水流方向夾角約為14°，錨鏈破斷拉力大于896 kN；部設(shè)1只AC-14大抓力錨（2.75 t），艉部設(shè)1只AC-14大抓力錨（3.5t），每只錨配Ф34 mm鋼絲繩，破斷拉力大于625 kN；出繩方向與水流方向夾角約為10°。艉部設(shè)1根Ф34 mm鋼絲繩，系固于岸基系船柱處，鋼絲繩破斷拉力大于625 kN，Ф450系船柱安全工作負荷SWL=382 kN，計算考慮安全余量，取系船柱安全工作負荷382 kN，出繩方向與水流方向夾角約為65°。

② 下游：艏部設(shè)1只斯貝克錨（2 t），配Ф40 mm錨鏈。錨鏈破斷拉力大于896 kN（退潮不計下游）。初始方案在艉部設(shè)1只斯貝克錨（2 t）或在下游岸上合適的系船柱帶一根纜繩，因為所在水域限制錨鏈較短，未拋這個錨，下游岸上也沒有合適的系船柱，實際操作中，通過上游系船柱上大角度系纜調(diào)整，穩(wěn)泊還是精準(zhǔn)可控的。

③ 根據(jù)船舶設(shè)計手冊，錨抓力計算公式如下： AC-14錨抓力=2.75×8=22 t（AC-14錨抓力系數(shù)取8），AC-14錨抓力=3.5×8=28 t（AC-14錨抓力系數(shù)取8） F斯貝克錨錨抓力=2.00×5=10.00 t（斯貝克錨抓力系數(shù)取5）， 系船柱的安全工作負荷為382 kN，鋼絲繩側(cè)向拉力382 kN， 出繩方向與水流方向夾角約為65°。上游：（2只AC-14錨，1只斯貝克錨，1根系固索），即 F（AC-14錨1）=22×9.81×cos10°=213 kN，

F（AC-14錨1）=28×9.81×cos10°=271 kN ，F(xiàn)（斯貝克錨）=10.00×9.81×cos14°=95 kN， F纜=382×cos65°=161.2 kN。

上游：F總繩=F（AC-14錨1）+ F（AC-14錨2）+F（斯貝克錨）+ F纜=740.2 kN；

（3）拖船推力計算[3]

2艘拖船在逆水側(cè)頂推輔助定位?？紤]到已選用兩艘拖船船齡較長，頂推力按主機額定功率80%取值，參照表1進行估算。

F拖=F拖1+F拖2=48×9.81×1.5×0.8+30×9.81×1.0×0.8= 800.5 kN 。

為發(fā)揮拖船最大效用，拖1和拖2頂推位置分別距船中19 m和45 m。

綜合計算結(jié)果，錨泊及拖船提供得總約束力：

F總= F總繩+ F拖=740.2+800.5=1 540.7 kN＞598 kN。

根據(jù)上述計算，本次超長節(jié)段運輸船定位設(shè)備選型如下：

上游（1）艏部：1只AC-14大抓力錨，重量2.75 t，配Ф34 mm鋼絲繩；1只斯貝克錨，重量2.00 t，配Ф40 mm錨鏈；（2）艉部：1只AC-14大抓力錨，重量3.5 t，配Ф34 mm鋼絲繩； 1根Ф34 mm鋼絲繩，系固于岸基系船柱（SWL不小于382 kN）；（3）鋼絲繩拉錨用：2根 6×37S+IWR-34 mm，鋼絲繩，長度不小于250 m；系泊用：1根 6×37S+IWR-34 mm鋼絲繩，長度不小于250 m。下游艏部：1只斯貝克錨（2t），配Ф40 mm錨鏈（退潮時不計受力僅穩(wěn)泊用）。

綜上所述，甲板駁船船在兩艘拖船輔助下，所選配的定位設(shè)備所能產(chǎn)生的最大約束力大于船舶所受環(huán)境力總和，而且能保證吊裝施工精準(zhǔn)定位需要，定位能力和需求滿足吊裝施工作業(yè)要求。因此本文研究的吊裝施工穩(wěn)泊布置方案是合理的、可行的。

3.3建議

建設(shè)單位應(yīng)與利益相關(guān)的碼頭業(yè)主提前做好封航期間有妨礙事宜溝通，征得他們同意，以便順利開展施工作業(yè)；施工前落實好拖船、警戒船、錨標(biāo)及其它安全保障措施，制定完善的各項應(yīng)急預(yù)案；吊裝時機盡量選擇良好氣象海況的小潮時段。

4 結(jié) 語

通過以上分析超長節(jié)段鋼箱梁運輸船在急流場下橫向穩(wěn)泊定位吊裝施工技術(shù)難點和可行性，急流場橫向穩(wěn)泊定位需要做相應(yīng)技術(shù)分析，得出研究結(jié)論作為技術(shù)支撐，才能安全科學(xué)高效完成超長節(jié)段鋼箱梁吊裝施工作業(yè)?？缃瓨蛄撼L節(jié)段鋼箱梁吊裝施工難度大技術(shù)含量高，希望本文闡述的在急流場中通過多點錨泊和拖船配合穩(wěn)泊橫向定位且已成功實施的吊裝施工方案在跨江橋梁單孔主跨超過200 m的超長節(jié)段鋼箱梁吊裝施工中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1] 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院.JTS165-2013海港總體設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2014.3.

[2] 船舶設(shè)計實用手冊（第3版）[S]. 北京：國防工業(yè)出版社，2013.8.

[3] 洪碧光.船舶操縱[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

作者簡介：

方念堅，高級引航員，受聘交通運輸部及省庫等地方組織的專家，主要研究領(lǐng)域為水上通航安全研究，（ E-mile）693514161@qq.com，13566887397

周麗麗，女，高級工程師，受聘交通運輸部及地方等組織的專家，主要研究領(lǐng)域為水上通航安全和港口航道工程通航安全研究等，（E-mile）123836011@qq.com，15355279716