赤幾巴塔港沉箱浮游穩定計算分析

通過對赤道幾內亞巴塔港擴改建工程沉箱浮游穩定性驗算和工程實踐觀測，詳細探討沉箱自身浮游時沉箱構件力學特性，進而以此分析采用規范計算沉箱浮游穩定時參數選取應注意的一些問題。

目前沉箱在碼頭建設中應用較為廣泛，對這類碼頭也有相應的技術規范，但采用此公式計算沉箱浮游穩定存在以下問題：① 沉箱遠程浮運以水壓載時，《規范》要求各單元艙壓載水互不相通，而在近程浮運時未要求，在計算定傾半徑時，各相通的單元艙是否應該作為一個整體來計算穩定值。② 采用規范公式計算沉箱的浮游穩定時，計算參數不是直觀的力學指標。③不穩定的沉箱會不會在傾斜某一角度后穩定，如何確定這個角度。④在采用固體壓載物計算定傾半徑時，單元艙格大小、布局是否有影響。⑤對于同一沉箱定傾高度穩定值越大越穩定，但是否可用m值比較兩個沉箱的穩定性?；谝陨蠁栴}，結合赤道幾內亞巴塔港擴改建工程中沉箱碼頭施工實踐，詳細探討沉箱浮運沉放施工中的關鍵問題。

工程概況

赤道幾內亞巴塔港擴改建工程的碼頭部分沉箱CX-1與CX-4均為18個艙格，單元艙格尺寸為4×4.5m。把全部艙格劃分為四個區域，每個區設1個進水閥門，區域中的單元艙格之間以直徑150mm的過水孔相通，如圖1。按照《規范》的要求對所有型號沉箱進行了浮游穩定驗算。

圖1、沉箱結構詳圖(單位：m)

穩定性計算分析

1、浮心的變化

首先對浮心相對沉箱的位置進行計算。以沉箱傾角為0時位于驗算面中軸線上的浮心作為原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸建立平面直角坐標系。求傾角為θ時浮心位置的坐標 (XC、YC)，如圖2所示。

圖2、浮心位置變化

通過計算得到浮游穩定性計算為一圓弧的方程，圓弧半徑為ρ，圓心位于Y軸，且通過坐標系原點。可知浮心C的軌跡在小傾角的條件下近似于一直徑為ρ的圓弧。由于θ即為沉箱傾角，則小傾角時浮力近似指向圓心。這與《規范》中式ρ = (I-∑i)/V沉箱無艙格（即∑i=0）的情況相符合。

利用計算得出各傾角時的浮心位置C(XC，YC)，并連接各點成線。如圖3所示，曲線為當CX-1沉箱加載水高度為2.48m，即定傾高度m=0.2時浮心C的軌跡線，為傾角在正負56度之間的曲線。由于干舷高度所限，實際浮心軌跡只能到|θ|=40度，41～56度部分為假設干舷高度足夠的前提下繪制的。

圖3、浮心位置軌跡

表1沉箱浮游穩定驗算定傾高度m值表

注：CX-1、CX-4實際采用的加載水深度分別為3.2m、2.5m。

2、重心的變化

壓載水對總體重心位置的影響同單元艙格尺寸、艙格數量、注水深度、有無過水孔及過水孔徑大小都有直接關系?？傮w重心位置計算較為繁瑣，需要針對不同的沉箱、不同的注水深度、不同的傾斜角度逐點計算。

該工程的沉箱總體重心位置計算是將每個分區作為一個大單元艙格考慮的，即認為任意沉箱傾角時分區內各艙格的水面已達到同一標高，忽略了過水速度影響的因素，是偏于安全的。計算時也考慮了過水孔的設置高度。如果過水孔在壓載水面下有足夠深度，則可不考慮其設置高度。

3、抗傾力矩

按照不同的注水深度，計算各傾角時的總體重心、浮心相對沉箱的位置坐標，進而求出重心與浮心的水平距離d，最終得出傾角θ時沉箱的抗傾力矩M的值，力矩方向與沉箱傾角方向相反時為正，此時抗傾力矩將沉箱向原位矯正。

由于沉箱左右對稱，只計算單側傾角數據，CX-1、CX-4沉箱部分計算數據見表2、表3。其它有關數據參照表1。

表2當m=0時，CX-1、CX-4對應傾角的抗傾力矩M(t·m)表

表3當m=0.2時，CX-1、CX-4對應傾角的抗傾力矩M(t·m)表

4、分析討論

對于分區內單元艙格以過水孔相通的情況，浮游穩定計算未考慮過水孔的影響，容易導致沉箱在浮運過程中發生較大傾斜。

求出了各傾角時的抗傾力矩，可易算出傾角(主要是小傾角)每增加1度抗傾力矩的增加量，可以直觀的分析穩定性狀況。

不穩定的沉箱可能會在傾斜某一角度時達到穩定狀態。在此情況下不宜只向一側加水，而應兩側同時加水，同時適當的矯正傾角，使沉箱保持適合的傾角穩定下沉。在較低一側艙格水深度達到沉箱穩定要求的深度后，再向較高一側的艙格加水調平。

通過對浮心位置的計算，證實了矩形沉箱浮心位置變化只與沉箱水下部分的外部形狀有關，而與沉箱內部結構無關。

對于有著相同定傾高度的不同沉箱抗傾斜能力不一定相同。所以簡單的用m值大小來比較不同沉箱的穩定程度理由是不充分的。

結論

以過水孔相通的所有單元艙應該作為一個大的單元艙來計算定傾半徑。

浮心的位置與沉箱內部艙格等結構無關。當采用固體壓載物時，計算定傾半徑時不應考慮艙格慣性矩，即應ρ = I / V 。可用此驗算沉箱不加載時是否滿足浮游穩定條件。

不穩定的沉箱也可能在一定傾角時達到穩定狀態。不應簡單的用m值大小來比較不同沉箱的穩定程度。當沉箱處于一個較大傾斜角度的穩定狀態時，應先兩側同時加水，適當矯正，在較低一側艙格水深度達到沉箱穩定要求的深度后，再調平沉箱。

對于一些浮游穩定安全系數不高的沉箱，可在艙格間的過水孔兩側設置簡易盲板，減緩過水速度，增加沉箱浮游穩定安全系數。

十厘米乃至幾厘米的加水深度差別，可能導致定傾高度m值偏差幾厘米，操作過程中的誤差可能會導致安全系數儲備不足。一般加載水越多沉箱越穩定，在滿足干舷高度和吃水深度要求的情況下，應盡量取較大的定傾高度m值。（作者單位：中交一航局第一工程有限公司）