影響沉樁船舶運動因素分析及分方向定位法的應(yīng)用

董玉娟 李寶闖

摘 要：本文重點圍繞沉樁定位過程中影響船舶運動因素進行分析，找出船舶的運動規(guī)律，并根據(jù)船舶運動規(guī)律、施工需求，提出了“分方向定位法”，該方法在滿足碼頭施工沉樁的精度情況下，較大幅度提升了沉樁效率，經(jīng)過實際運用該方法具有簡單易操作經(jīng)濟價值高的特點，值得推廣。

關(guān)鍵詞：船型壓載 波浪 風(fēng) 水流 錨纜布置 分方向定位法

中圖分類號：TV331 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0044-03

樁基工程是高樁碼頭的重要組成部分，也是決定碼頭施工效率與質(zhì)量的最重要環(huán)節(jié)；沉樁效率是制約高樁碼頭施工的重要因素，沉樁效率又受沉樁精度制約，要提高效率必須從定位精度著手，快速準確的定位對提高施工效率具有重要意義，由此必須清楚的認識影響船舶定位精度的因素，利用好這些因素，找到切實可行的沉樁定位方法，才能達到事半功倍的效果。本文就是通過研究影響船舶的因素，找到了分方向定位的方法，并在實際工程中加以應(yīng)用取得了較好效果。

1 概述

高樁碼頭沉樁定位的目的是將樁移動至設(shè)計位置，根據(jù)設(shè)計要求調(diào)整好方位角和傾角，并保證在后續(xù)施工直至沉樁結(jié)束的過程中不發(fā)生超過設(shè)計和規(guī)范允許的偏差。由于海上施工的特殊性，打樁船始終處于不停的運動之中。因此，定位的目的是使得樁在預(yù)定樁位附近的小范圍以內(nèi)發(fā)生運動而不發(fā)生較大的偏差，并保證下樁以后實際位置不超出設(shè)計和規(guī)范的允許范圍。

在定位過程中，樁固定在打樁船的龍口中，龍口的運動即樁的運動，而龍口的運動又是打樁船運動的一部分。因此，樁定位的過程實際上是打樁船的定位過程。由運動學(xué)的相關(guān)知識可以知道，運動分為位移和轉(zhuǎn)動兩種，在打樁船上主要體現(xiàn)在位置的移動和搖動。施工過程中定位的目的就是讓打樁船的移動和搖動均保持在允許的范圍之內(nèi)。因此，要想較好的利用船舶的運動規(guī)律就必須從影響船舶運動的因素——船型、壓載、波浪、風(fēng)、水流、纜繩布置等進行研究，找出切實可行的方法，才可能進一步提高施工效率。

2 船舶運動影響因素

影響打樁船定位時運動的主要因素有船型、壓載、波浪、風(fēng)、水流、纜繩布置幾種，下面對其進行分析。

2.1 船型及壓載

以一打樁船為例，該船型長69.4 m，型寬26.0 m，滿載吃水1.8～2.6 m，滿載排水量3128.1 t，樁架最高點距離滿載水線的高度為95 m。船型的影響因素主要體現(xiàn)在船舶的浮游穩(wěn)定性上。在沉樁工作中，船舶的晃動幅度較小，因此，可以用以下公式計算其定傾半徑。

其中，為船體浮面對中性軸的慣性距，為船內(nèi)各倉壓載水（油）等液態(tài)物體液面面積對中性軸的慣性距，為排水體積。

此處，再引入另一參數(shù)為船舶重心與浮心的高差，正值表示重心高于浮心，負值表示浮心高于重心。那么船舶在施工過程中的定傾高度為。

由上可知，影響船舶浮游穩(wěn)定的主要因素是船舶的重心高度和浮面尺寸（近似于船體外輪廓尺寸）。因此，在船舶設(shè)計時，在滿足其他條件的同時應(yīng)使船舶的定傾高度盡可能大。在壓艙水不變的情況下，同等重量的船舶在船體尺寸相同時，具有同樣的浮心高度和排水體積。這種情況下如果船舶的重心越低，那么船舶的定傾高度值也就越大，船舶在水中便越平穩(wěn)。這也便解釋了為何自改打樁船和樁架加高的打樁船抗風(fēng)浪能力降低的問題。船舶壓載分為液態(tài)壓載和固態(tài)壓載兩種。壓載量的大小對定傾半徑的影響遠小于對值的影響。因此，提高船舶壓載量也有利于提高船舶的浮游穩(wěn)定性。

2.2 波浪

式中，H為波高，T為波浪周期，k為波數(shù)，x、z為質(zhì)點在以靜水面上波浪前進方向為橫軸垂直方向為縱軸的坐標軸坐標，為波浪運動的角頻率，t為質(zhì)點運動的時間。

其中，水平分速度是船體受到水平波浪力的主要原因。由于此處只需要研究波浪的作用方式，因此，不再詳細計算波浪力的大小，將其用一個包含余弦函數(shù)的參數(shù)值表示為。

質(zhì)點的豎直分速度的最直接標志就是水面的上下波動，這種情況下，船體所受的浮托力也因波浪作用分布不均，造成船體的搖動。此處將浮托力表示為一個含有正弦函數(shù)的參數(shù)，其中為靜水浮力，由于波浪引起的浮托力不能為向下，當(dāng)<0時，取=0。用圖2表示船體受力如下。

當(dāng)波幅、波長較小時，船體受到的浮托力趨近于；當(dāng)波浪波幅較大、且波長與船體尺寸相差不大時，船體因受力不均與發(fā)生較為嚴重的晃動。

2.3 風(fēng)

風(fēng)作用在船舶的迎風(fēng)面上，使得船體發(fā)生移動和搖動。風(fēng)荷載大小為

式中，分別為風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓，A為迎風(fēng)面積。

2.4 水流

水流力的大小為，其中為水流阻力系數(shù)，為水密度，為水流速度，A為迎水面投影面積。

2.5 錨纜布置

假定船上第根纜繩的拉力值為，布置角度為，在海平面上建立坐標軸，將預(yù)定樁的方位角方向為正Y方向，垂直向右為正X方向和角度零方向，角度順時針為正。那么纜繩錨固力的分量分別為，。由于纜繩在豎直方向作用很小，此處忽略不計。

2.6 綜合作用

綜上可以看出，波浪可以使船發(fā)生搖動和移動。風(fēng)由于作用范圍較大，同樣可以使船發(fā)生搖動和移動。而水流和錨纜的作用點由于距離中軸較近，主要影響船在水平方向的位移。

船舶設(shè)計之初，已經(jīng)考慮到船只的穩(wěn)定性，因此，一般海況條件下不會發(fā)生影響定位的橫搖或縱傾。當(dāng)橫搖和縱傾幅度較大時，出于安全考慮不再進行沉樁作業(yè)。因此，研究船舶在水平方向的位置移動才是保證施工質(zhì)量和提高施工效率的關(guān)鍵所在。

在前文所提的坐標系中，假定水流方向為，考慮到海上波浪主要為風(fēng)成波，認為波浪前進方向和風(fēng)向一致，角度為。那么船舶所受的合力分量為

3 施工方法及效果

3.1 分方向定位法

以往沉樁定位作業(yè)中，由于不清楚船舶運動規(guī)律，往往是船向什么方向運動就向另一個方向絞船，絞完以后發(fā)現(xiàn)效果不好便再向反方向絞船。而且過程中由于不知道船的運動規(guī)律，經(jīng)常需要等船只穩(wěn)定下來才能發(fā)出下一步的命令，耗費了大量時間。部分責(zé)任心不強的施工人員由于絞船時間較長而出現(xiàn)施工疲勞，只待船位剛剛滿足要求后便選擇下樁，雖能滿足規(guī)范要求，往往由于下樁倉促，沒有選擇正確的下樁預(yù)留量，給后期沉樁工序帶來不必要的麻煩，甚至造成損失，對整體施工效率都有較大程度的影響。

通過對沉樁影響因素的研究和分析，我們改變了以往傳統(tǒng)的沉樁定位程序，施工中首次采用分方向定位法進行定位，效果良好。具體施工流程如下。

（1）根據(jù)施工海區(qū)最近的氣象情況，分析出施工近日的常風(fēng)向和波浪方向，合理布置錨纜位置，靈活利用船型和壓載，根據(jù)風(fēng)、浪、流的方向及時調(diào)整船舶駐位方向，在少絞船的情況下較快的到達預(yù)定位置，并盡可能讓各纜繩在船舶穩(wěn)定后所受拉力相差不大。

（2）開始定位后，在將要達到預(yù)定樁位時，提前將船舶的方位調(diào)整好，將船舶快速移至沉樁的方位角上，使船舶方位角與樁的方位角快速保持一致，此時就只需要在船舶縱向進行前后的調(diào)整，無需進行橫向調(diào)整，讓船直線前后運動。

（3）調(diào)節(jié)左右纜繩的張力，保證船只在前進過程中船艏不發(fā)生左右大范圍的移動。

（4）船舶前進過程中，保證后錨纜繩具有一定的拉力（操作臺有顯示），纜車停止后船只基本不再向前運動或前進量很少。由于左右方向移動不大，船只在前后向較容易達到預(yù)定位置，到位后鎖死錨機，此時前后方向已達到預(yù)定樁位。

（5）樁位到達預(yù)定位置，根據(jù)地質(zhì)情況，調(diào)整下樁預(yù)留量，少量修正樁位，使船達到預(yù)定樁位后下樁即可。

（6）下樁后，打開抱樁器及索具，微調(diào)船位，使得鋼管樁與打樁船龍口平行即可開錘。

3.2 施工效果

現(xiàn)以唐山港曹妃甸港區(qū)華能煤碼頭沉樁進行說明，華能碼頭屬于外海離岸無掩護施工條件，沉樁規(guī)范精度要求為：直樁為25 cm，斜樁為30 cm。選擇海況天氣人員配備基本相同的情況進行說明，以便將采用分方向定位法前后的變化進行比較。

采用分方向定位前以某打樁船（配D138-32柴油錘）4月22日該碼頭施打的10根鋼管樁的情況為例進行說明（見表1）。

由表1看出，每根直樁由吊樁至開錘的時間大約為35 min左右，斜樁40 min，為實際錘擊時間的2倍。由于錘擊時間是由地質(zhì)條件和錘型、樁型決定的，從施工的角度想有所提高困難較大，在吊樁直至開錘的過程中提高效率和質(zhì)量是主要途徑。該過程主要有索樁、入龍口、戴替打、移船定位、下樁、解鎖具等幾道工序。其中除移船定位以外，均為固定流程的作業(yè)項目，我單位工人的熟練程度和配合默契度均已達到較高水平，在不使用新的工藝方法和器械的前提下繼續(xù)提升的空間不大。

采用分方向定位法施工后以7月16日在同一工程施打的11根樁進行說明，詳細情況見表2。已知7月16日與4月22日兩天海況條件相差不大，沉樁的樁型也基本相同，人員配備等也無較大變化。

（1）施工精度。

現(xiàn)在選取表1、2中橫向、縱向偏差的絕對值的平均值進行比較，經(jīng)過計算表1中橫向偏差絕對值的平均值為83.3 mm，縱向偏差絕對值的平均值為73.6 mm；表2中橫向偏差絕對值的平均值為52 mm，縱向偏差絕對值的平均值為62.6 mm；經(jīng)過比較采用分方向定位法后縱橫向偏差優(yōu)于改進前，誤差小于改進前，沉樁正位率好于采用該方法前，且精度有明顯提高。

（2）施工效率。

施工效率我們選擇吊樁時間至開錘時間的時長進項比較，經(jīng)過計算未采用分方向定位法前的表1每根樁平均時間為38分鐘，采用分方向定位法表2中吊樁至開錘的平均時間為28 min，由此可以看出，采用分方向定位法平均時長比未采用分方向定位法縮短了10 min。根據(jù)我們多年的施工經(jīng)驗，外海施工以前平均施工效率為每天沉樁4根，月平均沉樁不超過120根，經(jīng)過改進采用分方向定位法后我們每天平均沉樁可達5.5根。按每根樁沉樁費用為1萬元計算，我們每天多創(chuàng)造產(chǎn)值1.5萬元，每個月可增加產(chǎn)值45萬元。這僅僅是施工的直接成本，未計算打樁船、拖輪、運樁駁等每天3.5萬元的臺班費用、燃油費、人員工資等成本。以300根樁的碼頭為例，未采用分方向定位法前平均需要75天，采用后需要55天，可提前工期20天，僅臺班費一項就可為企業(yè)節(jié)省費用70多萬元，加上燃油及人工費用至少可節(jié)省百萬元以上，由此看來該方法的經(jīng)濟效益十分明顯。

4 結(jié)論

通過對沉樁定位過程相關(guān)影響因素的分析，找到了定位過程中船舶的運動規(guī)律，針對該運動規(guī)律提出分方向定位法。經(jīng)過實際運用，該方法能夠在保證施工精度的前提下提高了施工效率，且該方法較容易掌握，因此具有較高的應(yīng)用前景和推廣價值，在多樁的碼頭及相關(guān)設(shè)施的沉樁工程中，該方法的時間價值和經(jīng)濟價值將會更加突出。

參考文獻

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