桶式結(jié)構(gòu)氣浮及下沉模型試驗研究

夏俊橋，李　武

（1.中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇　連云港　222042；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海　200032）

桶式結(jié)構(gòu)氣浮及下沉模型試驗研究

夏俊橋1，李武2

（1.中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海200032）

針對桶式結(jié)構(gòu)在淤泥質(zhì)海岸軟土地基上安裝中的氣浮和下沉關鍵技術，采用平面尺度1︰6，深度1︰2的鋼制模型桶進行現(xiàn)場試驗，通過海上氣浮拖運模型桶，觀察桶式結(jié)構(gòu)氣浮拖運時的吃水深度、擺動幅度及干舷高度，歸納氣浮拖運工藝和關鍵控制參數(shù)；通過排氣排水下沉，觀察桶式結(jié)構(gòu)下沉速度與排氣排水量的關系、下沉阻力及各個倉格對桶體糾偏的效果，得出桶式結(jié)構(gòu)下沉工藝和糾偏工藝的控制指標，確定桶式結(jié)構(gòu)施工過程的關鍵控制參數(shù)，為桶式結(jié)構(gòu)施工奠定技術基礎。

桶式結(jié)構(gòu)；氣浮；負壓下沉

0　引言

在淤泥質(zhì)海岸建造防波堤、駁岸和圍堤等工程，通常采用斜坡式結(jié)構(gòu)形式。但隨水深的增加，堤身斷面工程量與水深成立方關系增長，使砂石料用量急劇增加，進而延長施工工期和受風浪影響的天數(shù)，導致工程投資增加。對砂石料缺乏、工期緊的重點工程，傳統(tǒng)斜坡堤方案受到限制。因此，設計提出的桶式結(jié)構(gòu)較好解決了該類問題[1-4]。

桶式結(jié)構(gòu)是由桶蓋、桶壁、隔板組成的多隔倉混凝土空間薄壁結(jié)構(gòu)。桶蓋上設置的排氣排水裝置，可控制結(jié)構(gòu)浮運、下沉及糾偏。相對傳統(tǒng)斜坡堤結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有標準化工廠預制、水上施工速度快、可開設多個作業(yè)面、砂石料用量少、工程造價低等特點。但新結(jié)構(gòu)施工工藝尚不成熟，尚需深入研究。

1　模型試驗目的

桶式結(jié)構(gòu)是一種倒扣杯體結(jié)構(gòu)，水上運輸安裝工藝與沉箱結(jié)構(gòu)不同，為獲得桶式結(jié)構(gòu)水上運輸安裝工藝，采用平面尺度1︰6，深度1︰2的鋼制模型進行試驗，收集該模型氣浮拖運、下沉中的控制參數(shù)，為桶式結(jié)構(gòu)工程應用提供技術支撐。

2　模型試驗方案

2.1試驗模型

桶體模型材料側(cè)板和隔板選用10 mm鋼板，頂板選用12 mm鋼板。模型尺寸如圖1。

圖1　桶體結(jié)構(gòu)模型圖（單位：mm）Fig.1　Barrel structure model(mm)

2.2主要試驗設備

主要試驗設備見表1。

表1　試驗設備Table 1　Testing Equipment

2.3管線連接和操作控制

1）管線連接

空壓機、儲氣罐和控制臺之間采用鋼管連接。氣體通過控制臺分成9個氣路分別采用φ8 mm橡膠管連接到桶體9個隔倉的氣管閥門上。潛水泵通過φ80 mm橡膠管連接桶體各個隔倉排水閥門，在進水和出水管道上分別設置手動閥門，潛水泵電纜連接至控制平臺，見圖2。

2）操作控制

圖2　管線連接圖Fig.2　Pipeline connection diagram

桶體9個隔倉的排氣排水及充氣都由控制臺相應閥門控制。控制閥門分為手動閥門和電磁閥門，測試全程采用電磁閥門，如電磁閥門出現(xiàn)損壞失效，再啟用手動閥門控制。

3　模型試驗結(jié)果

桶體充氣起浮試驗結(jié)果見表2。

表2　桶體充氣起浮試驗記錄Table 2　Inflatable flotation test records for a barrel structure

由表2試驗結(jié)果可得出，每個隔倉壓力基本相同，隨吃水深度增加，倉內(nèi)壓力變化不明顯。但吃水淺時調(diào)平靈敏度高，說明穩(wěn)定性隨吃水深度變化而變化，即抗傾覆力矩相對于傾覆力矩變小。因此，推斷桶體氣浮時，要保證一定的吃水深度，以桶蓋板不上水為宜。

桶體負壓下沉試驗結(jié)果見表3。

表3　桶體負壓下沉試驗記錄表Table 3　Test records for a barrel-structure being sunk under negative pressure

由表3試驗結(jié)果可得出隔倉排氣速度影響桶體穩(wěn)定性。入泥后，由于土質(zhì)不均勻性，桶體容易發(fā)生偏位，可及時采用邊倉進行糾偏，即停止下沉大一側(cè)潛水排污泵或真空泵，繼續(xù)抽下沉小一側(cè)邊倉的水或氣。由此可以推斷排氣下沉時，控制好排氣速度，能夠保證桶體下沉穩(wěn)定性；在淤泥層中可以適當放寬糾偏高差，即在高差超過50 cm時，再進行糾偏，但在好土層，應減小糾偏高差范圍，及時調(diào)整偏位。

4　理論計算結(jié)果

4.1氣浮計算

桶體結(jié)構(gòu)下水后，向桶體的隔倉內(nèi)充氣，桶內(nèi)氣體處于受壓狀態(tài)，氣體壓力使桶體內(nèi)外形成水位差，桶壁形成的浮力和桶內(nèi)氣體形成的氣浮力使桶體浮于水面上，調(diào)整桶體內(nèi)的充氣量使桶體平衡。由于桶體采用多個隔倉，當結(jié)構(gòu)在波浪、潮流等外力作用下發(fā)生小于6°的傾斜時，近似桶體重心位置不變，但重力產(chǎn)生的力矩使其繼續(xù)傾斜，即傾覆力矩MG。同時，各個隔倉氣壓發(fā)生變化，導致各個隔倉的浮力發(fā)生變化，構(gòu)成扶正作用的抗傾力矩MF（圖3）。

圖3　計算簡圖Fig.3　Calculation diagram

經(jīng)計算試驗桶體氣浮吃水2 m、傾角6°時：

扶正比=MF/MG=1.15

試驗桶體氣浮吃水3 m、傾角6°時：

扶正比=MF/MG=2.68

由計算結(jié)果得出，吃水3 m比吃水2 m的扶正比高，穩(wěn)定性調(diào)節(jié)能力強，與試驗結(jié)果一致。

4.2桶體下沉力計算

設桶頂水深2 m，淤泥下沉側(cè)阻力為2.5 kPa，總下沉阻力：

桶壁內(nèi)外周長δ=29.96×2=59.92 m

在淤泥中每下沉1 m阻力為P淤=59.92×2.5= 149.8 kN

下沉5 m總阻力P阻=149.8×5=749.0 kN

桶在水下浮重G浮=130.96/7.8×6.8=114.17 kN

憑自重可下沉深度h=114.17/149.8=0.76 m

當桶內(nèi)水位至桶蓋板以下時，則桶蓋板上水體荷載為:

此時桶體可下沉h=2.65 m

抽真空負壓下沉所需壓力：

由計算結(jié)果可以得出，排氣自重下沉深度0.76 m，與試驗排氣下沉深度基本一致。

5　結(jié)語

1）通過試驗總結(jié)了桶體氣浮施工工藝的控制因素是桶體吃水深度和干舷高度。

2）通過排氣排水及負壓工藝可以實現(xiàn)桶體下沉安裝，而且還能調(diào)節(jié)桶體安裝的姿態(tài)，保證安裝精度。

3）通過現(xiàn)場試驗，掌握了氣浮工藝和下沉工藝中管道連接方式和控制方法，檢驗了施工設備的能力。

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報告[R].2012.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

[2]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設計[R].2012.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012..

[3]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗研究[J].水利水運工程學報，2012（5）：42-47.

LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability tests of bucketbased structure[J].Hydro-science and Engineering,2012(5):42-47.

[4]李武，陳甦，程澤坤，等.水平荷載作用下桶式基礎結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].中國港灣建設，2012（5）：14-18.

LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

Model study and research on flotation and sinking of barrel structures

XIA Jun-qiao1,LI Wu2
（1.Jiangsu Branch of CCCC Shanghai Harbour Engineering Company,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

For the key technologies for flotation and sinking of barrel structures to improve the soft ground on a muddy coast, model tests were carried out on site with a steel barrel model with its plan scale of 1:6 and its depth scale of 1:2.By floating and hauling the model barrel,the draft,swaying and freeboard of the barrel were observed and the technological process and the key control parameters for floating haulage of the barrel were summarize.By draining and lowering down the model barrel,the relationship of sinking speed of the barrel to the discharge of air and water from the barrel,sinking resistance and the effect of the cells upon the correction of the inclination of the barrel were observed,thus obtaining the control targets for the sinking and correction technology and determining the key control parameters for the construction process for barrel structures.The site model tests and results provide technical reference for barrel structure construction.

barrel structure;flotation;negative pressure sink

U656.2

A

2095-7874（2016）05-0035-04

10.7640/zggwjs201605009

2015-11-13

2016-02-12

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

夏俊橋（1977— ），男，安徽阜陽人，高級工程師，從事港口與航道工程管理和技術管理、研究工作。E-mail：xiajunqiao@foxmail.com