直立式防波堤桶式結(jié)構(gòu)浮運(yùn)安裝

曹義國，夏俊橋（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海　200032）

直立式防波堤桶式結(jié)構(gòu)浮運(yùn)安裝

曹義國，夏俊橋
（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032）

連云港徐圩港區(qū)直立式防波堤工程采用一種新型桶式結(jié)構(gòu)，為了解決該結(jié)構(gòu)的海上運(yùn)輸與安裝，節(jié)省施工費(fèi)用，施工中采用水上氣浮拖帶運(yùn)輸，通過排氣、排水實(shí)現(xiàn)負(fù)壓下沉，保證了新型桶式結(jié)構(gòu)的順利實(shí)施。在桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮拖運(yùn)和負(fù)壓下沉過程中，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)控制桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的姿態(tài)和沉放精度，保證了工程質(zhì)量。

直立式防波堤；桶式結(jié)構(gòu)；浮運(yùn)安裝；負(fù)壓下沉；自動(dòng)控制

1　工程概況

連云港徐圩港區(qū)直立式東防波堤全長4.2 km，由195個(gè)桶式結(jié)構(gòu)插入淤泥形成，該區(qū)域泥面標(biāo)高約-6.0 m（基于當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫韵峦韺佑倌嗪?～10 m，桶底進(jìn)入表層淤泥層以下的下臥粉質(zhì)黏土層1～2 m，上筒預(yù)制頂標(biāo)高+3.5 m[1]。

桶式結(jié)構(gòu)是一種無底有頂?shù)膯瓮岸嗯撲摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，每個(gè)桶式結(jié)構(gòu)由下層多艙桶體和上層2個(gè)圓筒共同組成，總重2 600～3 100 t。下層桶體呈長圓形，由中間矩形和2個(gè)半圓組成，長30 m，寬20 m，高8.5～11 m，通過隔墻分為9個(gè)格艙，下桶外壁底部4 m高度范圍內(nèi)墻厚300 mm、上部墻厚400 mm，隔墻墻厚300 mm，下桶頂板厚600 mm。上層2個(gè)φ8.9 m圓形筒體坐落在下層桶頂板上，高度9～10 m，壁厚400 mm，2個(gè)圓筒間距1 100 mm。

桶式結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，長邊方向垂直于堤軸線布置。設(shè)計(jì)要求桶式結(jié)構(gòu)單元施工控制標(biāo)準(zhǔn)為：平面位置偏差±30 cm，標(biāo)高控制偏差±30 cm，垂直度1%。

本海域年平均海平面+2.97 m，年平均高潮位+4.84 m，年平均低潮位+1.18 m，設(shè)計(jì)高水位+5.41 m，設(shè)計(jì)低水位+0.47 m。

2　桶式結(jié)構(gòu)氣浮和負(fù)壓下沉驗(yàn)算

2.1氣浮機(jī)理及氣浮穩(wěn)定驗(yàn)算

桶式結(jié)構(gòu)倒扣入水后，向桶內(nèi)充氣，桶內(nèi)氣體處于受壓狀態(tài)，壓縮氣體將桶內(nèi)的水面向下壓，使桶內(nèi)外水面產(chǎn)生一個(gè)高度差。桶內(nèi)氣體的壓力強(qiáng)度等于桶內(nèi)外水面高度差的水柱壓力，這個(gè)壓力在桶內(nèi)向下作用于水面，使桶內(nèi)的自由水面低于桶外的自由水面；側(cè)向作用于桶壁，對(duì)于整個(gè)桶壁合力為0；向上作用于桶頂，將桶體頂起浮于水面。桶體處于靜穩(wěn)態(tài)時(shí)，桶內(nèi)氣體對(duì)桶頂向上作用力與桶壁浮力之和等于桶體的重量，即桶壁和桶內(nèi)氣體排開水體的重量等于桶體的重量。

本工程中氣浮體采用的是無底有頂?shù)膯瓮岸喔衽撲摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，當(dāng)氣浮桶式結(jié)構(gòu)在波浪、潮流等外力作用下發(fā)生傾斜時(shí)，結(jié)構(gòu)重心高于浮心，結(jié)構(gòu)重量會(huì)產(chǎn)生傾覆力矩。而桶體格艙內(nèi)封閉氣體，一側(cè)會(huì)隨桶體升高，氣體體積膨脹，氣壓下降，對(duì)頂板壓力減小；另一側(cè)隨桶體下沉，氣體受壓縮，氣壓升高，對(duì)頂板壓力增加，此時(shí)，各個(gè)格艙提供的浮力會(huì)發(fā)生明顯的變化，浮力形心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，因而形成一定的穩(wěn)定力矩，只要穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩，氣浮桶式結(jié)構(gòu)將是穩(wěn)定的，見圖1。

圖1　桶式結(jié)構(gòu)氣浮示意圖Fig.1　Pneumatically floated bucket-based structure

新型桶式基礎(chǔ)矩形斷面結(jié)構(gòu)n艙氣浮穩(wěn)定判別通式[2]，根據(jù)模型試驗(yàn)修正形成計(jì)算公式（1）。

式中：n為結(jié)構(gòu)單元的格艙數(shù)；ρ為定傾半徑；YG為結(jié)構(gòu)重心位置；YC為結(jié)構(gòu)浮心位置；YG-YC為結(jié)構(gòu)重心到浮心的距離。

根據(jù)公式（1）推導(dǎo)出本工程氣浮桶體定傾高度m為：

式中：ρ為定傾半徑；α為重心到浮心距離；m為定傾高度。

根據(jù)本工程氣浮拖運(yùn)的海況條件，考慮安全因素，當(dāng)m>0.6時(shí)，氣浮浮游穩(wěn)定；同時(shí)還需滿足下桶體頂部的干舷高度≥80 cm[3]。

以下桶高10.15 m，上筒高9.95 m的桶式結(jié)構(gòu)為例，計(jì)算其氣浮拖運(yùn)施工參數(shù)見表1。

表1　桶式結(jié)構(gòu)氣浮拖運(yùn)施工參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1　Calculated results of parameters for floating transportation of bucket-based structure

2.2桶式結(jié)構(gòu)負(fù)壓下沉驗(yàn)算

桶式結(jié)構(gòu)下沉則通過排氣、排水、抽真空形成負(fù)壓，在自重及負(fù)壓的作用下，克服土體阻力下沉。第一階段為排氣自重下沉。打開桶體上方的排氣排水閥門，桶內(nèi)氣體排出，桶式結(jié)構(gòu)在自身重力的作用下入泥下沉，通過調(diào)節(jié)排氣速度控制下沉速率，下沉過程中發(fā)生傾斜時(shí)，通過調(diào)節(jié)不同格艙排氣量將桶體調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，直至桶體結(jié)構(gòu)自重和土體阻力平衡，結(jié)構(gòu)停止下沉為止。第二階段為抽水抽氣負(fù)壓下沉。當(dāng)桶體內(nèi)的氣體全部排出后，利用潛水排污泵從抽水孔中將桶內(nèi)水體抽出，結(jié)構(gòu)繼續(xù)下沉；在無水可抽時(shí)，通過抽氣形成負(fù)壓加力。

本工程土層分部相對(duì)較均勻，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，桶式結(jié)構(gòu)穿過表層淤泥層后進(jìn)入下層粉質(zhì)黏土層1～2 m，下沉需要克服土體摩阻力及端阻力。表層淤泥層流塑，壓縮性極高，其下粉質(zhì)黏土層主要由黏土、粉質(zhì)黏土組成，可塑。

為了確定土層的摩阻及端阻系數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)1∶6比尺的桶式結(jié)構(gòu)模型下沉試驗(yàn)，結(jié)合原狀土室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析論證各土層的摩阻及端阻系數(shù)取值見表2。

各土層厚度按桶式結(jié)構(gòu)附近鉆孔取值選取，施工潮位取+3.0 m，潛水排污泵和真空泵分別能達(dá)到的真空度為30%和90%，按以上參數(shù)計(jì)算典型桶式結(jié)構(gòu)下沉力和阻力，結(jié)果見表3。

表2　土層摩阻及端阻系數(shù)取值表Table 2　Frictional resistance of soils and end resistance coefficient

表3　典型桶式結(jié)構(gòu)下沉受力計(jì)算結(jié)果Table 3　Calculated results of forces on typical bucketbased structure being lowered down

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用潛水排污泵下沉力與阻力的比值為1.66，使用真空泵下沉力與阻力的比值達(dá)到了2.24。按類似工程經(jīng)驗(yàn)[4]，當(dāng)下沉力與阻力比大于1.5時(shí)，可順利下沉。本工程進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)格艙均設(shè)置潛水排污泵，為了保證桶式結(jié)構(gòu)下沉到位，使用了2個(gè)真空泵，1個(gè)真空泵與4個(gè)格艙并聯(lián)，另一個(gè)真空泵與其他5個(gè)格艙并聯(lián)。

3　桶式結(jié)構(gòu)浮運(yùn)安裝工藝

3.1施工工藝流程

桶式結(jié)構(gòu)浮運(yùn)安裝工藝流程：施工準(zhǔn)備→半潛駁運(yùn)輸桶式結(jié)構(gòu)至下潛坑定位→半潛駁下潛→桶式結(jié)構(gòu)排氣下潛→關(guān)閉閥門繼續(xù)下潛→桶式結(jié)構(gòu)氣浮→氣浮拖帶→桶式結(jié)構(gòu)定位→排氣下沉→排水負(fù)壓下沉。

3.2施工準(zhǔn)備

半潛駁靠泊預(yù)制廠出運(yùn)碼頭，桶體氣囊搬運(yùn)上船后，在桶頂安裝自動(dòng)控制操作平臺(tái)，將桶體每個(gè)格艙氣管、水管與平臺(tái)上相應(yīng)的管道、泵閥相連接。準(zhǔn)備就緒后由半潛駁運(yùn)輸至下潛坑通過GPS進(jìn)行拋錨定位，拖帶桶式結(jié)構(gòu)的起重船與半潛駁對(duì)接定位拋錨，連接桶式結(jié)構(gòu)和半潛駁四角系船柱上的控制纜繩，連接起重船與桶式結(jié)構(gòu)之間的拖帶纜繩，操作人員檢查管道及閥門連接的情況。

3.3桶式結(jié)構(gòu)氣浮

根據(jù)半潛駁抽排水性能不同，提前下潛確保潮水漲至平潮時(shí)拖帶出駁。下潛前，確認(rèn)排水、排氣閥門保持打開狀態(tài)，半潛駁開始第一次下潛，至桶體吃水0.8 m左右時(shí)停止下潛。下潛過程中檢查各閥門排氣是否正常，如發(fā)現(xiàn)管道堵塞情況應(yīng)及時(shí)處理。當(dāng)氣體排放完成后關(guān)閉所有水、氣閥門。

閥門關(guān)閉后控制纜繩人員就位，實(shí)施第二次下潛。第二次下潛時(shí)潮位不得低于施工潮位，下潛過程中安排專人觀察桶體是否存在漏氣現(xiàn)象，控制室人員觀察氣壓變化，待桶體下潛至吃水7.5 m時(shí)停止下潛，拉緊拖帶船舶與桶體拉環(huán)之間的纜繩，充氣船靠近桶體，連接充氣船與操作平臺(tái)之間的氣管。而后繼續(xù)下潛至桶體浮游穩(wěn)定吃水，桶內(nèi)各格艙控制充氣至浮游穩(wěn)定氣壓，桶體浮起，收緊四角控制纜繩，防止桶體撞向半潛駁。

3.4氣浮拖帶

氣浮穩(wěn)定后，開動(dòng)起重船錨機(jī)緩慢將桶式結(jié)構(gòu)移出半潛駁，移動(dòng)過程中緩慢加力，同時(shí)收放半潛駁塔樓上與桶體連接的纜繩，控制桶式結(jié)構(gòu)，確保起重船緩慢并平穩(wěn)地將桶式結(jié)構(gòu)牽出半潛駁，拖帶工藝圖見圖2。

圖2　拖帶工藝圖Fig.2　Diagram of towing of pneumatically floated bucket-based structure

待結(jié)構(gòu)完全移出半潛駁后，桶式結(jié)構(gòu)上的施工人員將4根控制纜松開，由半潛駁上的人員收回，而后拖帶起重船拖運(yùn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)移位，緩慢地駛向安裝基槽，移動(dòng)過程中測(cè)量人員通過自動(dòng)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)告桶體位置，指揮人員根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)控制桶體在基槽內(nèi)移動(dòng)。

拖航過程中通過充/排氣保持桶體浮游吃水，拖航速度不大于2 kn。安排2條交通船在兩側(cè)觀察吃水深度，并隨時(shí)報(bào)告操作平臺(tái)調(diào)度人員，調(diào)度人員根據(jù)平衡狀況指揮操作人員進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)平。

定位船提前就位，待桶式結(jié)構(gòu)距離安裝位置200 m時(shí)，定位船通纜到桶體，由拖帶船舶和定位船共同移動(dòng)桶體。

3.5定位下沉

桶體氣浮運(yùn)輸?shù)骄嚯x安裝的位置10 m時(shí)開始精確定位，定位采用起重船和定位駁船共同完成。精確定位時(shí)，測(cè)量人員觀察自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)告桶體位置，指揮人員根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)指揮定位船、起重船控制纜繩移位，定位時(shí)首先將桶體移動(dòng)到相對(duì)軸線的正確位置，然后向已經(jīng)安裝好的桶體移動(dòng)，當(dāng)桶體在預(yù)定安裝位置10 cm以內(nèi)時(shí)，拉緊錨纜，確保桶體位置基本固定，開始下沉作業(yè)。

3.6排氣下沉

當(dāng)桶體定位確定無誤后，操控自動(dòng)化控制系統(tǒng)打開排氣閥門，在自重作用下桶體開始下沉。由懸浮狀態(tài)下沉至泥面上30 cm后，關(guān)閉排氣閥門，停止排氣，測(cè)量人員再次通過GPS精確定位并檢查桶體垂直度，確認(rèn)滿足設(shè)計(jì)要求后，再次打開閥門排氣，最終入土下沉。

由于海床面的高差及土質(zhì)不均，桶體入土下沉?xí)a(chǎn)生傾斜位移。通過測(cè)傾儀監(jiān)控側(cè)傾狀況，如發(fā)現(xiàn)超過要求，關(guān)閉下沉較大側(cè)格艙的排氣閥門，同時(shí)觀察桶體的平衡狀況，待桶體平衡后，再次打開全部排氣閥門進(jìn)行排氣下沉，確保桶體順直平穩(wěn)地完成第一階段下沉。

3.7排水負(fù)壓下沉

完成上述工作后，根據(jù)桶內(nèi)水位情況啟動(dòng)排污泵，進(jìn)行負(fù)壓下沉，連續(xù)觀測(cè)桶壁水位刻度線，隨時(shí)反饋，當(dāng)桶體在0.5 h內(nèi)下沉量不超過10 cm時(shí)或糾偏困難時(shí)開啟真空泵。當(dāng)下沉傾斜超過要求時(shí)，暫停下沉較大一側(cè)格艙的水泵（或真空泵），下沉較小的一側(cè)繼續(xù)工作，直至桶體下沉處于均衡狀態(tài)，其后繼續(xù)負(fù)壓下沉作業(yè)。作業(yè)通過操作平臺(tái)閥門進(jìn)行控制，隨時(shí)調(diào)整各臺(tái)泵開關(guān)，確保桶體的平衡下沉。當(dāng)排污泵出口處無水排出并有泥漿出現(xiàn)，關(guān)閉各排污泵，校核下沉深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后下沉作業(yè)完成。

4　安裝控制措施

4.1氣象海況

持續(xù)收聽收看海洋天氣預(yù)報(bào)，跟蹤氣象信息，半潛駁下潛并實(shí)施氣浮作業(yè)應(yīng)確保在較好的海洋狀況下進(jìn)行，預(yù)知風(fēng)力可能達(dá)到6級(jí)或波高可能超過1 m情況時(shí)不可實(shí)施下潛氣浮作業(yè)。

4.2氣密性

桶體氣密性關(guān)系浮運(yùn)安全，在不同施工階段檢查和采取措施保證桶體氣密性，出運(yùn)前檢查桶體本身是否存在裂縫、破損、蜂窩等缺陷，管道安裝完畢后關(guān)閉底部閥門，進(jìn)行試驗(yàn)充氣檢查閥門和管道是否存在漏氣，桶體下潛到吃水7.5 m時(shí)對(duì)周邊進(jìn)行詳細(xì)查看，檢查周邊是否存在水泡，監(jiān)聽是否存在漏氣聲音。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)應(yīng)及時(shí)處理，保證桶體安裝全過程的氣密性。

4.3桶體控制

桶體位置由測(cè)量人員持續(xù)跟蹤實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，隨時(shí)報(bào)告指揮調(diào)度。桶體出駁前帶纜工人通過收放桶體四角的控制纜繩保持桶體處于半潛駁中心，防止桶體偏位過大碰撞半潛駁。出駁后通過收放桶體后側(cè)2根纜繩進(jìn)行控制，桶體前側(cè)由起重船收放纜繩控制，起重船起錨時(shí)如風(fēng)浪過大會(huì)導(dǎo)致桶體飄移，此時(shí)需提前預(yù)判由錨艇拖帶控制起重船防止桶體跑位。

4.4桶體平衡

桶式結(jié)構(gòu)氣浮和下沉過程中測(cè)量人員密切跟蹤桶體四角GPS高程，判斷桶體傾斜程度，高差超過10 cm時(shí)通知指揮調(diào)度和操作人員，氣浮階段操作人員通過對(duì)不同格艙充氣、排氣手段進(jìn)行調(diào)平，下沉階段通過格艙間排氣、排水差異進(jìn)行調(diào)平。

4.5偏差控制

安裝位置誤差由測(cè)量系統(tǒng)觀測(cè)、定位船舶纜繩控制調(diào)節(jié)，入土前后和最后階段垂直度是控制的關(guān)鍵，桶體靠近泥面時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整，入土30 cm時(shí)進(jìn)行再次調(diào)整，下沉最后1 m時(shí)提高調(diào)整頻率，確保桶體下沉最后的垂直度。

4.6安裝效果

截止目前，195個(gè)桶式結(jié)構(gòu)已經(jīng)順利安裝完成，機(jī)構(gòu)單元平面偏差、桶體間距、垂直度等均滿足設(shè)計(jì)要求。具體如下：

1）安裝平面偏差測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)合格率≥93%，桶體間距測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)合格率≥95%，高程偏差測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)合格率≥90%，桶底未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)定底標(biāo)高的桶式結(jié)構(gòu)，經(jīng)人工割除排水管道潛水工具探摸，發(fā)現(xiàn)蓋板均已經(jīng)抵達(dá)泥面。

2）對(duì)防波堤兩側(cè)的基底海床面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷，堤頭沖刷在堤身長度較短時(shí)不明顯。

3）目前桶體累計(jì)沉降＜8 cm，累計(jì)位移＜3 cm。

5　結(jié)語

桶式結(jié)構(gòu)作為一種新型的插入式單桶多艙結(jié)構(gòu)，具有節(jié)約材料、造價(jià)低、綠色環(huán)保、施工快捷等優(yōu)勢(shì)。通過本工程的實(shí)施，獲得專利2項(xiàng)，分別為“一種桶式防波堤基礎(chǔ)桶體的搬運(yùn)及安裝工藝”和“一種單桶多艙結(jié)構(gòu)氣浮和下沉施工自動(dòng)化控制裝置”。關(guān)鍵技術(shù)的日趨成熟與穩(wěn)定為后期工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為該結(jié)構(gòu)推廣到圍堤工程、碼頭駁岸工程、風(fēng)電基礎(chǔ)、橋梁基礎(chǔ)等領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)[R].2012.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of vertical structure for the east breakwater for Xuwei Port Area in Lianyungang[R].2012.

[2]李武，魏冰.桶式結(jié)構(gòu)氣浮穩(wěn)定計(jì)算方法[J].中國港灣建設(shè)，2016，36（3）：16-18.

LI Wu,WEI Bing.Air floating stability calculation of bucketbased structure[J].China Harbour Engineering,2016,36(3):16-18.

[3]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[4]祝業(yè)浩，倪國平，吳鳳亮.防波堤箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮拖運(yùn)與負(fù)壓下沉工藝[J].中國港灣建設(shè)，2005（5）：40-43.

ZHU Ye-hao,NI Guo-ping,WU Feng-liang.Technology for towing of pneumatically floated cylindrical substructures and installing with negative pressure for breakwaters[J].China Harbour Engineering,2005(5):40-43.

Floating transportation and installation of bucket-based structure for upright breakwater

CAO Yi-guo，XIA Jun-qiao
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

A novel bucket-based structure is used in the construction of the Xuwei upright breakwater in Lianyungang.In order to resolve the marine transportation and installation problem and save construction cost,the pneumatically floated bucketbased structure is towed by tugboats and installed with negative pressure,thus ensuring the smooth transportation and installation of the bucket-based structure.According to process requirements,the automatic control system is used to control the rise and lowering of the bucket type structure with correct positioning and accuracy during the towing of the pneumatically floated bucket-based structure and the installing of the bucket-based structure with negative pressure to ensure the quality of the works.

upright breakwater;bucket-based structure;floating transportation and installation;negative pressure lowering; automatic control

U656.2

A

2095-7874（2016）08-0058-04

10.7640/zggwjs201608014

2016-02-29

曹義國（1972— ），男，安徽安慶市人，高級(jí)工程師，港口及航道工程專業(yè)。E-mail：caoyiguo@126.com