浮船塢臨時擋浪輔助沉箱安裝技術

畢莉莉，王雪剛

（1.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

浮船塢臨時擋浪輔助沉箱安裝技術

畢莉莉1，王雪剛2

（1.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

文章介紹大涌浪環境下借助浮船塢臨時擋浪的輔助沉箱安裝技術。使用水動力軟件AQWA對“防城港”號浮船塢擋浪效果進行水動力計算，將計算結果與浮船塢擋浪前后波高進行對比，認為使用浮船塢進行施工中的擋浪是可行的，且擋浪效果顯著。采用浮船塢擋浪，增加了施工窗口期，縮短了施工工期，減少了施工成本。

浮船塢；擋浪；沉箱安裝

0 引言

茂名港博賀新港區粵電煤炭碼頭工程處于廣東省三大浪區之一，由于其南向沒有掩護，在南季風的影響下，涌浪的最小波高也高達1 m左右，使得在安裝沉箱時不能準確定位，甚至多次壓壞基床。

針對此情況，采用“防城港”號浮船塢擋浪輔助沉箱安裝，使用水動力勢流計算軟件AQWA進行建模和計算，分析利用浮船塢進行臨時消波的效果和適應性，并將水動力計算結果與浮船塢擋浪前后波高進行對比，計算結果與實船使用擋浪效果相吻合，使用浮船塢進行施工中的擋浪是可行的，且擋浪效果顯著，同時對比了浮船塢吃水深度對擋浪效果的影響。

1 工程概況

廣東茂名港博賀新港區粵電煤炭碼頭工程位于茂名市電白縣電城鎮，博賀灣東南部的東閣嶺至蓮頭嶺沙壩附近的潟湖灘涂和海域（圖1）。

圖1 工程效果圖Fig.1 Engineering drawing

工程包括防浪護岸、防波堤、港內護岸、取水口、3.5萬t碼頭、10萬t碼頭、港池開挖、堆場回填和簡易護岸施工等。3.5萬t碼頭由西往東，港池局部開挖后水深約15 m。施工現場南向屬于無掩護狀況，受東南向的涌浪影響大。波高0.5 m以內的頻率占19.48%；波高0.5～1.0 m的頻率占50.15%；波高1.0～1.5 m的頻率占25.26%；波高1.5 m以上的頻率占5.11%，根據設計及水文資料，現場水深15 m且為極端高水位時，5 a一遇的最大波高為7.9 m。

2 現場實施情況

2014年3月，項目進行沉箱安裝典型施工時，沉箱的裝駁、拖航、下潛起浮和移位等工序均順利完成，但在沉箱準確定位沉放時出現較大偏差。經多次定位安裝，在采取加大沉箱進水量、縮短下沉時間及兩側布置方駁定位等措施后，沉箱定位下沉時鋼絲繩均被拉斷，沉箱位移0.3~1.2 m，沉箱不能準確定位。惡劣海況成為影響沉箱安裝進度、質量和安全的主要因素。

無掩護條件大涌浪環境沉箱安裝施工存在較大困難，安裝過程中會破壞基床表面[1]，必須采取相應的措施進行施工期臨時擋浪。浮式防波堤是較理想的擋浪措施，結合現場實際情況，擬利用現有船機進行擋浪、消波，改善施工受到波浪環境制約的影響，確保惡劣海況下沉箱安裝。初步選定使用“防城港”號浮船塢進行臨時消波輔助沉箱安裝。

3 浮船塢擋浪分析

3.1 擋浪計算

“防城港”號浮船塢的船長為43 m，型寬為32 m，型深為3.6 m，吃水為3.05 m，空載排水量為2 330 m3，滿載排水量為3 200 m3。“防城港”號浮船塢的三維模型如圖2所示。根據該浮船塢的三維模型，以其設計吃水（3.05 m）為基本計算狀態，靜水面為界，將其分成水上和水下兩部分。將浮船塢幾何模型的水上和水下兩部分按照默認長度0.5 m、最大單元尺寸為1 m的規格自帶劃分網格，共計生成的15 302個SHELL63面單元，最終生成的網格形態見圖2。

圖2“防城港”號浮船塢三維模型及網格劃分Fig.2 3D model and mesh generation of"Fangchenggang" floating dock

為了準確地描述浮船塢在波浪中的放置位置，以及更好地表達浮船塢擋浪的效果，同時與三維模型中的坐標系相統一，定義如圖3所示的隨船坐標系。透射系數kt是評估防波堤消波效果的一個重要指標，其表達式為：kt=Ht/Hi，式中：Hi為塢前入射波高；Ht為塢后透過波高。定義波高衰減平均百分數為（1-kt）×100%。波高衰減平均百分數越高，即透射系數越小，浮式防波堤的擋浪效果越好。

圖3 隨船坐標系Fig.3 Local coordinate system

定義計算的規則波波高為2 m（即入射波的波幅為1 m）；與波浪的遭遇角為90°；計算區域水深為15 m；波長根據波浪的彌散關系確定，ω2= gktanh（kh），式中：ω為圓頻率，ω=2π/T，T為波浪周期；h為水深（計算區域水深為15 m）；g為重力加速度，取9.81 m/s2；k為波數，k=2π/L，L為波長。使用Hunt的方法確定波數[2-5]：

式中：f（β）=1.0+0.652 2β+0.462 2β2+0.086 4β4+ 0.067 5β5，β=ω2h/g。則波長的計算公式為：

使用水動力勢流軟件AQWA計算浮船塢對周期為6 s的規則波的擋浪效果，根據式（2）計算，其波長為53.10 m。假設水為無黏性、無旋、不可壓縮的理想流體；認為沒有水流穿過船體和海底；對浮船塢周圍127.6 m長、86 m寬的水域面積上劃分4 000個單元的自由面網格；同時考慮繞射和反射的作用。這個波浪周期內區域內各單元的波幅峰值分布如圖4所示，圖5為浮船塢船后波高衰減平均百分數曲線。

圖4 波幅峰值分布圖Fig.4 Distribution of wave amplitude peak value

圖5 波高衰減曲線Fig.5 Wave height attenuation curve

從圖4和圖5可以看出，在浮船塢的正后方（y<21.500）50 m的計算范圍內，波高衰減超過50%，擋浪效果隨著堤后距離的增加而降低；船外側（y>21.500），隨著堤后距離的增加，擋浪效果增加，基本是滿足開爾文波系的形狀，其擋浪效果隨著離開船側的距離而削弱。

該浮船塢的設計吃水為3.05 m，分別設置其吃水為1 m、2 m、3.6 m和4 m，計算并對比其對周期為6 s波浪的擋浪效果，其半潛駁船后波高衰減平均百分數曲線如圖6所示。

圖6 不同吃水的波高衰減曲線Fig.6 Wave height attenuation curve in different draft

3.2 實施效果

茂名港博賀新港區粵電煤炭碼頭工程的沉箱安裝時，基于以上浮船塢擋浪的計算結果和多次總結施工方法，采取“防城港”號浮船塢進行擋浪前后的擋浪效果對比，現場海況對比如圖7和圖8所示。未采用任何擋浪措施，浪高1 m左右；使用“防城港”號浮船塢進行側向擋浪時，船后的浪高在0.2 m以內，與圖6中的浮船塢的正后方（y=0）波高衰減曲線大于80%相吻合。綜合圖6的計算結果與浮船塢擋浪前后的波浪對比（圖7和圖8），可以認為使用浮船塢進行施工中的擋浪是可行的，并且擋浪效果顯著。

圖7 未使用擋浪措施時的海況Fig.7 Sea condition without wave-blocking

圖8 浮船塢擋浪后的海況Fig.8 Sea condition with wave-blocking of floating dock

4 結語

本文主要使用水動力軟件AQWA對“防城港”號浮船塢擋浪效果進行計算，將水動力計算結果與浮船塢擋浪前后波高對比，認為使用浮船塢進行施工中的擋浪是可行的，且擋浪效果顯著。施工中采用浮船塢進行擋浪，在不是特別惡劣的海況下可進行施工，較不采取擋浪措施的情況增加了施工窗口期，縮短了施工工期，減少了施工成本，可供類似工程借鑒。同時對比了吃水對目標波浪的擋浪效果的影響。獲得以下主要結論。

1）浮船塢的擋浪效果明顯，浮船塢的正后方50 m內的波高衰減超過50%，擋浪效果隨著船后距離的增加而削弱；

2）船外側（即y>21.50），擋浪效果隨著船后距離的增加而變好，隨著離開船側的距離增加而削弱；

3）保持足夠的干舷防止越浪的情況下，擋浪效果隨著船舶吃水的增加而變好。

[1]徐曉東，施孟凱.無掩護水域長周期波條件下沉箱出運安裝工藝[J].中國港灣建設，2014（9）：52-54. XU Xiao-dong,SHI Meng-kai.Techniques of caisson transportation and installation in long period wave condition without sheltered waters[J].China Harbour Engineering,2014(9):52-54.

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Installation technology of temporary wave-blocking assists caisson for floating dock

BI Li-li1,WANG Xue-gang2
（1.The Third Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong 524005,China; 2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

We introduced the caisson installation technology of temporary wave-blocking using the floating dock in large swells,calculated the effect of wave-blocking of"Fangchenggang"floating dock by the hydrodynamic software AQWA,the calculation results are compared with the wave heights before and after wave-blocking of floating dock.It is feasible to use floating dock for wave-blocking in construction,and the effect is significant.It is shown that the proposed technology has the advantages of increasing the construction window period,shortening construction period and saving the cost of construction.

floating dock;wave-blocking;caisson installation

U656.1；U655.4

A

2095-7874（2016）12-0063-03

10.7640/zggwjs201612013

2016-07-06

2016-09-01

畢莉莉（1983— ），女，山東威海人，工程師，主要從事港口工程技術管理工作。E-mail：blili@cccc4.com