構(gòu)皮灘水電站下游引航道渡江施工浮船設(shè)計與應(yīng)用

(中國水利水電第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

構(gòu)皮灘水電站通航建筑物由上下游引航道、3座鋼絲繩卷揚垂直升船機和2級中間渠道(含通航隧洞、渡槽、眀渠)等建筑物組成。

由于下游引航道右岸地形陡峻，無法從外部修筑施工道路直達作業(yè)面。受機組發(fā)電影響，晝夜水位變化較大，流速快，施工平臺固定困難。通過技術(shù)比選，決定采用浮船渡江，以解決人員、設(shè)備、材料運至右岸、開挖石渣運至左岸的交通問題。

2 浮船設(shè)計

2.1 浮船設(shè)計參數(shù)

a.浮船采用內(nèi)河C級設(shè)計船體結(jié)構(gòu)，為單甲板、單殼、單層底的鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)躉船。浮船平面為長方形，長78m，寬8m，深2.3m，以滿足行車道和防浪設(shè)施的需要。

b.浮船船艙空間無使用要求，可縱向、橫向設(shè)置加勁桁架。全船舷側(cè)采用橫骨架式，其他均采用縱骨架式，并在主甲板車輛通道位置采用結(jié)構(gòu)加強，肋骨間距500mm，縱骨間距500mm，滿足載重100t工程車安全通過。

c.浮船兩側(cè)做成流線形，破浪效果較好。浮船吃水深度1.2m，在護欄底部按5m間距設(shè)置足夠的橫向泄水孔，排除雨水和漫過護欄的波浪。

d.浮船主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 浮船主要技術(shù)參數(shù)

2.2 浮船總布置

浮船由主體平臺、跳板、跳板提升裝置、甲板設(shè)備及輔助器材等組成。

2.2.1 主體平臺

浮船主體平臺主尺寸為78m×8m×2.3m，由1個舵機艙、1個機艙、1個燃油艙、25個空艙組成。

2.2.2 跳板及跳板提升裝置

a.跳板主尺寸為7m×4m×0.5m，重約4.5t。

b.跳板提升裝置布置在浮船的兩端，用于實現(xiàn)跳板的翻轉(zhuǎn)，由吊桿、提升鋼索、導(dǎo)向滑輪組和電動葫蘆等組成。

2.2.3 甲板設(shè)備

甲板設(shè)備包括帶纜樁、錨、錨鏈、滾柱導(dǎo)纜器、閘刀掣鏈器及人力錨機、頂推架、發(fā)電機組和照明燈具等。

2.3 干舷

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施法定檢驗規(guī)則 內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》(2016年版)規(guī)范要求，內(nèi)河B級船舶的最小干舷值為347.9mm，實際干舷值為1114mm，實際吃水值為1200mm。

2.4 主要設(shè)備

浮船主要設(shè)備見表2。

表2 浮船主要設(shè)備

2.5 浮船舾裝設(shè)備

浮船舾裝設(shè)備見表3。

表3 浮船舾裝設(shè)備

3 浮船密性試驗

在浮船的裝配焊接和火工矯正工作結(jié)束后，即可進行浮船的密性試驗。密性試驗的目的是檢查外板及有密性要求的艙室焊縫有無滲漏現(xiàn)象，以保證浮船的運行安全。浮船水下部分以及下水后無法檢驗的部分，應(yīng)在浮船下水前做密性試驗；其他部位的密性試驗應(yīng)在浮船建造完工后進行。

4 錨碇設(shè)計與驗算

根據(jù)下游引航道河床地質(zhì)、施工水位及施工條件，進行錨碇系統(tǒng)的選擇和設(shè)計，浮船采用4個C30鋼筋混凝土錨碇固定，并設(shè)φ36mm錨筋樁錨入基巖中，左右岸分別設(shè)混凝土錨碇2個。另外，為確保浮船汛期安全，在左岸邊坡高程480～488m設(shè)置3m×3m×3m鋼筋混凝土系船墩3個。

4.1 鋼絲繩錨纜受力計算

錨纜的受力來源于浮船水阻力、風力和浮船受載時的橫向位移，最后傳遞給混凝土錨碇。

a.浮船水阻力R1:

R1=(fs+φF)V2×10-2

(1)

式中R1——浮船水阻力；

f——摩阻系數(shù)，鋼質(zhì)浮船取f=0.17；

S——浮船浸水面積，S=L(2T+0.85B)；

L——水線浮船長度，L滿載=77.235m，L空載=77.161m；

T——計算吃水，T滿載=1.19m，T空載=1.144m；

B——水線浮船寬度，B=8m；

φ——阻力系數(shù)，流線型浮船采用5；

F——浮船入水部分在垂直水流方向的投影面積；

V——計算水流速度，按施工時汛期流速取V=3.0m/s。

經(jīng)計算，R1滿載=52.21kN，R1空載=50.45kN。

b.浮船風阻力R2:

R2=K1SW0

(2)

式中R1——浮船風水阻力；

K1——密實系數(shù)，浮船K1=1.0；

S——受風面積，S滿載=140.448m2，S空載=144.01m2；

W0——基本風壓值，該工程地處貴州省遵義市余慶縣，最大風速16.1m/s，基本風壓W0=0.162kN/m2。

經(jīng)計算，R2滿載=22.75kN，R2空載=23.33kN。

c.浮船總阻力R:

R=R1+R2

(3)

經(jīng)計算，R滿載=74.96kN，R空載=73.78kN，采用4根錨纜，每根錨纜受力為74.96/4=18.74kN。

d.鋼絲繩錨纜:

K=αFg/R

(4)

式中K——為鋼絲繩的安全系數(shù)，取K=4；

α——考慮鋼絲繩之間荷載不均勻，系數(shù)α=0.82；

Fg——鋼絲繩鋼絲破斷拉力總和；

R——1個主錨的受力，R=18.74kN。Fg=KR/ɑ=91.41kN。

為確保浮船運行安全，錨纜選用18×7+FC-32-1770右交互捻光面鋼絲繩，其實際破斷負荷為594kN。浮船甲板設(shè)計12個帶纜樁，帶纜樁選用A355型，每個帶纜樁適用的纜索最大破斷負荷為255kN。

e.鋼絲繩錨纜長度計算：

(5)

式中L——絲繩錨纜長度；

l0——錨纜躺在河床上的長度；

l——懸纜長度；

h——河底到浮船頂面高度，取h=10m；

R——1根錨纜所受拉力，R=18.74kN；

q——錨纜在水中單位長度重量，按鋼絲繩在空氣中重量的0.7倍計，q=0.0274N/m。

經(jīng)計算L=167.38m，取L=170m。

4.2 鋼筋混凝土錨碇

a.錨碇結(jié)構(gòu)。浮船固定采用鋼絲繩與C30鋼筋混凝土錨碇連接，豎直方向圓形設(shè)計，直徑0.6m(下部為1.5m×1.5m正方形)，主筋采用4根3φ36mm錨筋樁(L=4.5m，入巖3m)繞圓心均勻布置，箍筋采用φ8mm鋼筋，間距10cm，錨碇高度1.5m，其中圓形部分高0.9m。

b.錨碇穩(wěn)定性驗算:

KW≤G+F

(6)

式中K——安全系數(shù)，取K=2；

α——錨碇鋼絲繩與水平面的夾角，α=15°；

W——錨碇受拉力R后的垂直分力，W=4.85kN；

G——錨碇自重，G=38.5kN；

F——錨碇抗拔力，F(xiàn)=600kN(每個錨碇抗拔力取150kN)。

經(jīng)計算，KW

5 浮船下水

5.1 浮船下水方式

根據(jù)現(xiàn)場地形，工程浮船采用縱向氣囊下水方式。根據(jù)浮船體型及寬度，氣囊采用單列布置方式。

5.2 滾動氣囊選用

5.2.1 承載能力

a.根據(jù)浮船制作平臺現(xiàn)場情況，地面具有較強的承載能力，氣囊能全部均勻放置在浮船底部，氣囊橫截面即呈橢圓形狀態(tài)，故選用承載能力較大的中壓氣囊。

b.由于坡道及浮船底部比較平坦，氣囊受壓較均勻，根據(jù)(CB/T 3795—1996)《船舶上排、下水用氣囊》，選定滾動氣囊直徑D=1m，氣囊工作高度H=0.5m滿足安全要求。

5.2.2 氣囊參數(shù)的確定

浮船下水時所需氣囊數(shù)量按式(7)確定：

(7)

式中N——氣囊數(shù)量；

K1——系數(shù)，K1≥1.2，取K1=1.3；

Q——浮船自重，Q=317t；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

Cb——浮船方形系數(shù)，Cb=0.968；

R——每米氣囊允許承載力，實取R=55kN/m；

Ld——氣囊與浮船接觸長度，Ld=7.2m；

N1——氣囊數(shù)量，一般取2～4只，實取4只。

經(jīng)計算N1=14.54，取N1=15只。

5.2.3 氣囊布設(shè)間距

氣囊之間的中心間距應(yīng)保證浮船結(jié)構(gòu)強度，同時還應(yīng)防止氣囊之間疊壓在一起，利用式(8)、式(9)進行校核。

L/(N-1)≤6

(8)

L/(N-1)≥3.14D/2+0.3

(9)

式中L——浮船底部擺放氣囊的實際長度，實取L=70m；

N——滾動氣囊的數(shù)量，N=15只；

D——氣囊公稱直徑，D=1m。

經(jīng)計算，L/(N-1)=5<6，3.14D/2+0.3=1.87。

結(jié)合下水工藝布置，確定氣囊之間的中心距為5m。

5.2.4 下水系統(tǒng)主要部件受力分析

本工程浮船下水選用低速卷揚機，其放纜速度為9～13m/min。浮船下水時在坡道上受力分析見圖1。

圖1 浮船下水時在坡道上受力分解

浮船下水采用2臺卷揚機牽引，下水移動時下滑力按式(10)計算，卷揚機鋼絲繩牽引力按式(11)校核。

Fc=Qsinα-μQcosα+QV/T

(10)

F≥KFc/(Nccosα)

(11)

式中Fc——浮船下水移動時下滑力；

Q——浮船自重，Q=317t；

α——下水坡道坡度，α=8°；

μ——坡道摩擦系數(shù)，取μ=0.03；

T——卷揚機剎車時間，取T=5s；

V——浮船移動速度，取V=0.02m/s；

F——每臺卷揚機卷揚機鋼絲繩牽引力；

K——安全系數(shù)，K=1.2～1.5，取K=1.5；

Nc——每臺卷揚機鋼絲繩道數(shù)，取Nc=4；

β——牽引鋼絲繩與坡道之夾角，β=5°。

經(jīng)計算，F(xiàn)c=35.97t，F(xiàn)=6.775t。

每臺卷揚機實際牽引力為10t，滿足設(shè)備的安全使用要求。

5.3 浮船下水

a.備足氣囊、起重設(shè)備以及牽引卷揚機、空壓機等。氣囊使用前應(yīng)經(jīng)過空載充氣檢驗，充氣壓力取1.25倍容許壓力，保壓時間不少于1h。

b.清除浮船下方的所有雜物和影響氣囊滾動、浮船移動的障礙物。

c.采用鋼絲繩將浮船固定于混凝土錨碇上，并與卷揚機動滑輪連接。

d.按計算的間距，在浮船下方擺放氣囊。按規(guī)定氣壓對氣囊充氣，當浮船底部高于枕木，浮船重量全部承壓于氣囊上時，撤出全部枕木，適當放氣調(diào)整使各氣囊受力平衡。

e.所有氣囊應(yīng)對準浮船中心，并垂直于下水方向。承壓于氣囊上時，撤出全部枕木，適當放氣調(diào)整，使各氣囊受力平衡。

f.調(diào)整各氣囊內(nèi)壓，使浮船降到適當工作高度，以保證浮船移動過程不碰觸地面，間距控制在0.2～0.3m。

g.啟動卷揚機，放出鋼絲繩，使浮船借助氣囊向水域移動。當浮船最后一只氣囊脫離浮船底部后，立即抬到浮船下水方向前部，并按計算排放間距置入氣囊。

h.重復(fù)上述過程，逐漸將浮船移至水邊，直至無法放入氣囊為止。

i.撤離危險區(qū)作業(yè)人員，通知浮船上的工作人員做好準備，當水深條件足夠時，下令放繩，使浮船自由滑入水中。

j.回收所有氣囊，測量浮船吃水深度，并檢查有無漏水。

6 浮船運行

6.1 運行前準備

6.1.1 荷載試驗

正式運行前，按照先空載試驗，再采用自卸車裝石渣進行壓載試驗，按先輕后重的原則進行試驗，主要目的是檢驗浮船的承載能力及自備動力的可靠性。

6.1.2 傾斜試驗

浮船傾斜試驗的目的是確定浮船的重量及重心的實際位置。傾斜試驗按照CB/T3035—2005《船舶傾斜試驗》進行，記錄測試數(shù)據(jù)以確定浮船重量及重心的實際位置，測試試驗狀態(tài)時的靜水自由橫搖周期。

6.2 浮船運行管理要求

a.配備熟悉浮船結(jié)構(gòu)的工程技術(shù)人員，按規(guī)定數(shù)量配備浮船運行人員。

b.現(xiàn)場值班人員有效維持車輛通行秩序，有效控制車速，禁止車輛船面超車、調(diào)頭，車輛應(yīng)當單車單向通過浮船。

c.平時要隨時注意錨纜的受力狀態(tài)，使各錨纜均勻受力，經(jīng)常檢查連接銷子有無松動或脫落，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

d.在水流作用下，錨纜會產(chǎn)生受力不均衡現(xiàn)象，某些錨纜受力過大，容易產(chǎn)生斷纜。因此必須注意水位與流速的變化，提前做好排查隱患工作。

e.當下引航道流量超過警戒水位線之前，應(yīng)將浮船移位至左岸岸邊順水流方向，增加錨纜與左岸邊坡設(shè)置的錨碇進行錨固，根據(jù)水情預(yù)報及水位上漲情況增加臨時錨固點。

6.3 運行工況

本浮船空載吃水約0.9m，根據(jù)船舶重量及重心，以及實際排水量等復(fù)核，當載重約110t的工程車駛?cè)胩鍟r，艏部吃水1.25m，尾部吃水為0.58m；當工程車駛出時，艏部吃水0.277m，尾部吃水為1.56m。本浮船使用固定壓載調(diào)整吃水，固定壓載重量約150t。

浮船正常運行情況如圖2所示，“2014.7.17”特大洪水期間錨固情況如圖3所示。

圖2 浮船正常運行

圖3 浮船洪水期間錨固

7 結(jié) 語

構(gòu)皮灘水電站通航建筑物下游引航道采用78m浮船作為過江通道及水下石方施工平臺，有效解決了下游引航道右岸施工道路布置困難、水下開挖施工、安全防護要求高等難題，并在應(yīng)用期間經(jīng)受住了烏江流域“2014.7.17”特大洪水考驗，浮船完好無損，保證了下游沿岸人民群眾生命財產(chǎn)安全。該工程浮船渡江施工技術(shù)的成功實施，為水利水電工程渡江施工積累了一定的施工經(jīng)驗，可在今后類似工程施工中推廣運用。

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