急流場(chǎng)中甲板駁船穩(wěn)泊研究及應(yīng)用

摘 要：在復(fù)雜的急流場(chǎng)環(huán)境中，甲板駁船穩(wěn)泊技術(shù)對(duì)于橋梁?jiǎn)慰字骺绯^(guò)200 m的超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁安全吊裝施工和提高施工效率至關(guān)重要。本文以余溫公路靈江特大橋施工為例，旨在探討急流場(chǎng)中通過(guò)對(duì)甲板駁船進(jìn)行橫向受力分析，錨泊定位和拖船推力綜合計(jì)算，確定載有超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁甲板駁船橫向定位吊裝施工方案，望能給予同類型橋梁施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：急流場(chǎng)；甲板駁船；穩(wěn)泊技術(shù)；橫向定位；鋼箱梁吊裝

余溫公路靈江特大橋主橋橋跨布置為（120+260+120）=

500 m，采用三孔一聯(lián)鋼混組合連續(xù)剛構(gòu)橋，見圖1。根據(jù)通航凈空和兩端連接線要求，主橋設(shè)對(duì)稱縱坡3.5%，豎曲線半徑7 000 m。在主跨跨中設(shè)置90 m長(zhǎng)鋼箱梁，鋼箱梁按整孔吊裝施工，制造分6個(gè)梁段，分別為鋼混結(jié)合段（4個(gè)長(zhǎng)6 m鋼混結(jié)合段，結(jié)合面往混凝土箱梁側(cè)長(zhǎng)2.0 m，往鋼箱梁側(cè)長(zhǎng)為 4.0 m）和鋼箱梁整體吊裝段（2個(gè)）；其余部分采用混凝土結(jié)構(gòu)，采用變高梁。本次研究技術(shù)重點(diǎn)是重量720 t、寬度11.7 5m和長(zhǎng)度82 m的超長(zhǎng)鋼箱梁裝在甲板駁船上急流場(chǎng)中橫向定位穩(wěn)泊技術(shù)及吊裝施工方案，見圖2和圖3。

1 急流場(chǎng)

椒靈江水系：椒靈江水系是浙江省第三大水系河流，自源頭至入海口全長(zhǎng)202 km，流域面積6 590.71 km2，上游段稱永安溪（長(zhǎng) 138.5 km）和始豐溪為山溪河流，河勢(shì)彎曲、坡陡流急；中游段稱靈江（長(zhǎng)44.7 km）為感潮河流，河勢(shì)彎曲、河寬變化大，本工程新建橋址位置見圖4，處在靈江中游；下游段稱椒江（長(zhǎng) 18.8 km）為感潮河流，河勢(shì)順直、寬淺。椒江河口屬?gòu)?qiáng)潮河口，潮型為不規(guī)則半日潮。新建橋址江段為急流場(chǎng)，恰為彎道處，流態(tài)復(fù)雜，流速較急 （漲潮最大流速 1.77 m/s，平均流速1.17 m/s；落潮最大流速1.54 m/s，落潮平均流速0.78 m/s）。除了臺(tái)汛期下泄洪水落水流大增外，一般情況下，落潮流小于漲潮流 。

2 船舶資料

2.1 甲板駁船主要船舶參數(shù)

總噸位1 964，凈噸位1 099，載貨量3 041 t，總長(zhǎng)98.0 m，其中甲板裝在長(zhǎng)度84.5 m，型寬17.5 m，裝載艉吃水2.5 m，艏吃水2.5 m，設(shè)計(jì)航速10.0 kn，龍骨以上最大高度20.3 m，水線以上最大高度17.8 m，卸空后空載吃水2.3 m，水線以上最大高度為18.0 m ，見圖5和圖6。

2.2 拖船主要船舶參數(shù)

拖1：總長(zhǎng)37.7.0 m ，型寬10.0 m，類型Z ，功率4 800 hp，吃水3.7 m（系于船艉部，距船中約19 m）。

拖2：總長(zhǎng)40.0 m ，型寬9.6 m，類型FPP，功率3 000 hp，吃水3.0 m（系于船艏部，距船中約45m）。

3 超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁甲板駁船橫向定位穩(wěn)泊技術(shù)分析

3.1確定超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁吊裝施工方案

甲板駁船需要在橋位線中心橫向精準(zhǔn)定位才能按設(shè)計(jì)要求吊裝超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁，吊裝時(shí)將占據(jù)整個(gè)雙向通航水域，航道將進(jìn)行臨時(shí)雙向封航。需要解決兩個(gè)問題：一個(gè)需要核算定位甲板駁船的受力，是否能安全橫向定位穩(wěn)泊；另一個(gè)需采取安全保障措施，包括申請(qǐng)海事部門封航、警戒船上下游警戒和顯示錨標(biāo)警示標(biāo)志等。在急流影響下，甲板駁船容易發(fā)生偏蕩現(xiàn)象，若錨抓力不足可能導(dǎo)致走錨失控、碰撞跨墩提梁機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)，甚至影響吊裝中的鋼構(gòu)件掉落造成二次風(fēng)險(xiǎn)。施工時(shí)，要高度重視急流對(duì)甲板駁船橫向定位吊裝施工不利影響，通過(guò)技術(shù)分析和精準(zhǔn)計(jì)算合理布置錨纜和足夠功率拖船，科學(xué)確定有足夠系纜力、錨抓力和頂推力的吊裝施工方案。超大節(jié)段鋼箱梁吊裝作業(yè)時(shí)為防范甲板駁船偏蕩及走錨影響吊裝施工，配備拖船協(xié)助橫向穩(wěn)泊定位，以保障吊裝施工安全是必要的。吊裝施工方案要根據(jù)潮汐和現(xiàn)場(chǎng)情況確定錨、纜和拖船布置方案。

甲板駁船需要用錨和拖船來(lái)橫向定位，根據(jù)潮汐和現(xiàn)場(chǎng)情況，小潮落潮時(shí)段進(jìn)行吊裝施工更為穩(wěn)妥，初步吊裝施工穩(wěn)泊布置方案為：甲板駁船定位時(shí)要精準(zhǔn)，既能根據(jù)需要左右前后微調(diào)，又要保證所布置纜鏈達(dá)到最大受力效果，經(jīng)綜合考慮后，上游側(cè)艏部設(shè)1只斯貝克錨（2 t）和1只AC-14大抓力錨（2.75 t），出繩（鏈）方向與水流方向夾角約分別為14°和10°；艉部設(shè)1只AC-14大抓力錨（3.5 t），出繩方向與水流方向夾角約為10°，艉部設(shè)1根Ф34 mm鋼絲繩，系固于岸基系船柱處，出繩方向與水流方向夾角約為65°。下游側(cè)，艏部布置1只斯貝克錨（2 t），出繩方向與水流方向夾角約為14°，原計(jì)劃在艉部也布置1只斯貝克錨（2 t）或下游岸上設(shè)系船柱，由于水域限制而未拋，下游岸上也沒有合適的系船柱，經(jīng)計(jì)算通過(guò)上游系船柱鋼絲繩可以彌補(bǔ)，拖船在甲板駁船下游側(cè)頂推協(xié)助穩(wěn)泊。初步穩(wěn)泊布置方案需經(jīng)過(guò)計(jì)算確定其合理性和可行性，布置方案見圖7。

3.2橫向船舶受力分析錨泊定位計(jì)算及確定錨泊設(shè)備選型

3.2.1 計(jì)算說(shuō)明

船舶在錨泊時(shí)受到風(fēng)力、水流及波浪等環(huán)境力的作用，這些力按其不同的作用方向組合構(gòu)成作用于船舶的外力，由錨泊系統(tǒng)承受。根據(jù)本工程甲板駁運(yùn)輸?shù)哪康模装羼g船必須設(shè)置定位錨泊設(shè)備，使錨泊設(shè)備在作業(yè)時(shí)能控制船位，或在有限范圍內(nèi)改變船位。以船舶本身為中心，船艏部（3只）和艉部（一只）向四周拋出4只錨及配置相應(yīng)錨索，合理的多點(diǎn)錨泊布置方式是降低錨索負(fù)荷和保持水平偏移較小的重要因素。

3.2.2本工程新建橋址航道通航水深安全分析

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165-2013）[1]確定運(yùn)輸船所需通航水深，航道通航水深可按下列公式計(jì)算： D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3 式中：D0—航道通航水深（m），D0= T+0.7 m，甲板駁船和拖船的最大吃水為3.7 m，則所需最少海圖水深為4.4 m。橋梁所在基準(zhǔn)面位于85國(guó)家高程下1.316 m，本工程吊裝施工橋位處在海圖水深5 m等深線附近，海圖水深在4.46～11.1 m，滿足甲板駁船和拖船全天候作業(yè)水深要求。

3.2.3計(jì)算及選型

根據(jù)本工程位置特點(diǎn)，本計(jì)算書計(jì)算船舶單向迎流狀態(tài)（即船舶側(cè)向迎流），下面將分別按上述船型計(jì)算錨泊受力及錨泊設(shè)備選型：

（1）甲板駁船船受力計(jì)算 [2]

側(cè)向受力：Fy=Fwy+Fcy+Fmdy

Fwy風(fēng)力采用下式計(jì)算， Fwy=0.613Σ（CsChAi）Vw2

式中： Cs-形狀系數(shù)，實(shí)取Cs1=1（主船體）；Cs2=1.1（甲板駁船室群）；Cs3=1.1（大節(jié)段）； Ch-高度系數(shù)，實(shí)取Ch=1； Ai-受風(fēng)構(gòu)件正投影面積，實(shí)取Ai1=115 m2 （主船體）；Ai2=44 m2 （甲板駁船室群）； Ai3=344 m2 （大節(jié)段）； Vw-有效風(fēng)速，計(jì)算按6級(jí)風(fēng)最大風(fēng)速取。 Vw=0.6V10+0.4Vt=0.6×12.4+0.4×1.2×12.4=13.39 m/s ，V10-10 min 平均風(fēng)速，取V10=12.4 m/s ，V1- 1 min 平均風(fēng)速，取V1=1.2 V10=14.88 m/s ，則Fwy=0.613×（1×1×115+1.1×1×44+1.1×1×344）×13.392 =

59.55 kN。

Fcy水流力采用下式計(jì)算， Fcy=72.37 SVc2

式中： S-船體濕表面積， S=Ld（1.36+1.13CB B/T）=95.55×3.00×（1.36+1.13×0.87×17.50/3.00）=2 034m2

VC-水流速度，VC= Vw+ VT ，Vw-風(fēng)生水流速度，Vw=0.01 V10=0.124 m/s ，VT-潮生水流速度，取Vw=1.77 m/s （根據(jù)當(dāng)?shù)厮馁Y料取最大值） ，VC=0.124+1.77=1.894 m/s ，則Fcy=72.37×2034×1.8942 =528.04 kN。

Fmdy波浪力采用下式計(jì)算， Fmdy=0.13CmdhB2 LHS 2

式中：Cmdh-平均波浪漂移系數(shù)，Cmdh=0.68（查表得） B-船寬=17.50 m； L水線間長(zhǎng)=95.55 m； HS-有義波高=2 m； d-吃水=3 m，則 Fmdy=0.13×0.68×17.502 ×95.50×22 =10.34 kN。

綜上所述， 側(cè)向受力Fy=（59.55+528.04+10.34）×103 = 598 kN。

（2）實(shí)船定位能力

本船定位時(shí)設(shè)計(jì)為輻射狀拋錨，艏、艉分別采用錨泊及系泊相結(jié)合的方式，錨泊示意如下，本船僅在退潮時(shí)作業(yè)，計(jì)算僅考慮退潮時(shí)：實(shí)船定位示意圖，見圖7。

① 上游：艏部1只斯貝克錨（2 t），配Ф40 mm錨鏈，出繩方向與水流方向夾角約為14°，錨鏈破斷拉力大于896 kN；部設(shè)1只AC-14大抓力錨（2.75 t），艉部設(shè)1只AC-14大抓力錨（3.5t），每只錨配Ф34 mm鋼絲繩，破斷拉力大于625 kN；出繩方向與水流方向夾角約為10°。艉部設(shè)1根Ф34 mm鋼絲繩，系固于岸基系船柱處，鋼絲繩破斷拉力大于625 kN，Ф450系船柱安全工作負(fù)荷SWL=382 kN，計(jì)算考慮安全余量，取系船柱安全工作負(fù)荷382 kN，出繩方向與水流方向夾角約為65°。

② 下游：艏部設(shè)1只斯貝克錨（2 t），配Ф40 mm錨鏈。錨鏈破斷拉力大于896 kN（退潮不計(jì)下游）。初始方案在艉部設(shè)1只斯貝克錨（2 t）或在下游岸上合適的系船柱帶一根纜繩，因?yàn)樗谒蛳拗棋^鏈較短，未拋這個(gè)錨，下游岸上也沒有合適的系船柱，實(shí)際操作中，通過(guò)上游系船柱上大角度系纜調(diào)整，穩(wěn)泊還是精準(zhǔn)可控的。

③ 根據(jù)船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)，錨抓力計(jì)算公式如下： AC-14錨抓力=2.75×8=22 t（AC-14錨抓力系數(shù)取8），AC-14錨抓力=3.5×8=28 t（AC-14錨抓力系數(shù)取8） F斯貝克錨錨抓力=2.00×5=10.00 t（斯貝克錨抓力系數(shù)取5）， 系船柱的安全工作負(fù)荷為382 kN，鋼絲繩側(cè)向拉力382 kN， 出繩方向與水流方向夾角約為65°。上游：（2只AC-14錨，1只斯貝克錨，1根系固索），即 F（AC-14錨1）=22×9.81×cos10°=213 kN，

F（AC-14錨1）=28×9.81×cos10°=271 kN ，F(xiàn)（斯貝克錨）=10.00×9.81×cos14°=95 kN， F纜=382×cos65°=161.2 kN。

上游：F總繩=F（AC-14錨1）+ F（AC-14錨2）+F（斯貝克錨）+ F纜=740.2 kN；

（3）拖船推力計(jì)算[3]

2艘拖船在逆水側(cè)頂推輔助定位。考慮到已選用兩艘拖船船齡較長(zhǎng)，頂推力按主機(jī)額定功率80%取值，參照表1進(jìn)行估算。

F拖=F拖1+F拖2=48×9.81×1.5×0.8+30×9.81×1.0×0.8= 800.5 kN 。

為發(fā)揮拖船最大效用，拖1和拖2頂推位置分別距船中19 m和45 m。

綜合計(jì)算結(jié)果，錨泊及拖船提供得總約束力：

F總= F總繩+ F拖=740.2+800.5=1 540.7 kN＞598 kN。

根據(jù)上述計(jì)算，本次超長(zhǎng)節(jié)段運(yùn)輸船定位設(shè)備選型如下：

上游（1）艏部：1只AC-14大抓力錨，重量2.75 t，配Ф34 mm鋼絲繩；1只斯貝克錨，重量2.00 t，配Ф40 mm錨鏈；（2）艉部：1只AC-14大抓力錨，重量3.5 t，配Ф34 mm鋼絲繩； 1根Ф34 mm鋼絲繩，系固于岸基系船柱（SWL不小于382 kN）；（3）鋼絲繩拉錨用：2根 6×37S+IWR-34 mm，鋼絲繩，長(zhǎng)度不小于250 m；系泊用：1根 6×37S+IWR-34 mm鋼絲繩，長(zhǎng)度不小于250 m。下游艏部：1只斯貝克錨（2t），配Ф40 mm錨鏈（退潮時(shí)不計(jì)受力僅穩(wěn)泊用）。

綜上所述，甲板駁船船在兩艘拖船輔助下，所選配的定位設(shè)備所能產(chǎn)生的最大約束力大于船舶所受環(huán)境力總和，而且能保證吊裝施工精準(zhǔn)定位需要，定位能力和需求滿足吊裝施工作業(yè)要求。因此本文研究的吊裝施工穩(wěn)泊布置方案是合理的、可行的。

3.3建議

建設(shè)單位應(yīng)與利益相關(guān)的碼頭業(yè)主提前做好封航期間有妨礙事宜溝通，征得他們同意，以便順利開展施工作業(yè)；施工前落實(shí)好拖船、警戒船、錨標(biāo)及其它安全保障措施，制定完善的各項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案；吊裝時(shí)機(jī)盡量選擇良好氣象海況的小潮時(shí)段。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁運(yùn)輸船在急流場(chǎng)下橫向穩(wěn)泊定位吊裝施工技術(shù)難點(diǎn)和可行性，急流場(chǎng)橫向穩(wěn)泊定位需要做相應(yīng)技術(shù)分析，得出研究結(jié)論作為技術(shù)支撐，才能安全科學(xué)高效完成超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁吊裝施工作業(yè)。跨江橋梁超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁吊裝施工難度大技術(shù)含量高，希望本文闡述的在急流場(chǎng)中通過(guò)多點(diǎn)錨泊和拖船配合穩(wěn)泊橫向定位且已成功實(shí)施的吊裝施工方案在跨江橋梁?jiǎn)慰字骺绯^(guò)200 m的超長(zhǎng)節(jié)段鋼箱梁吊裝施工中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.JTS165-2013海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2014.3.

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[3] 洪碧光.船舶操縱[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

作者簡(jiǎn)介：

方念堅(jiān)，高級(jí)引航員，受聘交通運(yùn)輸部及省庫(kù)等地方組織的專家，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗贤ê桨踩芯浚?E-mile）693514161@qq.com，13566887397

周麗麗，女，高級(jí)工程師，受聘交通運(yùn)輸部及地方等組織的專家，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗贤ê桨踩透劭诤降拦こ掏ê桨踩芯康龋‥-mile）123836011@qq.com，15355279716