沉箱漂浮穩定計算和精安裝施工工藝

張宏飛

（長沙市湘江綜合樞紐開發有限責任公司 長沙市 410200）

1 工程概況

某電廠碼頭工程包括綜合碼頭和煤碼頭，碼頭沉箱總數量為50個，其中500 t以下共30個、（2 100～2 560）t共20個，沉箱類型較多、規格不一。具體類型及規格見表1。

表1 沉箱類型及規格

沉箱是在預制廠預制，采用氣囊移運至出運碼頭上半潛駁，由拖輪拖運至施工現場，半潛駁就位下潛，沉箱吃水一定深度由起重船起吊出塢和漂浮拖運至安裝位置進行安裝。因此，沉箱出塢浮游到安裝位置過程中需要保證其穩定性。

2 設備選用

考慮受當地風大浪高等條件的影響，且沉箱安裝時防波堤未能形成，水上運輸選用5 000 t的“航工半潛駁1#”和2800HP拖輪。安裝選用250 t的“航工起五”起重船和1 700 t定位船（配25 t起車吊），同時選用700HP的起錨艇協助作業。根據半潛駁的平面尺寸、載重量以及沉箱的外型尺寸、重量等特征性，半潛駁一次運輸3個500 t以內沉箱，2 000 t以上沉箱一次運輸1個。

3 沉箱漂浮穩定計算

沉箱在浮吊牽引漂浮、拖運和沉放的過程中應保證不傾覆，即要求沉箱具有一定的漂浮穩定性。浮體的穩定性可用定傾中心高度（m）表示，為了保證沉箱的浮游穩定性，沉箱在有掩護區域近程浮運時，m≥20 cm。本項目所有沉箱并不是全對稱結構，重心偏向沉箱前趾，通過計算沉箱空載浮游均不穩定，沉箱重心、空載吃水深度和定傾中心高度、配重加水深度和定傾中心高度計算見表2。

表2 沉箱重心和空載時穩定性計算

表2中表明：A、B（D）類沉箱在后艙分別加2.2m、2.05m深水時，浮游是穩定的；C、E、01#類沉箱雖然在后艙加入配重水，但浮游仍不穩定，需要調整。以A型沉箱浮游穩定計算見表3。

表3 A型沉箱浮游穩定計算

3.1 空載時計算

（1）通過計算，A型沉箱空載時重心位置XC=4.53m，YC=3.78m（以沉箱側面前趾為坐標原點，見圖1），A型沉箱材料體積Vi=190.48m3

圖1 A沉箱重心坐標

（2）沉箱總排水量體積：V=Vi×25/10.25=464.6m3

（3）前趾排水量體積：V/=7.04m3

（4）沉箱吃水深度：T=（V-V/）/A=5.97m

（5）浮心高度：Yw=［（V-V/）×T/2+V/y］/V=2.94m

（6）重浮心差：a=YC-Yw=0.84m

（7）定傾半徑：ρ=（I-∑i）/V=0.68m

（8）定傾高度：m=ρ-a=-0.16m＜0.2m 沉箱浮游不穩定，需要采用壓載措施。

3.2 加水壓載深度t0計算

（1）不平衡力矩（對沉箱寬度中心）：

（2）為保持沉箱正直，所需在后二艙加水壓載，加水深度為t0：

3.3 沉箱后兩艙加水（t0=2.22m）時浮游穩定計算

（1）加水重力：g=△M/1.825=690.44 kN

（2）加水重力對沉箱底面的重力矩：△M y=g×（0.5+t0/2）=1 111.61 kN/m。

（3）沉箱總重力：G=Vi×24.5+g=5 357.3 kN。

（4）重心高度：Yc=（Vi×Yi×24.5+△My）/G=3.5m。

（5）沉箱總排水量：V=（Vi×25+g）/10.25=531.96 m3。

（6）沉箱吃水深度：T=（V-V/）/A=6.85m。

（7）浮心高度：Yw=［（V-V/）×T/2+V/y］/V=3.38m。

（8）重浮心差：a=YC-Yw=0.12m。

（9）定傾半徑：ρ=（I-∑i）/V=0.60m。

（10）定傾高度：m=ρ-a=0.48m＞0.2m 沉箱浮游穩定。

4 沉箱精安裝施工工藝

（1）沉箱精安裝方法一。

傳統沉箱安裝工藝：沉箱浮游到設計基床位置，沉箱加水下潛，沉箱下潛到離基床（0.3～0.5）m時，起重船控制好吊力（100 t左右），沉箱再加一定深度水，當沉箱輪廓線與理論輪廓線重合時（GPS控制、電腦顯示），起重船快速落鉤，沉箱落到基床上。第一個沉箱采用粗安裝，第二個沉箱以第一個沉箱為依托進行精安裝，再精安裝第一個沉箱。具體方法見沉箱安裝示意圖2、圖3、圖4。

圖4為放大圖，已表明：當第二個沉箱靠近第一個沉箱（1m左右），二只手拉葫蘆（10 t/只）系上1-4、2-3吊點（預埋的Φ25圓鋼）控制沉箱前后位置；另二只手拉葫蘆（10 t/只）系上1-5、2-6吊點控制沉箱左右位置。

（2）沉箱精安裝方法二。

見圖5，以一端已安裝好的沉箱為依靠，另一端粗放的沉箱為輔助，進行沉箱精安裝。利用4臺水泵（100m3/h）對待精安裝的沉箱由內向外抽水，讓沉箱浮起，控制好抽水深度，沉箱平衡上浮。當沉箱離開基床 0.3m 時，4 只手拉葫蘆（1-4、2-3、1-5、2-6）收緊，同時另 2只手拉葫蘆（7-10、8-9）放松，當沉箱輪廓線與理論輪廓線重合時，用另4臺水泵向沉箱內倉加水，沉箱下潛落床。

圖2 沉箱安裝示意圖

圖3 沉箱安裝示意圖

圖4 沉箱安裝示意圖

圖5 沉箱安裝示意圖

在風力達5級以上、浪高大于0.6m時，沉箱預埋的Φ25圓鋼和10 t手拉葫蘆均有拉壞，且人工操作不安全。通過對水阻力和波浪力計算分析，加工三角馬凳（圖6）、四角馬凳（圖7）取代Φ25圓鋼吊環，利用卷揚機、單雙柄滑車取代10 T手拉葫蘆，配一只定位船來進行沉箱精安裝（圖8）。

圖8已表明：操作安全可靠、使用簡便，沉箱始終處于可以控制狀態。

圖6 三角馬凳

圖7 四角馬凳

圖8 沉箱安裝示意圖

5 沉箱安裝質量評定

我們已完成對綜合碼頭30個沉箱、煤碼頭20個沉箱的精安裝，按《港口工程質量檢驗評定標準》對沉箱安裝進行驗收評定，綜合碼頭沉箱安裝合格率為100%，優良率為86.7%，煤碼頭沉箱安裝合格率為100%，優良率為80.0%。

6 結 語

通過對沉箱浮游穩定性進行認真細致驗算，嚴格控制加水深度，沉箱隨半潛駁下潛、出塢、浮游、粗就位、排水上浮、精安裝等過程中，沉箱一直處于穩定狀態。

盡管現場施工條件十分惡劣，給沉箱安裝帶來了很大困難，但我們嚴格按照科學管理、靈活多變、見縫插針、精心施工的原則，先進行沉箱粗安放就位，再進行精安裝調整，提高了工效，保證了質量。