青島永泰長榮
標(biāo)題: 西非幾內(nèi)亞灣某港碼頭沉箱的浮游穩(wěn)定計算分析 [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時間: 2023-12-30 17:38
標(biāo)題: 西非幾內(nèi)亞灣某港碼頭沉箱的浮游穩(wěn)定計算分析
通過對某港碼頭沉箱浮運情況的實體觀測，探討在采用規(guī)范方法計算沉箱浮游穩(wěn)定時選取相關(guān)參數(shù)應(yīng)注意的問題， 并驗算沉箱的浮游穩(wěn)定性；通過對浮運過程中沉箱構(gòu)件力學(xué)特性的分析，探討艙格間過水情況對沉箱浮游穩(wěn)定的影響和 浮心相對于沉箱的運動規(guī)律，提出以抗傾力矩來衡量沉箱穩(wěn)定程度的具體計算方法和基于注水調(diào)平方法的沉箱注水模 式。某港的工程實踐驗證了該分析方法的可靠性，可為類似工程提供參考。
關(guān)鍵詞：沉箱；浮游穩(wěn)定；抗傾力矩；浮心；注水調(diào)平
Calculation and Analysis of Caisson Floating Stability for Some Port
Abstract:Through solid observation of caisson floating situation in some port,some problems are discussed, which should be taken into consideration before selecting the related parameters in the process of calculating caisson floating stability by eriteria.Meanwhile,caison floating stability is checked.By analyzing mechanics characteristics of floating caisson structures,it is discussed the caisson floating stability being impacted by water flowing among cabins as well as the movement nule of buoyant centre against caisson.Then it is put forward that the grade of caisson stability can be measured by anti-overturning moment,the calculation method and caisson- filling-with-water mode based on water-fill leveling method.The reliability of above mentioned analysis is verified by some port project,which will provide the reference for the similar projects.
Key words: caisson;floating stability;anti-overturning moment;buoyant centre;water-fill leveling
沉箱是沿海港口的主要碼頭結(jié)構(gòu)型式之一，需 要通過預(yù)制、托運、沉放和安裝等工序形成碼頭實 體。目前在港口碼頭建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛[-2]。在《重 力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》(JTS167—2—2009) 中給 出了驗算沉箱浮游穩(wěn)定的計算公式和方法凹，但在 根據(jù)規(guī)范公式驗算時仍存在以下主要問題：規(guī)范中 要求在遠(yuǎn)程浮運沉箱過程中需加注壓載水，且各單 元艙的壓載水不互通，而對于相通的單元艙可否視 作整體來計算沉箱的定傾半徑并未說明；采用規(guī)范 公式計算沉箱的浮游穩(wěn)定時，能否用量化的力學(xué)指 標(biāo)或數(shù)據(jù)表征沉箱的浮游穩(wěn)定程度；不穩(wěn)定的沉箱是否會在傾斜一定角度后趨于穩(wěn)定，如何確定該角 度；當(dāng)沉箱浮運中采用固體物壓載時，計算定傾半徑 是否要考慮單元艙格的大小和布局的影響；對于同 一沉箱，其定傾高度越大穩(wěn)定性越好，是否可用定傾 高度值比較2個不同沉箱的穩(wěn)定性?；谏鲜鏊伎迹?結(jié)合某港改擴建工程中沉箱碼頭的施工實踐，詳細(xì)探討沉箱浮運、沉放過程中的關(guān)鍵問題。
1 工程概況
某港改擴建工程包括2萬 t 級 和 5 萬t 級 碼 頭各1個，碼頭主體均為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，共有質(zhì)量 1300~3600t 的沉箱66個，分為8種型號，其中 CX- 1型沉箱40個，CX-4 型沉箱14個。CX-1 型和CX-4 型沉箱均布置18個艙格，單元艙格的尺寸為4mx 4.5 m,可將全部沉箱艙格劃分為4個區(qū)域，每個區(qū)設(shè)1個進水閥門，各區(qū)域的單元艙格之間以直徑150 mm 的過水孔相通。沉箱結(jié)構(gòu)和艙格分區(qū)示意，見圖1[attach]7871[/attach][attach]7872[/attach]
由于工程所在地位于西非幾內(nèi)亞灣沿岸，港區(qū)
海域無天然掩護條件且水深較大，常年受涌浪作用， 波長、波高均較大，與國內(nèi)港口的海況有很大差異， 不利于沉箱浮運和安裝施工。根據(jù)規(guī)范的要求，驗算
所有型號沉箱的浮游穩(wěn)定性。本文主要以CX-1型 和CX-4型沉箱的浮游穩(wěn)定計算為例進行相關(guān)分析
和論述，在實際的沉箱浮運過程中CX-1型沉箱和
CX-4型沉箱采用的加載水深度分別為3.2 m和2.5
m。上述2種型號的沉箱主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和浮游穩(wěn)定
性計算參數(shù)，見表1。
表1 沉箱主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和浮游穩(wěn)定性計算參數(shù)
沉箱- 結(jié)構(gòu)參數(shù) 浮游穩(wěn)定性計算參數(shù)/m |
型號 長/m寬/m高/m質(zhì)量h | 加 載 總 體 重 浮 心 定 傾 定 傾 水深心高度 高度 半徑 高度 | |
CX-126.2515.017.2535982.48 6.47 5.46 1.21 0.20
| | | | CX-426.2515.014.7531481.28 | |
2.50 5.37 4.91 1.34 0.88 |
2 沉箱浮游穩(wěn)定性計算分析
在沉箱不受其他外力作用的情況下保持浮游穩(wěn) 定狀態(tài)時，沉箱自身的重力與海水浮力保持平衡，處 于重力—浮力平衡點，重心與浮心位于同一垂線且
一般情況下沉箱浮心位于重心以下。受波浪力、拖曳
力等附加水平力的影響，當(dāng)沉箱采用液體壓載時，隨 著沉箱重心 G和浮心C的位置不斷變化，重力與浮 力往往不在同一垂線上而形成力偶，會對沉箱施加
與傾角方向相反的力矩，被稱為抗傾力矩M, 由于
受到抗傾力矩的作用，沉箱將向平衡位運動，實現(xiàn)對 傾角的糾正。沉箱浮游過程中浮心與重心的關(guān)系示 意，見圖2。
2.1 沉箱浮心的變化
首先計算浮心相對于沉箱的位置，以沉箱傾角
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(24-S)。式中S 為沉箱驗算面以下水下部分的面積， m2;θ 為沉箱傾角，(°);B 為沉箱驗算面的寬度，m;t 為θ=0°時沉箱浮心與水面的垂直距離，m。利用上式 計算得出各種傾角時沉箱浮心 C 的位置(Xe,Ye) 并 將各浮心位置點連結(jié)形成的沉箱浮心位置運動軌跡 示意，見圖4。
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圖4 沉箱浮心位置運動軌跡示意
圖4所示曲線為CX-1 型沉箱壓載水高度248m、 定傾高度0.2m、傾角θ在±56°之間時的浮心運動軌 跡曲線。由于干舷高度所限，沉箱的實際傾角只能 在±40°的范圍內(nèi)變化，超出這一范圍的浮心運動軌 跡為假設(shè)干舷高度足夠的前提下繪制的。當(dāng)傾角< 15°時，由于tanθ 值近似于sinθ 值，可分別用sinθ 和(1-cos θ)代替上式中的 tanθ 和(tan θ)22,則圓 弧的半徑p=B?(12·S), 則可推出Xe=p·tan θ;Ye= B·(1-cosb) 。 該圓弧半徑為p, 圓心位于Y軸，且通 過坐標(biāo)系的原點。根據(jù)上述推導(dǎo)可假設(shè)在小傾角的 條件下，沉箱浮心C 的運動軌跡近似于直徑為p 的 圓弧，小傾角時沉箱浮力近似指向圓心，與規(guī)范推薦 計算公式p=(I-Ei)/V 中，沉箱內(nèi)不設(shè)艙格的情況
(即Ei=0) 相符合。
2.2 沉箱重心的變化
由于 CX-1 型和 CX-4 型沉箱內(nèi)部的單元艙格 較多，為減少進水閥門的數(shù)量，將所有艙格分成對稱
的4個區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)1個進水閥門，每個區(qū)域內(nèi) 的單元艙格之間由過水孔相通，這些艙格分區(qū)可以 保證在浮運安裝過程中及時調(diào)平沉箱。
當(dāng)沉箱采用固體物壓載時，沉箱總體重心相對 于沉箱的位置固定不變；而當(dāng)沉箱采用海水壓載時， 由于受艙格內(nèi)壓載水位的影響，重心相對于沉箱的 位置在不斷變化。沉箱總體的重心位置變化不像浮 心位置那樣時刻與沉箱傾角相對應(yīng)，而需要有個過 程。沉箱傾斜后的重心位置是隨著艙格內(nèi)水面重新 趨向水平而變化的，往往滯后于沉箱位置的變化。由 于過水孔的聯(lián)通作用使單一分區(qū)內(nèi)的水面趨向達(dá)到 同一水平面，完成該調(diào)整趨勢的時間取決于過水總 量和速率，以及過水孔徑和聯(lián)通孔兩側(cè)的海水壓力 差。在距沉箱底板一定高度位置設(shè)置足夠的過水孔 可以控制過水總量的大小，有利于沉箱浮游穩(wěn)定，但 也會延長總體壓載注水的時間。壓載水對沉箱總體 重心位置的影響與沉箱內(nèi)單元艙格的數(shù)量、尺寸、艙 格注水深度、有無過水孔以及過水孔徑大小等都有 直接關(guān)系，沉箱總體重心位置計算較為繁瑣，需要針 對不同的沉箱類型、注水深度、傾斜角度等逐點進行 計算。
本工程的沉箱總體重心位置計算將每個分區(qū)視 為1個大單元艙格，即假定沉箱處于任意傾角時，每 個分區(qū)各艙格內(nèi)的水面均已達(dá)到同一高程，忽略過 水速度影響，這樣是偏于安全的。計算時也考慮了過 水孔設(shè)置的高度，如果過水孔在壓載水面下有足夠 深度，則可不考慮其設(shè)置高度。
2.3 抗傾力矩的計算
按照各分區(qū)不同的注水深度，計算沉箱在各種 傾角時的總體重心、浮心相對沉箱的位置坐標(biāo)，進而 求出重心與浮心的水平距離d, 最終得出沉箱的抗 傾力矩M, 力矩方向與沉箱傾角方向相反時為正，此 時的抗傾力矩會將沉箱向原位矯正。由于沉箱左右 對稱，只需計算單側(cè)傾角的相關(guān)數(shù)據(jù)。沉箱抗傾力矩 計算數(shù)據(jù)匯總，見表2。
表2沉箱抗傾力矩計算數(shù)據(jù)匯總
從表2可知，當(dāng)定傾高度m=0m 時，沉箱均處 于不穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是CX-4 型沉箱在受到外力作 用時，更容易左右擺動，這主要是由于在傾角足夠小 時，沉箱總體重心向傾角方向移動的水平距離大于
浮心移動的水平距離所致。由于小傾角時形成的水 位高差不大，過水孔的過流速度有限，此時沉箱實際 的穩(wěn)定情況會比計算結(jié)果稍好一些。
在傾角較小時， CX-1 型沉箱的抗傾力矩大于CX-4 型沉箱，而在傾角加大到一定角度時，CX-1 型沉箱的抗傾力矩又小于CX-4 型沉箱，即使按沉 箱單位重量的抗傾力矩相比較，雖然數(shù)據(jù)更為接 近但也是同樣的趨勢。這說明對于定傾高度相同 的2個沉箱其抗傾斜能力也不一定相同，簡單的 用定傾高度值來比較不同沉箱的穩(wěn)定性缺乏充分 理由。
2.4 對計算結(jié)果的分析
根據(jù)現(xiàn)場沉箱浮運安裝施工的情況，沉箱浮游 穩(wěn)定性較好，計算所得的參數(shù)比較可靠。對于由過 水孔連通沉箱分區(qū)內(nèi)單元艙格的情況，根據(jù)對其重 心位置變化的分析，以符合實際情況和偏于安全為 原則，應(yīng)將分區(qū)內(nèi)所有相通的單元艙格視為1個大 的單元艙格來計算沉箱的定傾半徑。本工程中首個 沉箱的浮運距離約600m, 由于浮運距離較短在進 行浮游穩(wěn)定計算時未考慮過水孔的影響，導(dǎo)致浮運 過程中沉箱傾斜角較大，對其他后續(xù)浮運的沉箱則 改按上述原則計算其慣性矩和浮游穩(wěn)定參數(shù)，有效 地保證了浮運施工的安全。
通過計算沉箱的浮心位置發(fā)現(xiàn)，矩形沉箱浮心 位置變化只與沉箱水下部分的外部形狀有關(guān)，而與 沉箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)；而規(guī)范中計算定傾半徑p 時使 用(I-Ei) 可能是考慮了沉箱內(nèi)的水體對總體重心 位置產(chǎn)生的不利影響，為簡化計算而采用的偏安全 的近似值；當(dāng)采用固體物壓載時，沉箱整體重心位置 與艙格大小、數(shù)量與定傾半徑無關(guān)，計算定傾半徑時 不應(yīng)考慮艙格慣性矩，即p=I/V。
求出沉箱在各傾角時的抗傾力矩后，就可通過 內(nèi)插法求得沉箱傾角每增加1°時沉箱抗傾力矩的 增加量，或沉箱平均單位長度所增加的抗傾力矩 值，或沉箱平均單位重量所增加的抗傾力矩值，這 是判斷沉箱抗傾穩(wěn)定性相對直觀的力學(xué)指標(biāo)。從 CX-1 型和 CX-4 型沉箱的抗傾力矩計算數(shù)據(jù)來 看，沉箱的穩(wěn)定傾角越大，抗傾力矩就越大。不穩(wěn)定 的沉箱在抗傾力矩為0時，可能存在左傾或右傾某 一傾角度和傾角為0時的3個實際平衡點，前2個 平衡點均是沉箱傾斜時的穩(wěn)定狀態(tài)，而沉箱傾角為 0時是不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以不穩(wěn)定的沉箱可能會在 傾斜某一角度后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)不穩(wěn)定的沉箱處 于較大的傾斜角度且需要調(diào)正沉箱時，如果只向沉
箱的一側(cè)加水，可能會導(dǎo)致沉箱向另一側(cè)傾斜，從 而使沉箱發(fā)生較大的擺動而不利于安全。所以，在 此情況下不宜只向沉箱一側(cè)加水，而應(yīng)在沉箱兩側(cè) 同時加水，并適當(dāng)矯正沉箱的傾角，使沉箱保持適 合的傾角并穩(wěn)定下沉，在較低一側(cè)沉箱艙格的水深 達(dá)到沉箱穩(wěn)定要求的深度后，再向較高一側(cè)的沉箱 艙格內(nèi)加水調(diào)平。
3 結(jié) 論
1)在對以海水壓載的沉箱進行浮游穩(wěn)定驗算 時，建議將由過水孔連通的所有單元艙格，視為1個 大的單元艙個來計算沉箱的定傾半徑；
2)當(dāng)沉箱采用固體物壓載時，沉箱的浮心位置 與沉箱內(nèi)部的單元艙格結(jié)構(gòu)無關(guān)，計算定傾半徑時 可不考慮單元艙格的慣性矩，即p=I/V,也可用此公 式計算沉箱不加載時的浮游穩(wěn)定條件；
3)不穩(wěn)定的沉箱也可能在發(fā)生一定傾角時達(dá)到 穩(wěn)定狀態(tài)；
4)不應(yīng)簡單的用定傾高度值來比較不同沉箱間 的浮游穩(wěn)定程度；
5)當(dāng)沉箱發(fā)生較大傾角且處于穩(wěn)定狀態(tài)時，首 先應(yīng)同時向沉箱兩側(cè)加注壓載水，對其進行適當(dāng)矯 正，在沉箱較低一側(cè)艙格內(nèi)的水深達(dá)到沉箱穩(wěn)定要 求的深度后，再行調(diào)平沉箱。
6)對于一些浮游穩(wěn)定安全系數(shù)不高的沉箱，可 在艙格間的過水孔兩側(cè)設(shè)置簡易盲板，減緩過水速 度，以提高沉箱浮游穩(wěn)定安全系數(shù)。
7)在滿足干舷高度和吃水深度要求的情況下， 一般來講沉箱的壓載水越多越穩(wěn)定，加注壓載水的 深度差可能導(dǎo)致定傾高度的偏差，操作過程中的誤 差可能會導(dǎo)致安全系數(shù)儲備不足，應(yīng)盡量取較大的 定傾高度值。
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