西非幾內(nèi)亞灣某港碼頭沉箱的浮游穩(wěn)定計算分析

永泰長榮

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。基于上述思考， 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

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 2.14   6.56 5.32  1.24 0.00 CX-126.2515.017.2535982.48  6.47       5.46  1.21 0.20 3.20 6.31  5.75  1.15 0.59 0.97 5.82  4.28  1.54 0.00 CX-426.2515.014.7531481.28 5.70 4.40  1.50 0.20 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

(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。