曹義國，夏俊橋（中交第三航務工程局有限公司，上?！?00032）

直立式防波堤桶式結(jié)構浮運安裝

曹義國，夏俊橋
（中交第三航務工程局有限公司，上海200032）

連云港徐圩港區(qū)直立式防波堤工程采用一種新型桶式結(jié)構，為了解決該結(jié)構的海上運輸與安裝，節(jié)省施工費用，施工中采用水上氣浮拖帶運輸，通過排氣、排水實現(xiàn)負壓下沉，保證了新型桶式結(jié)構的順利實施。在桶式基礎結(jié)構氣浮拖運和負壓下沉過程中，通過自動控制系統(tǒng)控制桶式基礎結(jié)構的姿態(tài)和沉放精度，保證了工程質(zhì)量。

直立式防波堤；桶式結(jié)構；浮運安裝；負壓下沉；自動控制

1　工程概況

連云港徐圩港區(qū)直立式東防波堤全長4.2 km，由195個桶式結(jié)構插入淤泥形成，該區(qū)域泥面標高約-6.0 m（基于當?shù)乩碚撟畹统泵?，以下同），表層淤泥?～10 m，桶底進入表層淤泥層以下的下臥粉質(zhì)黏土層1～2 m，上筒預制頂標高+3.5 m[1]。

桶式結(jié)構是一種無底有頂?shù)膯瓮岸嗯撲摻罨炷两Y(jié)構，每個桶式結(jié)構由下層多艙桶體和上層2個圓筒共同組成，總重2 600～3 100 t。下層桶體呈長圓形，由中間矩形和2個半圓組成，長30 m，寬20 m，高8.5～11 m，通過隔墻分為9個格艙，下桶外壁底部4 m高度范圍內(nèi)墻厚300 mm、上部墻厚400 mm，隔墻墻厚300 mm，下桶頂板厚600 mm。上層2個φ8.9 m圓形筒體坐落在下層桶頂板上，高度9～10 m，壁厚400 mm，2個圓筒間距1 100 mm。

桶式結(jié)構安裝時，長邊方向垂直于堤軸線布置。設計要求桶式結(jié)構單元施工控制標準為：平面位置偏差±30 cm，標高控制偏差±30 cm，垂直度1%。

本海域年平均海平面+2.97 m，年平均高潮位+4.84 m，年平均低潮位+1.18 m，設計高水位+5.41 m，設計低水位+0.47 m。

2　桶式結(jié)構氣浮和負壓下沉驗算

2.1氣浮機理及氣浮穩(wěn)定驗算

桶式結(jié)構倒扣入水后，向桶內(nèi)充氣，桶內(nèi)氣體處于受壓狀態(tài)，壓縮氣體將桶內(nèi)的水面向下壓，使桶內(nèi)外水面產(chǎn)生一個高度差。桶內(nèi)氣體的壓力強度等于桶內(nèi)外水面高度差的水柱壓力，這個壓力在桶內(nèi)向下作用于水面，使桶內(nèi)的自由水面低于桶外的自由水面；側(cè)向作用于桶壁，對于整個桶壁合力為0；向上作用于桶頂，將桶體頂起浮于水面。桶體處于靜穩(wěn)態(tài)時，桶內(nèi)氣體對桶頂向上作用力與桶壁浮力之和等于桶體的重量，即桶壁和桶內(nèi)氣體排開水體的重量等于桶體的重量。

本工程中氣浮體采用的是無底有頂?shù)膯瓮岸喔衽撲摻罨炷两Y(jié)構，當氣浮桶式結(jié)構在波浪、潮流等外力作用下發(fā)生傾斜時，結(jié)構重心高于浮心，結(jié)構重量會產(chǎn)生傾覆力矩。而桶體格艙內(nèi)封閉氣體，一側(cè)會隨桶體升高，氣體體積膨脹，氣壓下降，對頂板壓力減??；另一側(cè)隨桶體下沉，氣體受壓縮，氣壓升高，對頂板壓力增加，此時，各個格艙提供的浮力會發(fā)生明顯的變化，浮力形心點運動，因而形成一定的穩(wěn)定力矩，只要穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩，氣浮桶式結(jié)構將是穩(wěn)定的，見圖1。

圖1　桶式結(jié)構氣浮示意圖Fig.1　Pneumatically floated bucket-based structure

新型桶式基礎矩形斷面結(jié)構n艙氣浮穩(wěn)定判別通式[2]，根據(jù)模型試驗修正形成計算公式（1）。

式中：n為結(jié)構單元的格艙數(shù)；ρ為定傾半徑；YG為結(jié)構重心位置；YC為結(jié)構浮心位置；YG-YC為結(jié)構重心到浮心的距離。

根據(jù)公式（1）推導出本工程氣浮桶體定傾高度m為：

式中：ρ為定傾半徑；α為重心到浮心距離；m為定傾高度。

根據(jù)本工程氣浮拖運的海況條件，考慮安全因素，當m>0.6時，氣浮浮游穩(wěn)定；同時還需滿足下桶體頂部的干舷高度≥80 cm[3]。

以下桶高10.15 m，上筒高9.95 m的桶式結(jié)構為例，計算其氣浮拖運施工參數(shù)見表1。

表1　桶式結(jié)構氣浮拖運施工參數(shù)計算結(jié)果Table 1　Calculated results of parameters for floating transportation of bucket-based structure

2.2桶式結(jié)構負壓下沉驗算

桶式結(jié)構下沉則通過排氣、排水、抽真空形成負壓，在自重及負壓的作用下，克服土體阻力下沉。第一階段為排氣自重下沉。打開桶體上方的排氣排水閥門，桶內(nèi)氣體排出，桶式結(jié)構在自身重力的作用下入泥下沉，通過調(diào)節(jié)排氣速度控制下沉速率，下沉過程中發(fā)生傾斜時，通過調(diào)節(jié)不同格艙排氣量將桶體調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，直至桶體結(jié)構自重和土體阻力平衡，結(jié)構停止下沉為止。第二階段為抽水抽氣負壓下沉。當桶體內(nèi)的氣體全部排出后，利用潛水排污泵從抽水孔中將桶內(nèi)水體抽出，結(jié)構繼續(xù)下沉；在無水可抽時，通過抽氣形成負壓加力。

本工程土層分部相對較均勻，根據(jù)設計要求，桶式結(jié)構穿過表層淤泥層后進入下層粉質(zhì)黏土層1～2 m，下沉需要克服土體摩阻力及端阻力。表層淤泥層流塑，壓縮性極高，其下粉質(zhì)黏土層主要由黏土、粉質(zhì)黏土組成，可塑。

為了確定土層的摩阻及端阻系數(shù)，通過現(xiàn)場1∶6比尺的桶式結(jié)構模型下沉試驗，結(jié)合原狀土室內(nèi)試驗結(jié)果，經(jīng)分析論證各土層的摩阻及端阻系數(shù)取值見表2。

各土層厚度按桶式結(jié)構附近鉆孔取值選取，施工潮位取+3.0 m，潛水排污泵和真空泵分別能達到的真空度為30%和90%，按以上參數(shù)計算典型桶式結(jié)構下沉力和阻力，結(jié)果見表3。

表2　土層摩阻及端阻系數(shù)取值表Table 2　Frictional resistance of soils and end resistance coefficient

表3　典型桶式結(jié)構下沉受力計算結(jié)果Table 3　Calculated results of forces on typical bucketbased structure being lowered down

根據(jù)計算結(jié)果，采用潛水排污泵下沉力與阻力的比值為1.66，使用真空泵下沉力與阻力的比值達到了2.24。按類似工程經(jīng)驗[4]，當下沉力與阻力比大于1.5時，可順利下沉。本工程進行工藝設計時每個格艙均設置潛水排污泵，為了保證桶式結(jié)構下沉到位，使用了2個真空泵，1個真空泵與4個格艙并聯(lián)，另一個真空泵與其他5個格艙并聯(lián)。

3　桶式結(jié)構浮運安裝工藝

3.1施工工藝流程

桶式結(jié)構浮運安裝工藝流程：施工準備→半潛駁運輸桶式結(jié)構至下潛坑定位→半潛駁下潛→桶式結(jié)構排氣下潛→關閉閥門繼續(xù)下潛→桶式結(jié)構氣浮→氣浮拖帶→桶式結(jié)構定位→排氣下沉→排水負壓下沉。

3.2施工準備

半潛駁靠泊預制廠出運碼頭，桶體氣囊搬運上船后，在桶頂安裝自動控制操作平臺，將桶體每個格艙氣管、水管與平臺上相應的管道、泵閥相連接。準備就緒后由半潛駁運輸至下潛坑通過GPS進行拋錨定位，拖帶桶式結(jié)構的起重船與半潛駁對接定位拋錨，連接桶式結(jié)構和半潛駁四角系船柱上的控制纜繩，連接起重船與桶式結(jié)構之間的拖帶纜繩，操作人員檢查管道及閥門連接的情況。

3.3桶式結(jié)構氣浮

根據(jù)半潛駁抽排水性能不同，提前下潛確保潮水漲至平潮時拖帶出駁。下潛前，確認排水、排氣閥門保持打開狀態(tài)，半潛駁開始第一次下潛，至桶體吃水0.8 m左右時停止下潛。下潛過程中檢查各閥門排氣是否正常，如發(fā)現(xiàn)管道堵塞情況應及時處理。當氣體排放完成后關閉所有水、氣閥門。

閥門關閉后控制纜繩人員就位，實施第二次下潛。第二次下潛時潮位不得低于施工潮位，下潛過程中安排專人觀察桶體是否存在漏氣現(xiàn)象，控制室人員觀察氣壓變化，待桶體下潛至吃水7.5 m時停止下潛，拉緊拖帶船舶與桶體拉環(huán)之間的纜繩，充氣船靠近桶體，連接充氣船與操作平臺之間的氣管。而后繼續(xù)下潛至桶體浮游穩(wěn)定吃水，桶內(nèi)各格艙控制充氣至浮游穩(wěn)定氣壓，桶體浮起，收緊四角控制纜繩，防止桶體撞向半潛駁。

3.4氣浮拖帶

氣浮穩(wěn)定后，開動起重船錨機緩慢將桶式結(jié)構移出半潛駁，移動過程中緩慢加力，同時收放半潛駁塔樓上與桶體連接的纜繩，控制桶式結(jié)構，確保起重船緩慢并平穩(wěn)地將桶式結(jié)構牽出半潛駁，拖帶工藝圖見圖2。

圖2　拖帶工藝圖Fig.2　Diagram of towing of pneumatically floated bucket-based structure

待結(jié)構完全移出半潛駁后，桶式結(jié)構上的施工人員將4根控制纜松開，由半潛駁上的人員收回，而后拖帶起重船拖運基礎結(jié)構移位，緩慢地駛向安裝基槽，移動過程中測量人員通過自動定位系統(tǒng)實時報告桶體位置，指揮人員根據(jù)測量數(shù)據(jù)控制桶體在基槽內(nèi)移動。

拖航過程中通過充/排氣保持桶體浮游吃水，拖航速度不大于2 kn。安排2條交通船在兩側(cè)觀察吃水深度，并隨時報告操作平臺調(diào)度人員，調(diào)度人員根據(jù)平衡狀況指揮操作人員進行人工干預調(diào)平。

定位船提前就位，待桶式結(jié)構距離安裝位置200 m時，定位船通纜到桶體，由拖帶船舶和定位船共同移動桶體。

3.5定位下沉

桶體氣浮運輸?shù)骄嚯x安裝的位置10 m時開始精確定位，定位采用起重船和定位駁船共同完成。精確定位時，測量人員觀察自動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時報告桶體位置，指揮人員根據(jù)測量數(shù)據(jù)指揮定位船、起重船控制纜繩移位，定位時首先將桶體移動到相對軸線的正確位置，然后向已經(jīng)安裝好的桶體移動，當桶體在預定安裝位置10 cm以內(nèi)時，拉緊錨纜，確保桶體位置基本固定，開始下沉作業(yè)。

3.6排氣下沉

當桶體定位確定無誤后，操控自動化控制系統(tǒng)打開排氣閥門，在自重作用下桶體開始下沉。由懸浮狀態(tài)下沉至泥面上30 cm后，關閉排氣閥門，停止排氣，測量人員再次通過GPS精確定位并檢查桶體垂直度，確認滿足設計要求后，再次打開閥門排氣，最終入土下沉。

由于海床面的高差及土質(zhì)不均，桶體入土下沉會產(chǎn)生傾斜位移。通過測傾儀監(jiān)控側(cè)傾狀況，如發(fā)現(xiàn)超過要求，關閉下沉較大側(cè)格艙的排氣閥門，同時觀察桶體的平衡狀況，待桶體平衡后，再次打開全部排氣閥門進行排氣下沉，確保桶體順直平穩(wěn)地完成第一階段下沉。

3.7排水負壓下沉

完成上述工作后，根據(jù)桶內(nèi)水位情況啟動排污泵，進行負壓下沉，連續(xù)觀測桶壁水位刻度線，隨時反饋，當桶體在0.5 h內(nèi)下沉量不超過10 cm時或糾偏困難時開啟真空泵。當下沉傾斜超過要求時，暫停下沉較大一側(cè)格艙的水泵（或真空泵），下沉較小的一側(cè)繼續(xù)工作，直至桶體下沉處于均衡狀態(tài)，其后繼續(xù)負壓下沉作業(yè)。作業(yè)通過操作平臺閥門進行控制，隨時調(diào)整各臺泵開關，確保桶體的平衡下沉。當排污泵出口處無水排出并有泥漿出現(xiàn)，關閉各排污泵，校核下沉深度達到設計要求后下沉作業(yè)完成。

4　安裝控制措施

4.1氣象海況

持續(xù)收聽收看海洋天氣預報，跟蹤氣象信息，半潛駁下潛并實施氣浮作業(yè)應確保在較好的海洋狀況下進行，預知風力可能達到6級或波高可能超過1 m情況時不可實施下潛氣浮作業(yè)。

4.2氣密性

桶體氣密性關系浮運安全，在不同施工階段檢查和采取措施保證桶體氣密性，出運前檢查桶體本身是否存在裂縫、破損、蜂窩等缺陷，管道安裝完畢后關閉底部閥門，進行試驗充氣檢查閥門和管道是否存在漏氣，桶體下潛到吃水7.5 m時對周邊進行詳細查看，檢查周邊是否存在水泡，監(jiān)聽是否存在漏氣聲音。當發(fā)現(xiàn)問題時應及時處理，保證桶體安裝全過程的氣密性。

4.3桶體控制

桶體位置由測量人員持續(xù)跟蹤實時定位系統(tǒng)，隨時報告指揮調(diào)度。桶體出駁前帶纜工人通過收放桶體四角的控制纜繩保持桶體處于半潛駁中心，防止桶體偏位過大碰撞半潛駁。出駁后通過收放桶體后側(cè)2根纜繩進行控制，桶體前側(cè)由起重船收放纜繩控制，起重船起錨時如風浪過大會導致桶體飄移，此時需提前預判由錨艇拖帶控制起重船防止桶體跑位。

4.4桶體平衡

桶式結(jié)構氣浮和下沉過程中測量人員密切跟蹤桶體四角GPS高程，判斷桶體傾斜程度，高差超過10 cm時通知指揮調(diào)度和操作人員，氣浮階段操作人員通過對不同格艙充氣、排氣手段進行調(diào)平，下沉階段通過格艙間排氣、排水差異進行調(diào)平。

4.5偏差控制

安裝位置誤差由測量系統(tǒng)觀測、定位船舶纜繩控制調(diào)節(jié)，入土前后和最后階段垂直度是控制的關鍵，桶體靠近泥面時進行精確調(diào)整，入土30 cm時進行再次調(diào)整，下沉最后1 m時提高調(diào)整頻率，確保桶體下沉最后的垂直度。

4.6安裝效果

截止目前，195個桶式結(jié)構已經(jīng)順利安裝完成，機構單元平面偏差、桶體間距、垂直度等均滿足設計要求。具體如下：

1）安裝平面偏差測點數(shù)據(jù)合格率≥93%，桶體間距測點數(shù)據(jù)合格率≥95%，高程偏差測點數(shù)據(jù)合格率≥90%，桶底未達到設計預定底標高的桶式結(jié)構，經(jīng)人工割除排水管道潛水工具探摸，發(fā)現(xiàn)蓋板均已經(jīng)抵達泥面。

2）對防波堤兩側(cè)的基底海床面進行監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖刷，堤頭沖刷在堤身長度較短時不明顯。

3）目前桶體累計沉降＜8 cm，累計位移＜3 cm。

5　結(jié)語

桶式結(jié)構作為一種新型的插入式單桶多艙結(jié)構，具有節(jié)約材料、造價低、綠色環(huán)保、施工快捷等優(yōu)勢。通過本工程的實施，獲得專利2項，分別為“一種桶式防波堤基礎桶體的搬運及安裝工藝”和“一種單桶多艙結(jié)構氣浮和下沉施工自動化控制裝置”。關鍵技術的日趨成熟與穩(wěn)定為后期工程應用奠定了基礎，也為該結(jié)構推廣到圍堤工程、碼頭駁岸工程、風電基礎、橋梁基礎等領域提供了技術支持。

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構東防波堤工程初步設計[R].2012.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of vertical structure for the east breakwater for Xuwei Port Area in Lianyungang[R].2012.

[2]李武，魏冰.桶式結(jié)構氣浮穩(wěn)定計算方法[J].中國港灣建設，2016，36（3）：16-18.

LI Wu,WEI Bing.Air floating stability calculation of bucketbased structure[J].China Harbour Engineering,2016,36(3):16-18.

[3]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設計與施工規(guī)范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[4]祝業(yè)浩，倪國平，吳鳳亮.防波堤箱筒型基礎結(jié)構氣浮拖運與負壓下沉工藝[J].中國港灣建設，2005（5）：40-43.

ZHU Ye-hao,NI Guo-ping,WU Feng-liang.Technology for towing of pneumatically floated cylindrical substructures and installing with negative pressure for breakwaters[J].China Harbour Engineering,2005(5):40-43.

Floating transportation and installation of bucket-based structure for upright breakwater

CAO Yi-guo，XIA Jun-qiao
（CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

A novel bucket-based structure is used in the construction of the Xuwei upright breakwater in Lianyungang.In order to resolve the marine transportation and installation problem and save construction cost,the pneumatically floated bucketbased structure is towed by tugboats and installed with negative pressure,thus ensuring the smooth transportation and installation of the bucket-based structure.According to process requirements,the automatic control system is used to control the rise and lowering of the bucket type structure with correct positioning and accuracy during the towing of the pneumatically floated bucket-based structure and the installing of the bucket-based structure with negative pressure to ensure the quality of the works.

upright breakwater;bucket-based structure;floating transportation and installation;negative pressure lowering; automatic control

U656.2

A

2095-7874（2016）08-0058-04

10.7640/zggwjs201608014

2016-02-29

曹義國（1972— ），男，安徽安慶市人，高級工程師，港口及航道工程專業(yè)。E-mail：caoyiguo@126.com