沉箱漂浮稳定计算和精安装施工工艺

张宏飞

（长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司 长沙市 410200）

1 工程概况

某电厂码头工程包括综合码头和煤码头，码头沉箱总数量为50个，其中500 t以下共30个、（2 100～2 560）t共20个，沉箱类型较多、规格不一。具体类型及规格见表1。

表1 沉箱类型及规格

沉箱是在预制厂预制，采用气囊移运至出运码头上半潜驳，由拖轮拖运至施工现场，半潜驳就位下潜，沉箱吃水一定深度由起重船起吊出坞和漂浮拖运至安装位置进行安装。因此，沉箱出坞浮游到安装位置过程中需要保证其稳定性。

2 设备选用

考虑受当地风大浪高等条件的影响，且沉箱安装时防波堤未能形成，水上运输选用5 000 t的“航工半潜驳1#”和2800HP拖轮。安装选用250 t的“航工起五”起重船和1 700 t定位船（配25 t起车吊），同时选用700HP的起锚艇协助作业。根据半潜驳的平面尺寸、载重量以及沉箱的外型尺寸、重量等特征性，半潜驳一次运输3个500 t以内沉箱，2 000 t以上沉箱一次运输1个。

3 沉箱漂浮稳定计算

沉箱在浮吊牵引漂浮、拖运和沉放的过程中应保证不倾覆，即要求沉箱具有一定的漂浮稳定性。浮体的稳定性可用定倾中心高度（m）表示，为了保证沉箱的浮游稳定性，沉箱在有掩护区域近程浮运时，m≥20 cm。本项目所有沉箱并不是全对称结构，重心偏向沉箱前趾，通过计算沉箱空载浮游均不稳定，沉箱重心、空载吃水深度和定倾中心高度、配重加水深度和定倾中心高度计算见表2。

表2 沉箱重心和空载时稳定性计算

表2中表明：A、B（D）类沉箱在后舱分别加2.2m、2.05m深水时，浮游是稳定的；C、E、01#类沉箱虽然在后舱加入配重水，但浮游仍不稳定，需要调整。以A型沉箱浮游稳定计算见表3。

表3 A型沉箱浮游稳定计算

3.1 空载时计算

（1）通过计算，A型沉箱空载时重心位置XC=4.53m，YC=3.78m（以沉箱侧面前趾为坐标原点，见图1），A型沉箱材料体积Vi=190.48m3

图1 A沉箱重心坐标

（2）沉箱总排水量体积：V=Vi×25/10.25=464.6m3

（3）前趾排水量体积：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）定倾半径：ρ=（I-∑i）/V=0.68m

（8）定倾高度：m=ρ-a=-0.16m＜0.2m 沉箱浮游不稳定，需要采用压载措施。

3.2 加水压载深度t0计算

（1）不平衡力矩（对沉箱宽度中心）：

（2）为保持沉箱正直，所需在后二舱加水压载，加水深度为t0：

3.3 沉箱后两舱加水（t0=2.22m）时浮游稳定计算

（1）加水重力：g=△M/1.825=690.44 kN

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

（3）沉箱总重力：G=Vi×24.5+g=5 357.3 kN。

（4）重心高度：Yc=（Vi×Yi×24.5+△My）/G=3.5m。

（5）沉箱总排水量：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）定倾半径：ρ=（I-∑i）/V=0.60m。

（10）定倾高度：m=ρ-a=0.48m＞0.2m 沉箱浮游稳定。

4 沉箱精安装施工工艺

（1）沉箱精安装方法一。

传统沉箱安装工艺：沉箱浮游到设计基床位置，沉箱加水下潜，沉箱下潜到离基床（0.3～0.5）m时，起重船控制好吊力（100 t左右），沉箱再加一定深度水，当沉箱轮廓线与理论轮廓线重合时（GPS控制、电脑显示），起重船快速落钩，沉箱落到基床上。第一个沉箱采用粗安装，第二个沉箱以第一个沉箱为依托进行精安装，再精安装第一个沉箱。具体方法见沉箱安装示意图2、图3、图4。

图4为放大图，已表明：当第二个沉箱靠近第一个沉箱（1m左右），二只手拉葫芦（10 t/只）系上1-4、2-3吊点（预埋的Φ25圆钢）控制沉箱前后位置；另二只手拉葫芦（10 t/只）系上1-5、2-6吊点控制沉箱左右位置。

（2）沉箱精安装方法二。

见图5，以一端已安装好的沉箱为依靠，另一端粗放的沉箱为辅助，进行沉箱精安装。利用4台水泵（100m3/h）对待精安装的沉箱由内向外抽水，让沉箱浮起，控制好抽水深度，沉箱平衡上浮。当沉箱离开基床 0.3m 时，4 只手拉葫芦（1-4、2-3、1-5、2-6）收紧，同时另 2只手拉葫芦（7-10、8-9）放松，当沉箱轮廓线与理论轮廓线重合时，用另4台水泵向沉箱内仓加水，沉箱下潜落床。

图2 沉箱安装示意图

图3 沉箱安装示意图

图4 沉箱安装示意图

图5 沉箱安装示意图

在风力达5级以上、浪高大于0.6m时，沉箱预埋的Φ25圆钢和10 t手拉葫芦均有拉坏，且人工操作不安全。通过对水阻力和波浪力计算分析，加工三角马凳（图6）、四角马凳（图7）取代Φ25圆钢吊环，利用卷扬机、单双柄滑车取代10 T手拉葫芦，配一只定位船来进行沉箱精安装（图8）。

图8已表明：操作安全可靠、使用简便，沉箱始终处于可以控制状态。

图6 三角马凳

图7 四角马凳

图8 沉箱安装示意图

5 沉箱安装质量评定

我们已完成对综合码头30个沉箱、煤码头20个沉箱的精安装，按《港口工程质量检验评定标准》对沉箱安装进行验收评定，综合码头沉箱安装合格率为100%，优良率为86.7%，煤码头沉箱安装合格率为100%，优良率为80.0%。

6 结 语

通过对沉箱浮游稳定性进行认真细致验算，严格控制加水深度，沉箱随半潜驳下潜、出坞、浮游、粗就位、排水上浮、精安装等过程中，沉箱一直处于稳定状态。

尽管现场施工条件十分恶劣，给沉箱安装带来了很大困难，但我们严格按照科学管理、灵活多变、见缝插针、精心施工的原则，先进行沉箱粗安放就位，再进行精安装调整，提高了工效，保证了质量。