西非几内亚湾某港码头沉箱的浮游稳定计算分析
通过对某港码头沉箱浮运情况的实体观测，探讨在采用规范方法计算沉箱浮游稳定时选取相关参数应注意的问题， 并验算沉箱的浮游稳定性；通过对浮运过程中沉箱构件力学特性的分析，探讨舱格间过水情况对沉箱浮游稳定的影响和浮心相对于沉箱的运动规律，提出以抗倾力矩来衡量沉箱稳定程度的具体计算方法和基于注水调平方法的沉箱注水模式。某港的工程实践验证了该分析方法的可靠性，可为类似工程提供参考。关键词：沉箱；浮游稳定；抗倾力矩；浮心；注水调平Calculation and Analysis of Caisson Floating Stability for Some Port
Abstract:Throughsolidobservationofcaissonfloatingsituationinsomeport,someproblemsarediscussed,whichshouldbetakenintoconsiderationbeforeselectingtherelatedparametersintheprocessofcalculatingcaisson floating stability by eriteria.Meanwhile,caison floating stability is checked.By analyzing mechanicscharacteristicsoffloating caissonstructures,itisdiscussedthecaisson floating stabilitybeingimpactedbywaterflowingamongcabinsaswellasthemovementnuleof buoyantcentreagainstcaisson.Thenitisputforwardthatthegradeofcaissonstabilitycanbe measuredby anti-overturningmoment,thecalculationmethodandcaisson-filling-with-watermodebasedonwater-filllevelingmethod.Thereliabilityofabovementionedanalysisisverified bysomeportproject,whichwillprovidethereferenceforthesimilarprojects.Key words: caisson;floating stability;anti-overturning moment;buoyant centre;water-fill leveling
沉箱是沿海港口的主要码头结构型式之一，需 要通过预制、托运、沉放和安装等工序形成码头实 体。目前在港口码头建设中应用较为广泛[-2]。在《重 力式码头设计与施工规范》(JTS167—2—2009) 中给 出了验算沉箱浮游稳定的计算公式和方法凹，但在 根据规范公式验算时仍存在以下主要问题：规范中 要求在远程浮运沉箱过程中需加注压载水，且各单 元舱的压载水不互通，而对于相通的单元舱可否视 作整体来计算沉箱的定倾半径并未说明；采用规范 公式计算沉箱的浮游稳定时，能否用量化的力学指 标或数据表征沉箱的浮游稳定程度；不稳定的沉箱是否会在倾斜一定角度后趋于稳定，如何确定该角 度；当沉箱浮运中采用固体物压载时，计算定倾半径 是否要考虑单元舱格的大小和布局的影响；对于同 一沉箱，其定倾高度越大稳定性越好，是否可用定倾 高度值比较2个不同沉箱的稳定性。基于上述思考， 结合某港改扩建工程中沉箱码头的施工实践，详细探讨沉箱浮运、沉放过程中的关键问题。1 工程概况某港改扩建工程包括2万 t 级 和 5 万t 级 码 头各1个，码头主体均为重力式沉箱结构，共有质量 1300~3600t的沉箱66个，分为8种型号，其中 CX- 1型沉箱40个，CX-4型沉箱14个。CX-1型和CX-4 型沉箱均布置18个舱格，单元舱格的尺寸为4mx4.5m,可将全部沉箱舱格划分为4个区域，每个区设1个进水阀门，各区域的单元舱格之间以直径150 mm 的过水孔相通。沉箱结构和舱格分区示意，见图1
由于工程所在地位于西非几内亚湾沿岸，港区海域无天然掩护条件且水深较大，常年受涌浪作用， 波长、波高均较大，与国内港口的海况有很大差异， 不利于沉箱浮运和安装施工。根据规范的要求，验算所有型号沉箱的浮游稳定性。本文主要以CX-1型 和CX-4型沉箱的浮游稳定计算为例进行相关分析和论述，在实际的沉箱浮运过程中CX-1型沉箱和CX-4型沉箱采用的加载水深度分别为3.2 m和2.5m。上述2种型号的沉箱主要结构参数和浮游稳定性计算参数，见表1。表1沉箱主要结构参数和浮游稳定性计算参数
沉箱- 结构参数 浮游稳定性计算参数/m
型号 长/m宽/m高/m质量h加 载 总 体 重 浮 心 定 倾 定 倾 水深心高度 高度半径高度
2.14 6.56 5.321.24 0.00
CX-126.2515.017.2535982.486.47 5.461.21 0.20
3.206.315.751.15 0.59
0.975.824.281.54 0.00
CX-426.2515.014.7531481.285.70 4.401.50 0.20
2.505.374.91 1.34 0.88
2沉箱浮游稳定性计算分析在沉箱不受其他外力作用的情况下保持浮游稳 定状态时，沉箱自身的重力与海水浮力保持平衡，处 于重力—浮力平衡点，重心与浮心位于同一垂线且一般情况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响，当沉箱采用液体压载时，随 着沉箱重心 G和浮心C的位置不断变化，重力与浮 力往往不在同一垂线上而形成力偶，会对沉箱施加与倾角方向相反的力矩，被称为抗倾力矩M, 由于受到抗倾力矩的作用，沉箱将向平衡位运动，实现对 倾角的纠正。沉箱浮游过程中浮心与重心的关系示 意，见图2。2.1 沉箱浮心的变化首先计算浮心相对于沉箱的位置，以沉箱倾角
(24-S)。式中S 为沉箱验算面以下水下部分的面积， m²;θ 为沉箱倾角，(°);B 为沉箱验算面的宽度，m;t为θ=0°时沉箱浮心与水面的垂直距离，m。利用上式 计算得出各种倾角时沉箱浮心 C 的位置(Xe,Ye) 并 将各浮心位置点连结形成的沉箱浮心位置运动轨迹 示意，见图4。
图4沉箱浮心位置运动轨迹示意图4所示曲线为CX-1 型沉箱压载水高度248m、 定倾高度0.2m、倾角θ在±56°之间时的浮心运动轨迹曲线。由于干舷高度所限，沉箱的实际倾角只能在±40°的范围内变化，超出这一范围的浮心运动轨迹为假设干舷高度足够的前提下绘制的。当倾角<15°时，由于tanθ值近似于sinθ 值，可分别用sinθ 和(1-cosθ)代替上式中的 tanθ 和(tan θ)²2,则圆弧的半径p=B?(12·S), 则可推出Xe=p·tan θ;Ye=B·(1-cosb) 。 该圆弧半径为p, 圆心位于Y轴，且通过坐标系的原点。根据上述推导可假设在小倾角的条件下，沉箱浮心C 的运动轨迹近似于直径为p 的圆弧，小倾角时沉箱浮力近似指向圆心，与规范推荐计算公式p=(I-Ei)/V 中，沉箱内不设舱格的情况(即Ei=0) 相符合。2.2沉箱重心的变化由于 CX-1 型和 CX-4型沉箱内部的单元舱格 较多，为减少进水阀门的数量，将所有舱格分成对称的4个区域，每个区域设1个进水阀门，每个区域内 的单元舱格之间由过水孔相通，这些舱格分区可以 保证在浮运安装过程中及时调平沉箱。当沉箱采用固体物压载时，沉箱总体重心相对于沉箱的位置固定不变；而当沉箱采用海水压载时， 由于受舱格内压载水位的影响，重心相对于沉箱的位置在不断变化。沉箱总体的重心位置变化不像浮心位置那样时刻与沉箱倾角相对应，而需要有个过程。沉箱倾斜后的重心位置是随着舱格内水面重新趋向水平而变化的，往往滞后于沉箱位置的变化。由于过水孔的联通作用使单一分区内的水面趋向达到同一水平面，完成该调整趋势的时间取决于过水总量和速率，以及过水孔径和联通孔两侧的海水压力差。在距沉箱底板一定高度位置设置足够的过水孔可以控制过水总量的大小，有利于沉箱浮游稳定，但也会延长总体压载注水的时间。压载水对沉箱总体重心位置的影响与沉箱内单元舱格的数量、尺寸、舱格注水深度、有无过水孔以及过水孔径大小等都有直接关系，沉箱总体重心位置计算较为繁琐，需要针对不同的沉箱类型、注水深度、倾斜角度等逐点进行计算。本工程的沉箱总体重心位置计算将每个分区视 为1个大单元舱格，即假定沉箱处于任意倾角时，每个分区各舱格内的水面均已达到同一高程，忽略过 水速度影响，这样是偏于安全的。计算时也考虑了过 水孔设置的高度，如果过水孔在压载水面下有足够 深度，则可不考虑其设置高度。2.3抗倾力矩的计算按照各分区不同的注水深度，计算沉箱在各种 倾角时的总体重心、浮心相对沉箱的位置坐标，进而 求出重心与浮心的水平距离d, 最终得出沉箱的抗 倾力矩M, 力矩方向与沉箱倾角方向相反时为正，此 时的抗倾力矩会将沉箱向原位矫正。由于沉箱左右 对称，只需计算单侧倾角的相关数据。沉箱抗倾力矩 计算数据汇总，见表2。
表2沉箱抗倾力矩计算数据汇总
定 倾 高 度 / m 沉 箱 型 号不同倾角时沉箱的抗倾力矩/(kN - m)
6=2°6=3°4°6=5°6=10°0=15°6=20°6=25°6=30°
0.0CX-1-2-7-15-25-344811161717634050
CX-40-2-3-4-286692225848858760
0.2CX-115330144658873014552321349651947844
CX-42524737049261612972.223899661910628
从表2可知，当定倾高度m=0m时，沉箱均处 于不稳定状态，尤其是CX-4型沉箱在受到外力作 用时，更容易左右摆动，这主要是由于在倾角足够小 时，沉箱总体重心向倾角方向移动的水平距离大于浮心移动的水平距离所致。由于小倾角时形成的水 位高差不大，过水孔的过流速度有限，此时沉箱实际 的稳定情况会比计算结果稍好一些。在倾角较小时， CX-1型沉箱的抗倾力矩大于CX-4 型沉箱，而在倾角加大到一定角度时，CX-1型沉箱的抗倾力矩又小于CX-4 型沉箱，即使按沉 箱单位重量的抗倾力矩相比较，虽然数据更为接 近但也是同样的趋势。这说明对于定倾高度相同 的2个沉箱其抗倾斜能力也不一定相同，简单的 用定倾高度值来比较不同沉箱的稳定性缺乏充分 理由。2.4 对计算结果的分析根据现场沉箱浮运安装施工的情况，沉箱浮游 稳定性较好，计算所得的参数比较可靠。对于由过 水孔连通沉箱分区内单元舱格的情况，根据对其重 心位置变化的分析，以符合实际情况和偏于安全为 原则，应将分区内所有相通的单元舱格视为1个大 的单元舱格来计算沉箱的定倾半径。本工程中首个 沉箱的浮运距离约600m, 由于浮运距离较短在进 行浮游稳定计算时未考虑过水孔的影响，导致浮运 过程中沉箱倾斜角较大，对其他后续浮运的沉箱则 改按上述原则计算其惯性矩和浮游稳定参数，有效 地保证了浮运施工的安全。通过计算沉箱的浮心位置发现，矩形沉箱浮心 位置变化只与沉箱水下部分的外部形状有关，而与 沉箱内部结构无关；而规范中计算定倾半径p 时使 用(I-Ei) 可能是考虑了沉箱内的水体对总体重心 位置产生的不利影响，为简化计算而采用的偏安全 的近似值；当采用固体物压载时，沉箱整体重心位置 与舱格大小、数量与定倾半径无关，计算定倾半径时 不应考虑舱格惯性矩，即p=I/V。求出沉箱在各倾角时的抗倾力矩后，就可通过 内插法求得沉箱倾角每增加1°时沉箱抗倾力矩的 增加量，或沉箱平均单位长度所增加的抗倾力矩 值，或沉箱平均单位重量所增加的抗倾力矩值，这 是判断沉箱抗倾稳定性相对直观的力学指标。从 CX-1型和 CX-4型沉箱的抗倾力矩计算数据来 看，沉箱的稳定倾角越大，抗倾力矩就越大。不稳定 的沉箱在抗倾力矩为0时，可能存在左倾或右倾某 一倾角度和倾角为0时的3个实际平衡点，前2个 平衡点均是沉箱倾斜时的稳定状态，而沉箱倾角为 0时是不稳定的状态，所以不稳定的沉箱可能会在 倾斜某一角度后达到稳定状态。当不稳定的沉箱处 于较大的倾斜角度且需要调正沉箱时，如果只向沉箱的一侧加水，可能会导致沉箱向另一侧倾斜，从 而使沉箱发生较大的摆动而不利于安全。所以，在 此情况下不宜只向沉箱一侧加水，而应在沉箱两侧 同时加水，并适当矫正沉箱的倾角，使沉箱保持适 合的倾角并稳定下沉，在较低一侧沉箱舱格的水深 达到沉箱稳定要求的深度后，再向较高一侧的沉箱 舱格内加水调平。3结论1)在对以海水压载的沉箱进行浮游稳定验算时，建议将由过水孔连通的所有单元舱格，视为1个 大的单元舱个来计算沉箱的定倾半径；2)当沉箱采用固体物压载时，沉箱的浮心位置 与沉箱内部的单元舱格结构无关，计算定倾半径时 可不考虑单元舱格的惯性矩，即p=I/V,也可用此公 式计算沉箱不加载时的浮游稳定条件；3)不稳定的沉箱也可能在发生一定倾角时达到 稳定状态；4)不应简单的用定倾高度值来比较不同沉箱间 的浮游稳定程度；5)当沉箱发生较大倾角且处于稳定状态时，首先应同时向沉箱两侧加注压载水，对其进行适当矫 正，在沉箱较低一侧舱格内的水深达到沉箱稳定要 求的深度后，再行调平沉箱。6)对于一些浮游稳定安全系数不高的沉箱，可在舱格间的过水孔两侧设置简易盲板，减缓过水速 度，以提高沉箱浮游稳定安全系数。7)在满足干舷高度和吃水深度要求的情况下， 一般来讲沉箱的压载水越多越稳定，加注压载水的 深度差可能导致定倾高度的偏差，操作过程中的误 差可能会导致安全系数储备不足，应尽量取较大的 定倾高度值。
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