超大型沉箱海上定位安装试验研究

黄宣军，吕迎雪，张先波

（中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点试验室，天津 300222）

1 概述

目前，沉箱结构广泛应用于我国的港口工程建设中，如港口岸壁、码头、防波堤、灯塔等，随着港口建设不断向深水化发展，采用的沉箱重量由原来的几百吨发展到几千吨甚至上万吨。如大连南部滨海大道工程主桥索塔锚碇基础采用的就是2.6万t的超大型沉箱，该沉箱不论是外形尺寸、平面面积、沉箱重量都远远超过传统港口工程采用的沉箱，堪称中国第一。对于大型沉箱的施工技术，一般是在岸边或船坞中制造，然后采用浮运方式拖运到工程海域，最后进行海上定位，灌水和填充下沉，使之平稳沉到已整平的地基或抛石基床上。

在整个施工过程中，海上定位与下沉是难度最大、最关键的阶段。传统的施工工艺是采用方驳定位，但对于万吨级的大型沉箱传统方驳定位难度大，危险系数高。本次研究将采用两种定位方法，一种是缆系定位，该定位方法与船舶靠泊码头相类似，事先在工程海域安放2个小沉箱，利用大沉箱系靠在小沉箱，通过调整缆绳方位进行定位、注水安装（见图1）。另一种方法是锚系定位，该定位方法是事先在工程海域设置6个锚点，将大沉箱用6根锚缆锚系在锚点上，通过调整各锚缆松紧程度进行定位、注水安装（见图2）。

2 物理模型试验

2.1 沉箱模型

试验采用2.6万t的超大型沉箱，其基本尺寸见表1。

2.2 缆绳的选取

缆系定位采用的系缆绳为直径φ=80 mm的尼龙缆，破断力为900 kN；

图1 缆系定位安装Fig.1 Positioning and installing of mooring system

图2 锚系定位安装Fig.2 Positioning and installing of anchor system

表1 沉箱基本尺寸（比尺1∶40）Table 1 Basic size of the caisson(scale 1∶40)

锚系定位采用的锚缆为直径44 mm、长度200 m的钢缆，其破断力为1 070 kN。

2.3 波浪条件

本次沉箱定位试验研究的天然水深为18 m，其中沉箱底部的基床面水深为15 m，波浪方向为正对沉箱长轴方向（见图1和图2），波浪谱型采用我国的海港水文规范谱，其中缆系定位安装试验研究的有效波高为1.0 m，平均周期为5~6 s；锚系定位安装试验研究的有效波高为0.8~1.2 m，平均周期为6~8 s。

3 试验结果

3.1 缆系定位安装试验结果

缆系定位安装方案是，在工程海域事先安装2个小沉箱，小沉箱后停系1艘5 000吨级的方驳。方驳前八字缆系在小沉箱上，后八字锚缆抛在海里。大沉箱上布置4个系缆点，2个系在小沉箱上，2个系在方驳上。通过调整各缆绳方位进行定位，注水安装，待大沉箱平稳坐落基床上后安装结束。

缆系定位安装试验的内容是，大沉箱定位后，沉箱吃水d=8.29 m、14.5 m状态下，测定沉箱在H13%=1.0 m、T =5 s、6 s的波浪以及45°方向潮流（涨潮、落潮）联合作用下的运动状态和系缆力（见图1）。沉箱运动量主要给出了沿波浪方向的横移量和横摇角。沉箱系缆力值给出了各缆绳拉力中的最大值。试验照片见图3，试验结果见表2。

图3 沉箱缆系定位安装试验研究Fig.3 Experimental study on the positioning and installing of caisson mooring system

试验结果表明：

1）工程海域平流段时，在波浪作用下，沉箱吃水越大，其横移及横摇运动幅度越小，各缆绳受力较均匀，最大缆力均未超过200 kN；

2）在涨潮流与波浪联合作用下，受潮流的冲击影响，大沉箱紧靠小沉箱，且纵向上有漂移，造成大沉箱上各系缆绳的受力不均匀，且对小沉箱的挤靠力也较大。

表2 沉箱缆系定位安装试验结果Table 2 Positioning and installing test results of the caisson mooring system

3）在落潮流与波浪联合作用下，受潮流的冲击影响，大沉箱离开小沉箱，对小沉箱的挤靠力为0，各系缆绳的受力比较均匀，在流速0.20 m/s时，最大缆绳拉力均＜200 kN。

4）通过试验研究，大型沉箱海上缆系定位安装时，由于涨潮流时大沉箱对小沉箱的挤靠力太大，故尽量不要选择在涨潮流条件下进行大沉箱定位，宜选择在波况较好，平流时段或落潮流速较小时进行，定位时的波、流条件为：波高H13%≤1.0 m、周期T ≤6 s，落潮流速≤0.20 m/s。若落潮流速较大时，应增强沉箱上缆绳的强度或增加缆绳数量，但流速不宜超过0.50 m/s。

3.2 锚系定位安装试验结果

沉箱锚系定位安装试验示意图，详见图2，试验给出了沉箱沿波浪方向的横移量、横摇角以及各缆绳拉力中的最大值。试验照片见图4，不同波浪条件、不同沉箱吃水（d=8.29 m、10.5 m、13.0 m、14.0 m、15.0 m）条件下的部分试验结果见图5。

图4 沉箱锚系定位安装试验研究Fig.4 Experimental study on the positioning and installing of caisson anchor system

试验结果表明：

1） 在沉箱未坐落基础之前（即d＜15.0 m），沉箱主要随波浪来回运动，沉箱的位移量、横摇角和锚缆力随波高和波周期增大而增大，但随吃水的增大而减小。随着吃水的增大，沉箱的稳定性也越来越好，便于沉箱的精确定位调整。

2） 沉箱刚刚坐落基床上时（即d=15.0 m），沉箱的位移量和锚缆拉力较其他吃水时明显增大，主要是因为在波浪作用下，沉箱在基床上仍有位移，且由于基床对沉箱底部的摩擦作用，这种位移不再是随波浪来回运动。因此造成沉箱向背浪侧的位移逐步增大，相应的迎浪侧的锚缆力值较大，最终达到整个锚系系统形成一个新的平衡。

3）通过试验研究，大型沉箱海上锚系定位安装时，可以在定位前适当加大沉箱吃水，方便沉箱定位，但在沉箱接近坐落基床上时为定位过程最危险的阶段，施工过程中应采取相应措施防止沉箱在基床上发生位移，譬如利用拖轮进行辅助，同时尽快增大沉箱的自重；或者利用起重船配重的方式将足够重量的压载物置于沉箱上，确保沉箱的稳定。

4 结语

针对超大型沉箱的海上定位安装问题，本文介绍了缆系定位安装和锚系定位安装两种方法，并通过物理模型试验研究测定了沉箱在波浪作用下的运动量和缆力值。通过研究，大型沉箱采用缆系定位安装时，宜选择在波况比较好，平流时段或落潮流速较小时进行为佳。若工程海域流速较大时，应增强沉箱上缆绳的强度或增加缆绳数量。大型沉箱采用锚系定位安装时，可以在定位前适当加大沉箱吃水，但在沉箱接近坐落基床上时应采取相应措施防止沉箱在基床上发生位移，确保沉箱稳定。

图5 沉箱锚系定位安装试验结果Fig.5 Positioning and installing test resultsof thecaisson anchor system

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