多成分锚泊技术在塔贝拉水电站吊装平台定位的应用

徐红刚，王 兵，柏胜平，张光辉

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)



多成分锚泊技术在塔贝拉水电站吊装平台定位的应用

徐红刚1，王 兵2，柏胜平1，张光辉1

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072)

巴基斯坦塔贝拉四期扩建工程中需要在水库水面上吊装叠梁门封堵4号引水洞。受库区水面风浪影响，吊装平台的高精度定位是保证叠梁门吊装顺利实施的前提。在吊装平台风荷载计算分析的基础上，利用基于海军锚和多成分锚泊线的四点锚泊定位系统，满足了叠梁门吊装稳定的要求，瞬时定位精度可达厘米级。实践证明，该方法易于实现、稳定性高，是施工作业平台在宽阔水库水面上进行动态定位的有效方法。

锚泊定位；浮箱平台；闸门吊装；深水库区；塔贝拉水电站

1 工程概况

塔贝拉水电站是巴基斯坦印度河干流上的大型水利枢纽工程，具有灌溉、发电、防洪等效益。最大坝高143 m，正常蓄水位472.6 m。1976年蓄水发电，至今已运行近40年。右岸布置4条引水洞，1992年完成三期扩建后，装机容量达3 478 MW，四期扩建工程在将右岸的4号引水洞改为发电引水洞的基础上，新增装机1 410 MW。4号引水洞的改造要先利用叠梁门吊入位于库底的封堵门槽完成封堵。封堵门槽距库岸最近距离约200 m，无陆基吊装平台可供利用，因此研制并利用由浮箱模块组成的叠梁门吊装平台展开作业。

门槽位于库区设计水位下100～120 m处，吊装过程中近100 m无导轨，且门槽入口容许误差仅±30 cm，吊装定位精度要求非常高。由于深水下控制叠梁门位置和状态存在诸多困难，采用将水下定位转化为水面定位的方法，即通过在水面定位叠梁门吊装平台来代替在水中定位叠梁门。为了提高叠梁门吊装入槽的准确率，需在吊装过程中保证吊装平台的位置稳定，实现吊装平台的高精度定位。

2 问题分析

封堵门槽位于半库湾的库底，上方水面开阔，吊装平台的位置必然受水面风浪影响，从而使叠梁门在吊装过程中随平台移动；同时，吊装过程历时较长，须多次重定位与固定；吊装平台周边近岸覆盖范围不足，难以利用岸边地锚缆索定位。针对这一难题，须研究设计一套保证叠梁门吊装平台快速定位的技术方案。

一般水上作业平台根据作业水域水深，常用3种定位方式：锚泊定位(水深小于1 500 m)、锚泊辅助动力定位(水深1 500～3 000 m)和全动力定位(水深大于3 000 m)[1，2]。由于平台作业区域位于半库湾中，水深100 m左右，因此设计采用锚泊定位系统。

3 吊装平台风荷载

3.1 叠梁门吊装平台

叠梁门吊装平台轮廓尺寸为36 m×15 m×1.5 m(长×宽×高)，由14个浮箱模块按3列5行排列拼装而成。平台正中部无浮箱，为叠梁门安装吊物孔。叠梁门吊装平台质量为257 t(包括固定门机、发电机等设备)，设计承载质量1 160 t。简化的吊装平台如图1所示。

图1 叠梁门吊装平台侧视示意

3.2 风荷载计算

叠梁门吊装平台作业区域位于半库湾中，为简化计算，取浮箱平台长度方向为横向受风面，宽度方向为纵向受风面。在设计承载质量160 t的工况下，平台吃水深度计算值为0.77 m。

横向受风面积(浮箱+叠梁门节+轨道+台车)为Axw=(1.5-0.77)×36+14.27×1.245+29×0.54+2.0×0.5×4≈63.7 m2，纵向受风面积(浮箱+叠梁门节+门机)为Ayw=(1.5-0.77)×15+4.24×5.36+19.0≈52.7 m2。

根据JTS144- 1—2010《港口工程荷载规范》中作用于船舶上的风荷载计算公式，计算作用于叠梁门吊装平台上的风荷载。

(1)

(2)

式中，Fxw、Fyw分别为作用在平台上的计算风压力的横向和纵向分力，kN；Axw、Ayw分别为平台水面以上横向和纵向受风面积，m2；Vx、Vy分别为设计风速的横向和纵向分量，m/s；ζ1为风压不均匀折减系数；ζ2为风压高度变化修正系数。

浮箱平台水面以上横向轮廓的最大水平尺寸为36 m，纵向轮廓的最大水平尺寸为15 m，均小于50 m，故风压不均匀折减系数ζ1取为1.00。

浮箱平台上门机安装总高度约为12.5 m，故风压高度变化修正系数ζ2插值取为1.24。

多种风力条件下，风压力计算如表1所示。

表1 对应风级的风压力求解结果

风级风速/m·s-1横向分压力/kN纵向分压力/kN000～020002300013103～150130800720216～330633103487334～541695409337455～793628519984580～10766564366606108～13811072260979

注：表中风压求解均以最大风速计。

为保证叠梁门到达门槽顶部时偏差不超过30 cm，要求在风浪影响下浮箱平台的水面位置偏差小于15 cm。由于锚泊系统属于柔性定位系统，刚度较低，为避免大风浪时，无法对正门槽，磕碰损坏叠梁门、门槽或门吊系统，叠梁门安装选在风力小于3级的时段进行，即设计吊装工况的风力不超过3级，浮箱平台锚固稳定性以6级风力校核。

4 基于海军锚的多成分锚泊线定位

综合考虑塔贝拉水电站现场施工条件和设备采购、运输条件等因素，叠梁门吊装平台定位系统设计主要从以下几个方面考虑。

4.1 锚的选用

锚是抛入水底后提供抓力，通过其顶端所系的锚链或锚索将叠梁门吊装平台系留于预定水域的专用设备。锚的种类大致可分为有杆锚、无杆锚、大抓力锚及特种锚四大类[3]。

海军锚是历史最悠久的典型有杆锚。单爪啮入土中，具有较好的抓重比，即便受风力或潮流等影响也不易翻转走锚。尽管收放不便，但不需经常收放锚具的深水区作业工程船舶常采用海军锚作为主锚[4，5]。经研究和比选，本工程拟采用轻型海军锚作为锚泊系统的主锚。

4.2 锚泊线形式

锚泊线是锚链、锚索及其配上各种块重或浮力器件的组合[6]，主要用于连接锚和叠梁门吊装平台，传递锚产生的抓驻力。随着锚泊技术的发展，锚泊线的组成成分也由单一的全链、全索发展至多成分的组合形式[7]。

考虑到浮箱平台定位操作具有重复性，为了提高定位能力，改善锚泊系统性能；同时比较了在浮箱平台上安装卷缆机与锚机的可操作性和经济性，研究设计了锚链与钢缆连接的组合锚泊线形式：锚泊线与锚连接部分采用锚链，与浮箱平台连接部分采用钢缆。浮箱平台上配以电动卷缆机收放钢缆，对锚泊线进行调整。

在锚链上设浮筒，主要用以标识锚链，并在锚泊系统非作业状态下支撑锚链。浮筒结构设计见图2。

图2 海军锚浮筒结构示意(单位：m)

4.3 布锚方式

锚点的布设应考虑吊装平台能承受任何方向的最大环境力。与海洋环境相比，处于内陆库区半库湾进行施工作业的环境力多半来自水库风浪。

考虑经济性与操作繁简程度，设计选用四点超静定布锚方式。根据水下地形图、水库水深数据和定位锚链的最大仰角，在吊装平台四角的外延150 m范围内选择4个锚定位置，如图3所示。其中浮筒系统锚位尺寸为参考值，需根据作业现场环境及实际水位高程进行调整确认。

图3 浮箱平台锚定系统设计示意(单位：m)

4.4 锚抓力校核

对锚泊悬垂线进行受力分析：单向风荷载作用时，假设仅靠近风向一侧两锚受力；考虑最不利的情况，对两正交风荷载作用叠加。锚1和锚2与浮箱平台轴线在水平方向所成夹角均为34°；锚3和锚4与浮箱平台轴线在水平方向所成夹角均为50°。

由风荷载计算知，3级风条件下，浮箱平台受风荷载最大值为Fxw=1.695 4 kN,Fyw=0.933 7 kN。

6级风条件下，浮箱平台受风荷载最大值为Fxw=11.072 2kN,Fyw=6.097 9 kN。

根据经验公式计算锚定力

F=mgK

(3)

式中，m为海军锚质量；K为抓重比，查阅《浮桥施工技术》可得海军锚在库底多年淤沙地层上的抓重比K取为2.7[8]。

设计采用1.0t轻型海军锚，由式(3)计算可知，该锚的锚定力为26.46 kN，在设计工况和校核工况下，锚泊系统所需锚拉力均小于锚定力，故采用1.0t轻型海军锚可以满足锚定需求。海军锚在库底工作性态如图4所示。

图4 海军锚在库底工作性态

4.5 抛锚

将海军锚、锚链、浮筒连接成套，将其吊装至作业平台上；用叠梁门吊装平台将海军锚运至投放点，利用平台侧边的挂吊投放海军锚；缓慢下落着床；以浮筒标志锚位，便于监视和取用。用同样的方法将四组海军锚抛锚到位，完成运吊装一体化平台四角的海军锚抛锚工作。

4.6 锚泊定位实施效果

4号隧洞取水口叠梁门吊装采用整套运输、逐节吊装的方式，将叠梁门的4节门叶在无导轨条件下吊装到100 m深水下的门槽内。吊装开始前，首先用驳船驱动浮箱平台至安装区域附近，将浮箱平台四角上的卷缆机放缆与海军锚的浮筒上锚链连接，构建水面叠梁门吊装平台与锚固系统，便于水上位置的动态控制。通过电动卷缆机动态操控吊装平台姿态，牵动吊装平台并稳定于叠梁门闸门槽的正上方，使浮箱上的吊点中心与叠梁门门槽中心线重合。在吊装平台实时高精度测量系统的反馈指导下，可实现运吊装一体化平台瞬时厘米级高精度定位，吊装过程中分米级定位。

通过浮箱平台上的吊孔，利用门机将叠梁门吊入水中，直至其底部距门槽入口0.5 m时停止。再次利用测量系统和锚泊定位系统对平台和叠梁门姿

态进行测控，使叠梁门起吊中心线与门槽中心线重合，继续下放叠梁门至门槽底部。依次完成剩余门叶及另一套叠梁门吊装。

在上述锚泊定位技术的协助下，工程于2014年12月成功吊装2套、共8节叠梁门。在本工程的百米级水深无导轨叠梁门吊装过程中，共完成了2套叠梁门的两轮吊装作业。其一次性精准定位成功、顺利入槽的比例超过50%；所有叠梁门节均顺利吊装到位，无一例发生卡槽等吊装事故。

5 结 论

本工程百米级深水高精度叠梁门无导轨吊装作业，在水面无定位参考、水面风浪等不利条件下，主要依靠水面的叠梁门吊装平台定位解决叠梁门深水吊装入槽问题。本文在分析吊装平台风荷载、锚泊系统的锚、锚泊线、布锚方式等问题的基础上，选用基于海军锚和多成分锚泊线的锚泊定位方式，保证了水上吊装平台的锚泊稳定。瞬时定位精度可达厘米级，吊装过程中的定位精度可达分米级。顺利完成了2套8节叠梁门的两轮吊装作业。定位精度、效率与成本兼顾，可操作性强，可为库区水上和水下吊装施工作业提供参考。

[1]WICHERS J， van DIJK R. Benefits of using assisted DP for deepwater mooring systems[C]∥Offshore Technology Conference， 1996．

[2]AALBERS A B， MERCHANT A A. The hydrodynamic model testing for closed loop DP assisted mooring[C]∥Offshore Technology Conference， 1996．

[3]王道能. 浮筒锚泊系统受力分析及其仿真[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2008．

[4]潘梦蕾. 锚与锚链[J]. 现代舰船， 2008， 46(4)： 32- 35．

[5]俞伯良， 顾秋霞. 对我国现行标准海军锚的分析和探讨[J]. 舰船辅助机电设备， 1976， 13(3)： 1- 14．

[6]潘甜. 组合锚泊系统的分析与研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2010．

[7]余龙， 谭家华. 基于准静定方法的多成分锚泊线优化[J]. 海洋工程， 2005， 23(1)： 69- 73．

[8]吴德馨. 浮桥施工技术[M]. 北京： 中国建材工业出版社， 2000．

(责任编辑 王 琪)

Application of Multi-component Mooring Technology in the Positioning of Lifting Platform of Tarbela Hydropower Station

XU Honggang1, WANG Bing2, BAI Shengping1, ZHANG Guanghui1

(1. Sinohydro Bureau 7 Co., Ltd., Chengdu 610081, Sichuan, China;2. State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China)

The stoplog gate is needed to be lifted on the surface of reservoir to seal No. 4 diversion tunnel of Tarbela fourth extension hydropower project in Pakistan. Under the influence of wind and waves in deep reservoir, the high precision positioning of pontoon platform is the precondition to ensure that the stoplog gate lifting process is carried out smoothly. Based on the calculation and analysis of wind load acting on lifting platform, the four-point mooring positioning system included navy anchors and multi-component mooring lines are adopted. It meets the stability requirement of stoplog gate lifting and the instantaneous positioning precision can achieve centimeter-level. The practice proves that the method is ease to implement and has high stability. The method is effective on the construction of platform for dynamic positioning on the surface of wide reservoir．

anchor mooring positioning; pontoon platform; gate lifting; deep reservoir; Tarbela Hydropower Station

2015- 10- 02

徐红刚(1976—)，男，四川成都人，助理工程师，从事水电站金属闸门和启闭机设计、制造、安装工作．

TV512

A

0559- 9342(2016)09- 0068- 04