浮船坞临时挡浪辅助沉箱安装技术

毕莉莉，王雪刚

（1.中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230）

浮船坞临时挡浪辅助沉箱安装技术

毕莉莉1，王雪刚2

（1.中交四航局第三工程有限公司，广东 湛江 524005；2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230）

文章介绍大涌浪环境下借助浮船坞临时挡浪的辅助沉箱安装技术。使用水动力软件AQWA对“防城港”号浮船坞挡浪效果进行水动力计算，将计算结果与浮船坞挡浪前后波高进行对比，认为使用浮船坞进行施工中的挡浪是可行的，且挡浪效果显著。采用浮船坞挡浪，增加了施工窗口期，缩短了施工工期，减少了施工成本。

浮船坞；挡浪；沉箱安装

0 引言

茂名港博贺新港区粤电煤炭码头工程处于广东省三大浪区之一，由于其南向没有掩护，在南季风的影响下，涌浪的最小波高也高达1 m左右，使得在安装沉箱时不能准确定位，甚至多次压坏基床。

针对此情况，采用“防城港”号浮船坞挡浪辅助沉箱安装，使用水动力势流计算软件AQWA进行建模和计算，分析利用浮船坞进行临时消波的效果和适应性，并将水动力计算结果与浮船坞挡浪前后波高进行对比，计算结果与实船使用挡浪效果相吻合，使用浮船坞进行施工中的挡浪是可行的，且挡浪效果显著，同时对比了浮船坞吃水深度对挡浪效果的影响。

1 工程概况

广东茂名港博贺新港区粤电煤炭码头工程位于茂名市电白县电城镇，博贺湾东南部的东阁岭至莲头岭沙坝附近的潟湖滩涂和海域（图1）。

图1 工程效果图Fig.1 Engineering drawing

工程包括防浪护岸、防波堤、港内护岸、取水口、3.5万t码头、10万t码头、港池开挖、堆场回填和简易护岸施工等。3.5万t码头由西往东，港池局部开挖后水深约15 m。施工现场南向属于无掩护状况，受东南向的涌浪影响大。波高0.5 m以内的频率占19.48%；波高0.5～1.0 m的频率占50.15%；波高1.0～1.5 m的频率占25.26%；波高1.5 m以上的频率占5.11%，根据设计及水文资料，现场水深15 m且为极端高水位时，5 a一遇的最大波高为7.9 m。

2 现场实施情况

2014年3月，项目进行沉箱安装典型施工时，沉箱的装驳、拖航、下潜起浮和移位等工序均顺利完成，但在沉箱准确定位沉放时出现较大偏差。经多次定位安装，在采取加大沉箱进水量、缩短下沉时间及两侧布置方驳定位等措施后，沉箱定位下沉时钢丝绳均被拉断，沉箱位移0.3~1.2 m，沉箱不能准确定位。恶劣海况成为影响沉箱安装进度、质量和安全的主要因素。

无掩护条件大涌浪环境沉箱安装施工存在较大困难，安装过程中会破坏基床表面[1]，必须采取相应的措施进行施工期临时挡浪。浮式防波堤是较理想的挡浪措施，结合现场实际情况，拟利用现有船机进行挡浪、消波，改善施工受到波浪环境制约的影响，确保恶劣海况下沉箱安装。初步选定使用“防城港”号浮船坞进行临时消波辅助沉箱安装。

3 浮船坞挡浪分析

3.1 挡浪计算

“防城港”号浮船坞的船长为43 m，型宽为32 m，型深为3.6 m，吃水为3.05 m，空载排水量为2 330 m3，满载排水量为3 200 m3。“防城港”号浮船坞的三维模型如图2所示。根据该浮船坞的三维模型，以其设计吃水（3.05 m）为基本计算状态，静水面为界，将其分成水上和水下两部分。将浮船坞几何模型的水上和水下两部分按照默认长度0.5 m、最大单元尺寸为1 m的规格自带划分网格，共计生成的15 302个SHELL63面单元，最终生成的网格形态见图2。

图2“防城港”号浮船坞三维模型及网格划分Fig.2 3D model and mesh generation of"Fangchenggang" floating dock

为了准确地描述浮船坞在波浪中的放置位置，以及更好地表达浮船坞挡浪的效果，同时与三维模型中的坐标系相统一，定义如图3所示的随船坐标系。透射系数kt是评估防波堤消波效果的一个重要指标，其表达式为：kt=Ht/Hi，式中：Hi为坞前入射波高；Ht为坞后透过波高。定义波高衰减平均百分数为（1-kt）×100%。波高衰减平均百分数越高，即透射系数越小，浮式防波堤的挡浪效果越好。

图3 随船坐标系Fig.3 Local coordinate system

定义计算的规则波波高为2 m（即入射波的波幅为1 m）；与波浪的遭遇角为90°；计算区域水深为15 m；波长根据波浪的弥散关系确定，ω2= gktanh（kh），式中：ω为圆频率，ω=2π/T，T为波浪周期；h为水深（计算区域水深为15 m）；g为重力加速度，取9.81 m/s2；k为波数，k=2π/L，L为波长。使用Hunt的方法确定波数[2-5]：

式中：f（β）=1.0+0.652 2β+0.462 2β2+0.086 4β4+ 0.067 5β5，β=ω2h/g。则波长的计算公式为：

使用水动力势流软件AQWA计算浮船坞对周期为6 s的规则波的挡浪效果，根据式（2）计算，其波长为53.10 m。假设水为无黏性、无旋、不可压缩的理想流体；认为没有水流穿过船体和海底；对浮船坞周围127.6 m长、86 m宽的水域面积上划分4 000个单元的自由面网格；同时考虑绕射和反射的作用。这个波浪周期内区域内各单元的波幅峰值分布如图4所示，图5为浮船坞船后波高衰减平均百分数曲线。

图4 波幅峰值分布图Fig.4 Distribution of wave amplitude peak value

图5 波高衰减曲线Fig.5 Wave height attenuation curve

从图4和图5可以看出，在浮船坞的正后方（y<21.500）50 m的计算范围内，波高衰减超过50%，挡浪效果随着堤后距离的增加而降低；船外侧（y>21.500），随着堤后距离的增加，挡浪效果增加，基本是满足开尔文波系的形状，其挡浪效果随着离开船侧的距离而削弱。

该浮船坞的设计吃水为3.05 m，分别设置其吃水为1 m、2 m、3.6 m和4 m，计算并对比其对周期为6 s波浪的挡浪效果，其半潜驳船后波高衰减平均百分数曲线如图6所示。

图6 不同吃水的波高衰减曲线Fig.6 Wave height attenuation curve in different draft

3.2 实施效果

茂名港博贺新港区粤电煤炭码头工程的沉箱安装时，基于以上浮船坞挡浪的计算结果和多次总结施工方法，采取“防城港”号浮船坞进行挡浪前后的挡浪效果对比，现场海况对比如图7和图8所示。未采用任何挡浪措施，浪高1 m左右；使用“防城港”号浮船坞进行侧向挡浪时，船后的浪高在0.2 m以内，与图6中的浮船坞的正后方（y=0）波高衰减曲线大于80%相吻合。综合图6的计算结果与浮船坞挡浪前后的波浪对比（图7和图8），可以认为使用浮船坞进行施工中的挡浪是可行的，并且挡浪效果显著。

图7 未使用挡浪措施时的海况Fig.7 Sea condition without wave-blocking

图8 浮船坞挡浪后的海况Fig.8 Sea condition with wave-blocking of floating dock

4 结语

本文主要使用水动力软件AQWA对“防城港”号浮船坞挡浪效果进行计算，将水动力计算结果与浮船坞挡浪前后波高对比，认为使用浮船坞进行施工中的挡浪是可行的，且挡浪效果显著。施工中采用浮船坞进行挡浪，在不是特别恶劣的海况下可进行施工，较不采取挡浪措施的情况增加了施工窗口期，缩短了施工工期，减少了施工成本，可供类似工程借鉴。同时对比了吃水对目标波浪的挡浪效果的影响。获得以下主要结论。

1）浮船坞的挡浪效果明显，浮船坞的正后方50 m内的波高衰减超过50%，挡浪效果随着船后距离的增加而削弱；

2）船外侧（即y>21.50），挡浪效果随着船后距离的增加而变好，随着离开船侧的距离增加而削弱；

3）保持足够的干舷防止越浪的情况下，挡浪效果随着船舶吃水的增加而变好。

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Installation technology of temporary wave-blocking assists caisson for floating dock

BI Li-li1,WANG Xue-gang2
（1.The Third Engineering Company of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Zhanjiang,Guangdong 524005,China; 2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

We introduced the caisson installation technology of temporary wave-blocking using the floating dock in large swells,calculated the effect of wave-blocking of"Fangchenggang"floating dock by the hydrodynamic software AQWA,the calculation results are compared with the wave heights before and after wave-blocking of floating dock.It is feasible to use floating dock for wave-blocking in construction,and the effect is significant.It is shown that the proposed technology has the advantages of increasing the construction window period,shortening construction period and saving the cost of construction.

floating dock;wave-blocking;caisson installation

U656.1；U655.4

A

2095-7874（2016）12-0063-03

10.7640/zggwjs201612013

2016-07-06

2016-09-01

毕莉莉（1983— ），女，山东威海人，工程师，主要从事港口工程技术管理工作。E-mail：blili@cccc4.com