构皮滩水电站下游引航道渡江施工浮船设计与应用

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福建 福州 350003)

1 概 述

构皮滩水电站通航建筑物由上下游引航道、3座钢丝绳卷扬垂直升船机和2级中间渠道(含通航隧洞、渡槽、眀渠)等建筑物组成。

由于下游引航道右岸地形陡峻，无法从外部修筑施工道路直达作业面。受机组发电影响，昼夜水位变化较大，流速快，施工平台固定困难。通过技术比选，决定采用浮船渡江，以解决人员、设备、材料运至右岸、开挖石渣运至左岸的交通问题。

2 浮船设计

2.1 浮船设计参数

a.浮船采用内河C级设计船体结构，为单甲板、单壳、单层底的钢质焊接结构趸船。浮船平面为长方形，长78m，宽8m，深2.3m，以满足行车道和防浪设施的需要。

b.浮船船舱空间无使用要求，可纵向、横向设置加劲桁架。全船舷侧采用横骨架式，其他均采用纵骨架式，并在主甲板车辆通道位置采用结构加强，肋骨间距500mm，纵骨间距500mm，满足载重100t工程车安全通过。

c.浮船两侧做成流线形，破浪效果较好。浮船吃水深度1.2m，在护栏底部按5m间距设置足够的横向泄水孔，排除雨水和漫过护栏的波浪。

d.浮船主要技术参数见表1。

表1 浮船主要技术参数

2.2 浮船总布置

浮船由主体平台、跳板、跳板提升装置、甲板设备及辅助器材等组成。

2.2.1 主体平台

浮船主体平台主尺寸为78m×8m×2.3m，由1个舵机舱、1个机舱、1个燃油舱、25个空舱组成。

2.2.2 跳板及跳板提升装置

a.跳板主尺寸为7m×4m×0.5m，重约4.5t。

b.跳板提升装置布置在浮船的两端，用于实现跳板的翻转，由吊杆、提升钢索、导向滑轮组和电动葫芦等组成。

2.2.3 甲板设备

甲板设备包括带缆桩、锚、锚链、滚柱导缆器、闸刀掣链器及人力锚机、顶推架、发电机组和照明灯具等。

2.3 干舷

根据《船舶与海上设施法定检验规则 内河船舶法定检验技术规则》(2016年版)规范要求，内河B级船舶的最小干舷值为347.9mm，实际干舷值为1114mm，实际吃水值为1200mm。

2.4 主要设备

浮船主要设备见表2。

表2 浮船主要设备

2.5 浮船舾装设备

浮船舾装设备见表3。

表3 浮船舾装设备

3 浮船密性试验

在浮船的装配焊接和火工矫正工作结束后，即可进行浮船的密性试验。密性试验的目的是检查外板及有密性要求的舱室焊缝有无渗漏现象，以保证浮船的运行安全。浮船水下部分以及下水后无法检验的部分，应在浮船下水前做密性试验；其他部位的密性试验应在浮船建造完工后进行。

4 锚碇设计与验算

根据下游引航道河床地质、施工水位及施工条件，进行锚碇系统的选择和设计，浮船采用4个C30钢筋混凝土锚碇固定，并设φ36mm锚筋桩锚入基岩中，左右岸分别设混凝土锚碇2个。另外，为确保浮船汛期安全，在左岸边坡高程480～488m设置3m×3m×3m钢筋混凝土系船墩3个。

4.1 钢丝绳锚缆受力计算

锚缆的受力来源于浮船水阻力、风力和浮船受载时的横向位移，最后传递给混凝土锚碇。

a.浮船水阻力R1:

R1=(fs+φF)V2×10-2

(1)

式中R1——浮船水阻力；

f——摩阻系数，钢质浮船取f=0.17；

S——浮船浸水面积，S=L(2T+0.85B)；

L——水线浮船长度，L满载=77.235m，L空载=77.161m；

T——计算吃水，T满载=1.19m，T空载=1.144m；

B——水线浮船宽度，B=8m；

φ——阻力系数，流线型浮船采用5；

F——浮船入水部分在垂直水流方向的投影面积；

V——计算水流速度，按施工时汛期流速取V=3.0m/s。

经计算，R1满载=52.21kN，R1空载=50.45kN。

b.浮船风阻力R2:

R2=K1SW0

(2)

式中R1——浮船风水阻力；

K1——密实系数，浮船K1=1.0；

S——受风面积，S满载=140.448m2，S空载=144.01m2；

W0——基本风压值，该工程地处贵州省遵义市余庆县，最大风速16.1m/s，基本风压W0=0.162kN/m2。

经计算，R2满载=22.75kN，R2空载=23.33kN。

c.浮船总阻力R:

R=R1+R2

(3)

经计算，R满载=74.96kN，R空载=73.78kN，采用4根锚缆，每根锚缆受力为74.96/4=18.74kN。

d.钢丝绳锚缆:

K=αFg/R

(4)

式中K——为钢丝绳的安全系数，取K=4；

α——考虑钢丝绳之间荷载不均匀，系数α=0.82；

Fg——钢丝绳钢丝破断拉力总和；

R——1个主锚的受力，R=18.74kN。Fg=KR/ɑ=91.41kN。

为确保浮船运行安全，锚缆选用18×7+FC-32-1770右交互捻光面钢丝绳，其实际破断负荷为594kN。浮船甲板设计12个带缆桩，带缆桩选用A355型，每个带缆桩适用的缆索最大破断负荷为255kN。

e.钢丝绳锚缆长度计算：

(5)

式中L——丝绳锚缆长度；

l0——锚缆躺在河床上的长度；

l——悬缆长度；

h——河底到浮船顶面高度，取h=10m；

R——1根锚缆所受拉力，R=18.74kN；

q——锚缆在水中单位长度重量，按钢丝绳在空气中重量的0.7倍计，q=0.0274N/m。

经计算L=167.38m，取L=170m。

4.2 钢筋混凝土锚碇

a.锚碇结构。浮船固定采用钢丝绳与C30钢筋混凝土锚碇连接，竖直方向圆形设计，直径0.6m(下部为1.5m×1.5m正方形)，主筋采用4根3φ36mm锚筋桩(L=4.5m，入岩3m)绕圆心均匀布置，箍筋采用φ8mm钢筋，间距10cm，锚碇高度1.5m，其中圆形部分高0.9m。

b.锚碇稳定性验算:

KW≤G+F

(6)

式中K——安全系数，取K=2；

α——锚碇钢丝绳与水平面的夹角，α=15°；

W——锚碇受拉力R后的垂直分力，W=4.85kN；

G——锚碇自重，G=38.5kN；

F——锚碇抗拔力，F=600kN(每个锚碇抗拔力取150kN)。

经计算，KW

5 浮船下水

5.1 浮船下水方式

根据现场地形，工程浮船采用纵向气囊下水方式。根据浮船体型及宽度，气囊采用单列布置方式。

5.2 滚动气囊选用

5.2.1 承载能力

a.根据浮船制作平台现场情况，地面具有较强的承载能力，气囊能全部均匀放置在浮船底部，气囊横截面即呈椭圆形状态，故选用承载能力较大的中压气囊。

b.由于坡道及浮船底部比较平坦，气囊受压较均匀，根据(CB/T 3795—1996)《船舶上排、下水用气囊》，选定滚动气囊直径D=1m，气囊工作高度H=0.5m满足安全要求。

5.2.2 气囊参数的确定

浮船下水时所需气囊数量按式(7)确定：

(7)

式中N——气囊数量；

K1——系数，K1≥1.2，取K1=1.3；

Q——浮船自重，Q=317t；

g——重力加速度，g=9.8m/s2；

Cb——浮船方形系数，Cb=0.968；

R——每米气囊允许承载力，实取R=55kN/m；

Ld——气囊与浮船接触长度，Ld=7.2m；

N1——气囊数量，一般取2～4只，实取4只。

经计算N1=14.54，取N1=15只。

5.2.3 气囊布设间距

气囊之间的中心间距应保证浮船结构强度，同时还应防止气囊之间叠压在一起，利用式(8)、式(9)进行校核。

L/(N-1)≤6

(8)

L/(N-1)≥3.14D/2+0.3

(9)

式中L——浮船底部摆放气囊的实际长度，实取L=70m；

N——滚动气囊的数量，N=15只；

D——气囊公称直径，D=1m。

经计算，L/(N-1)=5<6，3.14D/2+0.3=1.87。

结合下水工艺布置，确定气囊之间的中心距为5m。

5.2.4 下水系统主要部件受力分析

本工程浮船下水选用低速卷扬机，其放缆速度为9～13m/min。浮船下水时在坡道上受力分析见图1。

图1 浮船下水时在坡道上受力分解

浮船下水采用2台卷扬机牵引，下水移动时下滑力按式(10)计算，卷扬机钢丝绳牵引力按式(11)校核。

Fc=Qsinα-μQcosα+QV/T

(10)

F≥KFc/(Nccosα)

(11)

式中Fc——浮船下水移动时下滑力；

Q——浮船自重，Q=317t；

α——下水坡道坡度，α=8°；

μ——坡道摩擦系数，取μ=0.03；

T——卷扬机刹车时间，取T=5s；

V——浮船移动速度，取V=0.02m/s；

F——每台卷扬机卷扬机钢丝绳牵引力；

K——安全系数，K=1.2～1.5，取K=1.5；

Nc——每台卷扬机钢丝绳道数，取Nc=4；

β——牵引钢丝绳与坡道之夹角，β=5°。

经计算，Fc=35.97t，F=6.775t。

每台卷扬机实际牵引力为10t，满足设备的安全使用要求。

5.3 浮船下水

a.备足气囊、起重设备以及牵引卷扬机、空压机等。气囊使用前应经过空载充气检验，充气压力取1.25倍容许压力，保压时间不少于1h。

b.清除浮船下方的所有杂物和影响气囊滚动、浮船移动的障碍物。

c.采用钢丝绳将浮船固定于混凝土锚碇上，并与卷扬机动滑轮连接。

d.按计算的间距，在浮船下方摆放气囊。按规定气压对气囊充气，当浮船底部高于枕木，浮船重量全部承压于气囊上时，撤出全部枕木，适当放气调整使各气囊受力平衡。

e.所有气囊应对准浮船中心，并垂直于下水方向。承压于气囊上时，撤出全部枕木，适当放气调整，使各气囊受力平衡。

f.调整各气囊内压，使浮船降到适当工作高度，以保证浮船移动过程不碰触地面，间距控制在0.2～0.3m。

g.启动卷扬机，放出钢丝绳，使浮船借助气囊向水域移动。当浮船最后一只气囊脱离浮船底部后，立即抬到浮船下水方向前部，并按计算排放间距置入气囊。

h.重复上述过程，逐渐将浮船移至水边，直至无法放入气囊为止。

i.撤离危险区作业人员，通知浮船上的工作人员做好准备，当水深条件足够时，下令放绳，使浮船自由滑入水中。

j.回收所有气囊，测量浮船吃水深度，并检查有无漏水。

6 浮船运行

6.1 运行前准备

6.1.1 荷载试验

正式运行前，按照先空载试验，再采用自卸车装石渣进行压载试验，按先轻后重的原则进行试验，主要目的是检验浮船的承载能力及自备动力的可靠性。

6.1.2 倾斜试验

浮船倾斜试验的目的是确定浮船的重量及重心的实际位置。倾斜试验按照CB/T3035—2005《船舶倾斜试验》进行，记录测试数据以确定浮船重量及重心的实际位置，测试试验状态时的静水自由横摇周期。

6.2 浮船运行管理要求

a.配备熟悉浮船结构的工程技术人员，按规定数量配备浮船运行人员。

b.现场值班人员有效维持车辆通行秩序，有效控制车速，禁止车辆船面超车、调头，车辆应当单车单向通过浮船。

c.平时要随时注意锚缆的受力状态，使各锚缆均匀受力，经常检查连接销子有无松动或脱落，发现问题及时处理。

d.在水流作用下，锚缆会产生受力不均衡现象，某些锚缆受力过大，容易产生断缆。因此必须注意水位与流速的变化，提前做好排查隐患工作。

e.当下引航道流量超过警戒水位线之前，应将浮船移位至左岸岸边顺水流方向，增加锚缆与左岸边坡设置的锚碇进行锚固，根据水情预报及水位上涨情况增加临时锚固点。

6.3 运行工况

本浮船空载吃水约0.9m，根据船舶重量及重心，以及实际排水量等复核，当载重约110t的工程车驶入跳板时，艏部吃水1.25m，尾部吃水为0.58m；当工程车驶出时，艏部吃水0.277m，尾部吃水为1.56m。本浮船使用固定压载调整吃水，固定压载重量约150t。

浮船正常运行情况如图2所示，“2014.7.17”特大洪水期间锚固情况如图3所示。

图2 浮船正常运行

图3 浮船洪水期间锚固

7 结 语

构皮滩水电站通航建筑物下游引航道采用78m浮船作为过江通道及水下石方施工平台，有效解决了下游引航道右岸施工道路布置困难、水下开挖施工、安全防护要求高等难题，并在应用期间经受住了乌江流域“2014.7.17”特大洪水考验，浮船完好无损，保证了下游沿岸人民群众生命财产安全。该工程浮船渡江施工技术的成功实施，为水利水电工程渡江施工积累了一定的施工经验，可在今后类似工程施工中推广运用。

[1] 吴德馨.浮桥施工技术[M].北京:中国建材工业出版社,2000.

[2] 江正荣.建筑施工计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3] CB/T3837—2011.船舶用气囊上排、下水工艺要求[S].北京:船舶标准信息咨询中心,2011.

[4] GB/T8918—2006.重要用途钢丝绳[S].北京:中国标准出版社,2006.

[5] GB/T554—2008.带缆桩[S].北京:中国标准出版社,2009.