影响浮体使用效果及寿命的问题与合理化建议

高志华 吴丹

在湖中或河道等深水的喷泉设计中，为满足设备升降、防冻、安装、维修、抗击波浪及喷水反作用力等诸多特殊的功能要求，越来越多浮体结构出现在实际工程当中，现阶段行业内常见的浮体主要包括：升降式浮体、漂浮式浮体[1]。

升降式浮体浮力大于全部设备重量，在不受外力情况下设备能全部浮出水面。浮体底部按照设计点位安置拉力桩或沉降块。采用水下卷扬机通过滑轮钢丝绳连接水下沉块或拉力桩，并通过卷扬机收放钢丝绳来调节浮体及设备的位置，其优点为：浮体可按照水位的变化调节浮体高度，保证喷泉表演；维修时浮体可完全浮出水面，拆换及维修方便；对于北方结冰的地区，冬季可将设备沉入水下防止冻坏设备；有水面美观要求的区域，不表演时浮体设备可沉入水下；表演时，浮体较为稳固，不会产生晃动。缺点为：浮体卷扬机、钢丝绳、拉点等位置常年受力，使用几年后材料疲劳易发生损坏，维修维护成本费用高。

漂浮式浮体结构分上下两层，上层为浮管，下层为钢架平台或浮管平台。喷泉设备安装在下层平台上。浮体及设备安装完成后，浮体上层浮管在大概漏出水面1/4～1/3 的高度位置漂浮。浮体依靠锚链及定位桩固定及限位，不能升降。其优点为：结构简单，造价低，浮体几乎不会发生故障；浮体可自动随水位变化，随时保持表演状态。缺点为：维修设备时，需在水下拆换设备；面积较小的漂浮式浮体在有风浪时会有晃动。

考虑浮体可实现人为控制，工程上大多采用升降式浮体结构。浮体升降系统的最主要功能为，实现计算机控制下浮体在一定行程内自由升降，产生一定的预浮力，抵抗喷水的反作用力及维修产生的载荷；第二项作用及功能，也是设计中必须认真考虑的问题，即水体在风成波浪的影响下，设备抗击波浪，减少波动，结构避免疲劳破坏等问题，此项是在浮体设计中更为重要的技术关键。本文就影响升降式浮体结构使用功能和寿命的几个主要因素进行简单分析讨论，为浮体系统的制作和使用提供参考。

1.抗击波浪能力计算

依据工程规范中推荐的波浪计算公式，按可能出现的6 级～7 级风的标准，计算湖中水面的波高与波长。

先确定计算公式中要用到的参数：7 级风的风速v 查表得13.9m/s～17.1m/s，取v=17.1m/s；湖面的最大吹程为D，取D=0.3Km；7 级风产生的水波波高为2h，波长为2L。

再根据水力学计算公式进行计算：

2h=0.0166v5/4D1/3=0.0166×34.77×0.669=0.386m；2L=10.4（2h）0.8=4.856m；根据同样的计算公式可以算出6 级风的波高和波长2h=0.296m、2L=3.92m。

上述计算说明，当出现6 级～7 级风时，问题就显而易见：当2h 在0.296m～0.386m 之间时，浮管的顶部已经露出水面，这样风浪对浮体的影响就会很大。当2L 在3.92m～4.86m 之间时，当设计中拉点间距在1.5m～2m 时，正好等于半波长，这会使设备产生共振。产生共振的结构必然产生设备结构的变形、疲劳、断裂，拉绳力的变化产生疲劳，铆钉的拉脱，浮箱连接断裂等诸多问题[2]。此种现象在实际的工程中已有发生：如辽宁沈阳棋盘山水库中百米浮体，由于波动产生的结构断裂，至今沉入湖底，全部报废；门头沟水库中，由于管理不善，设备浮在表面，设备波动导致水中固定于柱上的卡子大幅提升的现象。根据波浪力学理论，波浪对水中物体的压力随水深而锐减，当水深增加到半波长时，物体受到的力为表面受力的5%，因此，水中较大体积的实体结构应尽量地置于深处。

2.浮管材料的选用

目前浮管的材料多采用PVC 管或者防水碳钢管[3]，由于浮体音乐喷泉项目位于自然湖水、人工湖水等体量较大水域，浮体系统建设面积较大，为保证浮体完好的整体性以及浮体上方设备安装便捷性，建议采用碳钢管作为浮体制作材料，一方面采用碳钢管作为浮体材料，制作浮体施工方式为焊接，强度高，不易出现裂缝、断开等质量问题，而PVC 管虽然具有质轻价廉等优点，但由于加工采用胶粘方式，随着喷泉设备表演振动，胶粘处容易产生松动脱落，导致升降系统无法正常工作；另一方面，喷泉设备一般为不锈钢或者其他防水金属材质，浮体系统基础材料采用防水碳钢管，喷泉设备支架与其可以采用螺栓、焊接等方式，同时可以保证浮体系统具有足够强度支撑设备重量及其喷射反作用力。

3.浮管安装位置

浮管放在浮体平台设备基准面的上部，第一个缺点就是浮体的钢结构平台不能够浮出水面，不论是维修还是二次防锈处理都是不可能的，而浮管布置在平台的下部，则所有的钢结构将全部升至水面之上，方便设备的安装与维护。

第二个缺点是在风力及波浪较大时，浮管作为体积最大的设备，吃入水下的深度对整个平台的抗扰动能力有决定性的影响。在计算示例中我们可以清楚地看到，当喷泉表演时，浮管位置越低，浮体的抗干扰能力就越好，而浮管越高，浮体的抗干扰能力也就越差。

以上两点为主要方面，还有比如浮管安装、拆卸是否方便等问题都充分的说明，浮管的位置在钢架之下是合理的。

4.增加信息反馈系统

对于浮体面积过大，长度过长（超过100m）的浮体系统结构，由若干台卷扬机拉动，很难保证浮体的同步性，这样就会对结构产生破坏，尤其是对拉杆、管路等整体上部设备；由于拉点太多，拉力的调整难以精确均匀，拉力不均很容易造成局部拉力过大，对个别的拉点造成破坏性影响，一旦一点出了问题，更会影响到其他受力点。

因此建议增加信息反馈系统，每台卷扬机处增加至少一套液位传感器，对每台卷扬机进行单点精准控制，保证浮体系统上升或者下降过程中整体水平度保持在设计要求范围内，防止因拉力不均匀而导致钢绳断裂、铆钉拉脱等事故。在液位传感系统安装时，安装方向应该为垂直安装，安装的位置应该位于水面波动较小的部位，同时应避免自然水体中泥沙或者淤泥等污物进入，防止影响检测结果，同时应考虑测量介质、温度、测量量程、信号输出要求、以及连接电缆线的长度等因素。

同时，也应采用分块布置的形式，例如，将100m 长的浮体分成三组，每组长33m，宽为6m，这样可以保证单体浮体的同步性。

5.卷扬机的选择及安装

单筒卷扬机虽然结构简单，操作和移动方便，但是更容易造成钢丝绳受力不均匀，影响钢丝绳寿命及升降系统的效果，因此建议使用双出头多联式卷扬方法，电机同时带动二个转筒工作，可以很好地解决拉力不均的问题；卷扬机应规范安装，保证其正确缠绕，钢丝绳应排列整齐，禁止钢丝绳相互错叠，钢丝绳引出方向为卷筒下方，出绳方向应保持水平或者接近水平，防止钢丝绳扭转拉断，卷扬机安装螺栓牢固可靠，卷筒中心与其最近的导向轮中心线垂直，否则卷筒工作时极易产生钢丝绳脱离滑轮槽或者钢丝绳与导向轮翼轮磨损断裂等问题而导致浮体系统失效；滑轮系统亦采用动滑轮结构，这样不但可以节省拉力进而降低卷扬机的功率，少量拉点及采用高强度的主架结构，利用了大跨度钢架的自适应性，保证了钢绳的安全性，强度的提高也使得设备整体结构的抗疲劳性能大大改善。

6.浮体的浮力调节措施

为了更好展现喷泉表演效果，喷泉设计人员往往在不同曲线造型上设置不同形式的喷头设备，喷头设备重量不相同，导致不同区域浮体浮管上所受的压力也不同，因此建议安装设计采用分区域封闭的方式，即可采用内置盲板焊接，不同方向的均单独封闭密封形式，以此保证分段区域浮力可调节。区域封闭的另一好处是：某一点浮管发生渗漏情况，不会影响整个浮体，同时可通过某一段浮管注水的方式减小浮体的浮力。

此外，在设计浮体时，为应对浮体上安装设备的一些变动，计算浮力都会将理论的净浮力加大一些，避免浮力不够的情况发生[4]，以下表格为常用浮体浮管浮力计算表格。

浮体一般采用325mm～530mm 钢管作为浮管。其浮力计算见表1。

表1 浮体钢管的选用及浮力计算表