内河水域大型沉井浮运拖带作业关键技术研究

涂 彪， 刘敬贤

(1.武汉理工大学 航运学院， 武汉 430063；2.内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063)

0 引 言

内河水域航道宽度较窄，水深较浅，在此类水域进行船舶拖带作业的难度比在沿海水域大。尤其是在内河水域浮运拖带大型结构物时，易因水深不足而导致船舶搁浅，并因作业范围狭窄而增大拖带难度，从而对内河水域的通航安全构成重大威胁。因此，大型结构物浮运拖带作业一直是内河涉水工程研究的重点和难点。本文以常泰长江大桥5#墩沉井出坞和浮运拖带作业为例，对大型结构物浮运拖带作业关键技术进行研究。

常泰长江大桥跨江连接常州和泰兴两市，是长江上集高速公路、城际铁路和一级公路于一体的过江通道。该大桥于2019年开工建设，主航道采用双层斜拉桥，桥主墩(编号5#墩)采用沉井基础。5#墩沉井由江苏扬子鑫福船厂承建，建成出坞之后先靠泊到该船厂的1#码头，2 d之后由6艘大马力全回式拖船沿长江上行推荐航路右侧浮运拖带至5#墩施工现场，拖航总里程约为2.9 n mile，拖航速度为1～2 kn，预计2 h之内可抵达施工现场交由施工单位定位。

工程拖带水域为长江江苏段主航道，该航段码头众多，船舶进出频繁，为长江航道中最繁忙的水域之一。该水域船舶交通流密集，在该水域拖带大型无动力船的各项操作不仅关系到拖带船队的安全航行，而且关系到过往船舶的安全性和航道的畅通。为此，在拖带作业开始之前，采取封底助浮、疏浚和扫测等措施确保拖带水深满足要求；同时，针对出坞、离泊和浮运等3个阶段，对拖船配置、拖带方式和起拖时机等关键技术，以及拖航期间的安全保障和拖带注意事项等进行研究，保障此次沉井浮运拖带作业的安全性，为以后内河水域大型构件浮运拖带作业的开展提供参考。

1 沉井基本参数

5#墩沉井基础平面呈圆端型，立面为台阶型；沉井底面尺寸为95.0 m×57.8 m，圆端半径为28.9 m；沉井顶面尺寸为77.0 m×39.8 m，圆端半径为19.9 m；台阶宽度为9.0 m。该沉井分36个隔舱，外壁厚1.8 m，内隔舱夹壁厚1.4 m和2.0 m。

沉井建造示意见图1，其设计参数如下：

1) 沉井底节高为39 m(浮运至桥位处部分高度)。

2) 沉井浮拖部分重量为20 130 t。

3) 考虑封闭中间16个隔舱，自浮吃水为6.85 m。

4) 沉井纵向拖航时，迎水面宽58.2 m，平行水流方向长95.4 m；沉井在桥位处掉头时，迎水面宽95.4 m，平行水流方向长58.2 m。

2 施工水域水深分析

当不对沉井采取助浮措施时，其吃水为13.5 m，船坞内水深和航道水深均不能满足其对吃水的要求，因此需对沉井采取助浮措施。

2.1 出坞阶段阶段水深分析

对沉井36个井孔中的28个井孔增设钢结构封舱底板，封舱底板的面板在高度上距离沉井底部约1.1 m。这28个井孔的底部全部封闭之后，沉井吃水约为6.0 m，坞内封舱底板布置图见图2。

图1 沉井建造示意

图2 坞内封舱底板布置图

封底助浮之后，沉井吃水约为6.0 m，为确保拖带水深大于沉井吃水，防止沉井浮运过程中出现触底、搁浅风险，考虑留有1.0 m的安全裕度，即要求坞门至1#码头区域的水深至少为7.0 m。为此，于2019年10月27采用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)和多波速测深系统(声速可根据水温和盐度自动修正)对坞门和码头前沿的河床进行扫测，结果见图3。根据河床扫测结果，在低平潮期，坞门区域水深最小仅为5 m左右，在船坞内对沉井采取助浮措施之后，其吃水约为7 m，不能满足沉井出坞的要求，因此采用挖泥船提前清淤，使河床面与船坞底面(标高-6.8 m)基本齐平。

根据钢沉井制造进度，沉井预计在2019年12月下旬出坞。根据江阴站水位潮汐规律，结合船坞内实测水位数据，推测2019年12月22日—12月30日船坞内水深，具体见表1。

图3 坞门区域河床扫测结果

表1 2019年12月22日—12月30日船坞内水深

沉井起浮之后，其刃脚必须高于船坞内，最高坞墩和坞门坎，并留有一定的安全高度，以保证安全出坞。

沉井在船坞内起浮时的吃水为6 m，坞内底部为理论高程基准面，沉井垫墩高度为2.2 m，船坞内满足沉井出坞要求的水位的计算公式为

=++

(1)

式(1)中:为沉井吃水,=6 m;为船坞内最高坞墩的高度,=2.2 m;为安全高度,=0.5 m。由此可得，满足沉井出坞要求的水位为8.7 m。2019年12月22日—12月30日满足沉井出坞的时间段见图4。

根据船厂的计划，沉井于2019年12月28日16：30—18：30出坞，此时船坞内水深达10 m以上，满足沉井出坞对水深的要求。

2.2 沉井浮运拖带阶段水深分析

为增强5#墩沉井的稳性，在对其进行浮运拖带之前，需在1#码头拆除12个封舱底板。拆除封舱底板之后，沉井浮运助浮井孔布置图见图5。

封舱底板拆除之后，沉井吃水为8.5 m，考虑2.0 m的安全裕度，沉井从扬子鑫福1#码头浮运至墩位处的浮运拖带线路水深需超过10.5 m。查阅最新航道图水深，沉井浮运拖带线路水深约为14.5 m，满足沉井浮运拖带的要求。

2.3 定位阶段水深分析

为便于5#墩沉井定位，将其浮运至桥位转缆之后，须拆除封舱底板，最终沉井吃水约为13.5 m。2019年10月27日桥位处河床扫测结果见图6。

根据河床扫测结果，结合潮位数据，在低平潮期，沉井桥位处河床水深为14.5 m，能满足沉井转缆的要求。

3 浮运计算

沉井在水上拖航过程中受到水流、波浪和风等多种环境因素的影响，为确保其安全性，须在设计拖航方案时考虑沉井拖航阻力特性。针对沉井拖航阻力问题，可采用经验公式计算、物理模型试验和数值模拟等3种方法解决。本文采用《Towing》中的相关公式对沉井直航和掉头时的阻力进行计算，分析浮运过程中可能存在的风险。

3.1 直航时总阻力计算

沉井纵向直航时的吃水为5.35 m，对水最大拖带速度为3 m/s。海上被拖航物体所受阻力的估算公式可表示为

=115(+)

(2)

式(2)中：为拖航摩擦阻力；为拖航剩余阻力。图7为不同水速下单艘拖船阻力。

图6 2019年10月27日桥位处河床扫测结果

图7 不同水速下单艘拖船阻力RT

1) 《Towing》推荐的拖航摩擦阻力的估算公式为

=3522××××10

(3)

式(3)中：为被拖物的污底系数，新制钢沉井可取=04；为被拖物的水下湿表面积，=6 573 m;为拖航速度。由此可得，=83 kN。

2) 《Towing》推荐的拖航剩余阻力的估算公式为

=062×××

(4)

式(4)中：为被拖物的艏部形状系数，圆端型围堰艏部形状系数取05；为浸水横断面面积，=311 m。由此可得:=869 kN；=1 095 kN。

4 000 HP(1 HP≈0.746 kW)拖船的有效输出拖力约为360 kN。以2号拖船为例，3 m/s对水速度下单艘拖船的阻力为33.02 kN。若配置5艘4 000 HP拖船拖航，则拖航总阻力=1 260.1 kN。5艘拖船的有效输出拖力=1 800 kN>。

拖船配置5艘4 000 HP拖船拖航，1艘4 000 HP拖船备用，共6艘。

3.2 掉头之后的阻力计算

沉井在桥位处掉头时，吃水为5.35 m，对水拖带横向速度为1.5 m/s。=6 175 m；=19.6 kN；=712 kN；=841 kN。

为保障沉井拖航作业的安全性，沉井纵向拖航对水速度拟控制在3.0 m/s以内，沉井在桥位处掉头时的拖航对水速度控制在1.5 m/s以内。

3.3 缆绳计算

缆绳的安全系数取1.25，其最大拉力按600 kN设计。钢丝绳采用直径为φ60 mm、抗拉强度=1 870 MPa的钢芯钢丝绳，单根钢丝绳最小破断拉力=2 000 kN,安全系数为3.3。

3.4 Y#5红浮下游掉头合理性分析

根据营船港专用航道与长江主航道的平面布置关系，沉井船队从营船港专用航道驶入长江主航道可选航线有2条，即：在Y#5红浮下游掉头进入长江主航道；在营船港专用航道起点(苏桥#5左右通航浮)掉头进入主航道。最终确定采用在Y#5红浮下游掉头进入长江主航道的方案，其合理性主要体现在以下3个方面：

1) 该方案的转向角比其他方案小，便于掉头作业，能降低通航风险；

2) 苏桥#5左右通航浮距离苏通大桥较近，距离仅为2 200 m，沉井船队距离苏通大桥较近，且大桥上下游存在专属区，因此选择在Y#5红浮下游掉头能降低掉头风险;

3) Y#4红浮与Y#3红浮之间存在通常汽渡，若选择从Y#5红浮下游掉头，对通常汽渡的影响较小。

4 拖船编队

4.1 沉井出坞编队

1) 扬子鑫福船坞门打开以后，2艘5 000 HP拖船先进入船坞，用缆绳将拖船与沉井侧面12 m处拉耳连接；

2) 解开沉井圆端面一侧的1根缆绳，进入1艘6 000 HP拖船，与沉井圆端面一侧的拉耳连接(见图8)；

3) 3艘拖船带缆完成之后，采用吊机解除其余5根缆绳，完成解缆工作；

4) 沉井解缆作业完成之后，2艘5 000 HP拖船微微倒拖，1艘6 000 HP拖船控制沉井横移，确保沉井与船坞侧面保持一定的距离，1艘4 000 HP拖船与沉井圆端面后侧的拉耳连接，完成拖船坞内编队，见图9；

5) 在4艘拖船的配合下，沉井缓缓离开船坞，待沉井离开船坞约100 m之后，即完成沉井出坞作业。

4.2 沉井离泊编队

1) 沉井码头处的12块封舱底板拆除完毕之后，解除沉井码头靠岸系泊的缆绳；

2) 1#拖船和6#拖船按浮运过程中的拖带队形系缆；

3) 2#拖船和4#拖船前面挂缆倒拖；

4) 2#拖船和4#拖船向后拖拽，将沉井拖离1#码头50 m之后停止拖带；

5) 1#拖船、2#拖船、4#拖船和6#拖船临时稳定沉井；

6) 3#拖船和5#拖船从沉井右后方驶入，停靠在浮运编队位置，并带缆固定；

7) 2#拖船和4#拖船解缆之后重新按浮运编队位置带缆固定。

4.3 沉井浮运拖带编队

选用“4艘拖船绑拖，1艘拖船顶拖，1艘拖船倒拖”的拖带方案，1#拖船前面挂缆倒拖，4#拖船沉井左舷后编队(挂带3缆)，2#拖船(挂带2缆)左前编队，6#拖船解部后顶推；沉井离开码头约50 m之后，5#拖船右后编队，3#拖船右前带缆。整体拖船的拖带宽度为137.4 m，长度为247.54 m。经海事部门确认，该方案满足沉井拖带要求。编队完毕之后，在现场海巡艇和护航艇的维护下进入推荐航道，进行沉井航道浮运。沉井拖带路线见图10;沉井接缆示意见图11；沉井离泊编队见图12；拖船参数见表2；沉井拖船编队俯视图和侧视图分别见图13和图14。

图10 沉井拖带路线

表2 拖船参数

5 结 语

拖带是一项很复杂的作业，受天气、拖带设备和操作人员熟练程度等外界因素的影响较大。拖带的关键是合理地完成整个拖带过程，在任何情况下都不能使缆绳断裂。因此，本文结合此次沉井出坞和浮运拖带作业的特点，对沉井出坞和浮运拖带作业方案关键技术进行了研究。大型沉井拖带作业较为复杂，需在拖带之前制订合理的拖航方案，妥善处理拖带过程中可能遇到的各种情况，以保证拖带作业的安全性。本文的研究可供后续类似拖带作业的开展参考，以尽可能地避免安全事故发生。