急流河段工程船锚缆布置方法的应用与研究

姚方明，梁 进，农志祥，肖建国，陆少锋

（广西新港湾工程有限公司，广西南宁 530200）

引言

本文以急流河段工程船锚缆布置方法为研究对象，设计出双锚缆控制锚机，显著减少锚机占位，集中控制锚缆的收放；运用流体力学、流体动力学原理进行受力分析计算，设计出船艏两锚缆“八”字形布置，船艉一锚缆与四横缆布置的七锚缆布置方法，船艏两锚缆与靠近船艏的横缆组成三角稳定性结构，使工程船在急流环境下保持稳定，不易发生移位、稳定时效长，能够提高工程船在施工过程中的效率，可移船范围大，有效工作面广，减少了抛锚次数，解决了工程船在急流环境下易移位、施工困难的问题，使急流状态下爆破作业得以正常开展。

1 施工设计及确定锚数

根据施工组织设计要求，按照工程船的钻爆参数、岩层特性、流速、风向、旋涡的条件进行钻孔优化设计，选择适合施工区钻孔的孔距a、排距b，绘制钻孔设计图，对工程船在急流区极端工况进行受力分析计算，确定抛锚的数量，锚缆直径；工程船施工时向水中抛设锚缆、放套管、定位桩也受水流力作用，计算时工程船、套管、定位桩均取最大流速进行受力计算；受风力作用有四周八个方向，受力部位为工程船水面以上迎风面，根据施工区风玫瑰图及各风向的最大风速进行分析，风荷载计算时取最大风速计算。

1.1 风荷载计算

式中：Wk为风荷载（kPa）；μs为风荷载体型系数；μz为风荷载高度变化系数；W0为基本风压（kPa），W0=（1/1600）V2，V取历史同期最大风速。

1.2 水流力计算

1）典型航道断面垂线流速分布

极限施工水位时，最高水深11 m，最大流速5.0～5.2 m/s，选择最高施工水位时测量垂线流速分布。

2）典型航道断面平面流速分布

在横断面上加密设置测流垂线，从安全考虑，取各条垂线的最大流速作为锚缆斜拉或横跨航道在垂直水流方向上投影的流速分布。

式中：F为水流力（kN）；Cw为水流阻力系数；ρ为密度（kg/m3）；V为水流流速（m/s）；A为船舶在与流速垂直平面上的投影面积（m2），即迎水面积；取最大流速计算水下部分船体受力。

如图1所示，主流力Fz、横流力Fh，旋涡力Fc和回流力Fb等水流力计算公式一致，以F表述。

图1 工程船受力示意

1.3 锚缆受力

最高施工水位航道水深11 m，最大流速5.2 m/s，两条前主缆覆盖50 m的航道施工范围，后主缆按垂直流速分布计算受力；主缆典型施工状态有三种情况；四横缆覆盖河面有效宽度为基准。

1.4 套管受力计算

最高施工水位航道水深11 m，用五点法计算垂线平均流速，用垂线平均流速计算水流力，6根套管同时进入水底进行计算。

1.5 定位桩受力计算

最高施工水位航道水深11 m，用五点法计算垂线平均流速，用垂线平均流速计算水流力，4根定位桩同时下到水底进行计算。

1.6 锚重计算

每个主锚重量按经验公式进行估算：

式中：K为系数；D为船舶排水量（t）。

1.7 确定锚数

通过上述受力分析计算，使用七锚缆布置方法能够满足工程船施工过程的稳定要求。当工程船在航道中心区域施工时，船艏主要受水流力、风力，船艏易发生偏移，使用“八”字形两锚缆，船艏布置呈三角形，船艏稳定；当工程船在航道中心两侧区域施工时，工程船船艏主要受主流力、横流力、旋涡力、风力影响，船艉主要受横流力、旋涡力、回流力和风力影响，故船艏、船艉两侧各布置一套锚缆，四套锚缆共同抵御横流力、旋涡力、风力影响，船艉布置一套锚缆抵抗回流力、风力影响，如此形成的七锚缆布置方法，极大提高船舶施工过程的稳定性和定位精确度。

1.8 确定锚位

锚位是根据抛一次锚尽可能完成多排孔施工，并在完成钻爆后能将工程船快速移动到下一排孔进行施工的原则来确定，在施工区范围，根据钻孔设计图确定各个锚位，获取各个锚位的经纬度坐标，然后将坐标输入到锚艇导航仪中。

1）检查锚缆系统

对锚缆系统进行检查，包括对锚机的控制开关、润滑效果、清洁度、刹车情况、锚缆排缆情况、锚缆磨损断丝、腐蚀情况、导缆器、锚、锚头浮筒等项目进行检查。

2）工程船进入施工区

锚缆系统检查好并将施工区和锚位的经纬度坐标输入锚艇导航仪后，将工程船移到前主锚锚位附近，运用三角形稳定性原理将两前主锚锚缆“八”字形布置。用锚艇将前主锚拖到锚艇导航仪指定的锚位抛下，再将工程船移到施工区，粗略将工程船固定在施工区域。

3）抛锚并收紧锚缆

工程船在施工区大致固定后，按导航仪指示的锚位，用锚艇按既定顺序将各个锚拖到指定锚位抛下，再启动工程船上各个锚机，将锚缆慢慢收紧，使锚牢固抓地，稳定工程船，校核方位角，完成抛锚作业。

4）调整船位船向

将锚机转速调至最低，缓慢收放锚缆微调工程船位置，根据设计图进行船位校核，使显示的工程船位置、船向等与设计相符。

2 锚缆工作原理

1）挂锚

在锚缆的自由端挂上锚，扎紧，完成锚缆挂锚工作。（图2）

图2 锚缆布置

2）抛锚

打开锚机，放出一段锚缆，将锚和锚缆放到锚艇上并将锚缆绑扎在系缆桩上，开动锚艇将锚及锚缆带出，工程船配合锚艇控制锚机将锚缆放出，锚艇驶到抛锚位置后，解开锚缆，将锚和锚缆抛入水中，完成工程船抛锚工作。

3）启动锚机

完成抛锚工作后，启动锚机收入锚缆，将锚缆收紧，使锚嵌入水底牢固抓地，稳定工程船。

3 结语

急流河段中施工，作业条件复杂，工程船受外力作用影响，使用传统的锚缆布置方法易发生方向移位，使施工过程孔位定位困难，无法正常施工。本文提出“七锚缆”布置方法，船艏两锚缆与靠近船艏的横缆组成稳定三角结构，使工程船在急流环境施工过程中不易发生移位、稳定时效长，可移动范围大，有效作业面广，减少了抛锚次数，解决工程船在急流环境下易移位、施工困难的问题，显著提高工程船在施工过程中的效率。