夏俊橋，李　武

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇　連云港　222042；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00032）

桶式結(jié)構(gòu)氣浮及下沉模型試驗(yàn)研究

夏俊橋1，李武2

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海200032）

針對(duì)桶式結(jié)構(gòu)在淤泥質(zhì)海岸軟土地基上安裝中的氣浮和下沉關(guān)鍵技術(shù)，采用平面尺度1︰6，深度1︰2的鋼制模型桶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)海上氣浮拖運(yùn)模型桶，觀察桶式結(jié)構(gòu)氣浮拖運(yùn)時(shí)的吃水深度、擺動(dòng)幅度及干舷高度，歸納氣浮拖運(yùn)工藝和關(guān)鍵控制參數(shù)；通過(guò)排氣排水下沉，觀察桶式結(jié)構(gòu)下沉速度與排氣排水量的關(guān)系、下沉阻力及各個(gè)倉(cāng)格對(duì)桶體糾偏的效果，得出桶式結(jié)構(gòu)下沉工藝和糾偏工藝的控制指標(biāo)，確定桶式結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的關(guān)鍵控制參數(shù)，為桶式結(jié)構(gòu)施工奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

桶式結(jié)構(gòu)；氣??；負(fù)壓下沉

0　引言

在淤泥質(zhì)海岸建造防波堤、駁岸和圍堤等工程，通常采用斜坡式結(jié)構(gòu)形式。但隨水深的增加，堤身斷面工程量與水深成立方關(guān)系增長(zhǎng)，使砂石料用量急劇增加，進(jìn)而延長(zhǎng)施工工期和受風(fēng)浪影響的天數(shù)，導(dǎo)致工程投資增加。對(duì)砂石料缺乏、工期緊的重點(diǎn)工程，傳統(tǒng)斜坡堤方案受到限制。因此，設(shè)計(jì)提出的桶式結(jié)構(gòu)較好解決了該類(lèi)問(wèn)題[1-4]。

桶式結(jié)構(gòu)是由桶蓋、桶壁、隔板組成的多隔倉(cāng)混凝土空間薄壁結(jié)構(gòu)。桶蓋上設(shè)置的排氣排水裝置，可控制結(jié)構(gòu)浮運(yùn)、下沉及糾偏。相對(duì)傳統(tǒng)斜坡堤結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有標(biāo)準(zhǔn)化工廠預(yù)制、水上施工速度快、可開(kāi)設(shè)多個(gè)作業(yè)面、砂石料用量少、工程造價(jià)低等特點(diǎn)。但新結(jié)構(gòu)施工工藝尚不成熟，尚需深入研究。

1　模型試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

桶式結(jié)構(gòu)是一種倒扣杯體結(jié)構(gòu)，水上運(yùn)輸安裝工藝與沉箱結(jié)構(gòu)不同，為獲得桶式結(jié)構(gòu)水上運(yùn)輸安裝工藝，采用平面尺度1︰6，深度1︰2的鋼制模型進(jìn)行試驗(yàn)，收集該模型氣浮拖運(yùn)、下沉中的控制參數(shù)，為桶式結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2　模型試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

桶體模型材料側(cè)板和隔板選用10 mm鋼板，頂板選用12 mm鋼板。模型尺寸如圖1。

圖1　桶體結(jié)構(gòu)模型圖（單位：mm）Fig.1　Barrel structure model(mm)

2.2主要試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)設(shè)備Table 1　Testing Equipment

2.3管線(xiàn)連接和操作控制

1）管線(xiàn)連接

空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐和控制臺(tái)之間采用鋼管連接。氣體通過(guò)控制臺(tái)分成9個(gè)氣路分別采用φ8 mm橡膠管連接到桶體9個(gè)隔倉(cāng)的氣管閥門(mén)上。潛水泵通過(guò)φ80 mm橡膠管連接桶體各個(gè)隔倉(cāng)排水閥門(mén)，在進(jìn)水和出水管道上分別設(shè)置手動(dòng)閥門(mén)，潛水泵電纜連接至控制平臺(tái)，見(jiàn)圖2。

2）操作控制

圖2　管線(xiàn)連接圖Fig.2　Pipeline connection diagram

桶體9個(gè)隔倉(cāng)的排氣排水及充氣都由控制臺(tái)相應(yīng)閥門(mén)控制。控制閥門(mén)分為手動(dòng)閥門(mén)和電磁閥門(mén)，測(cè)試全程采用電磁閥門(mén)，如電磁閥門(mén)出現(xiàn)損壞失效，再啟用手動(dòng)閥門(mén)控制。

3　模型試驗(yàn)結(jié)果

桶體充氣起浮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　桶體充氣起浮試驗(yàn)記錄Table 2　Inflatable flotation test records for a barrel structure

由表2試驗(yàn)結(jié)果可得出，每個(gè)隔倉(cāng)壓力基本相同，隨吃水深度增加，倉(cāng)內(nèi)壓力變化不明顯。但吃水淺時(shí)調(diào)平靈敏度高，說(shuō)明穩(wěn)定性隨吃水深度變化而變化，即抗傾覆力矩相對(duì)于傾覆力矩變小。因此，推斷桶體氣浮時(shí)，要保證一定的吃水深度，以桶蓋板不上水為宜。

桶體負(fù)壓下沉試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　桶體負(fù)壓下沉試驗(yàn)記錄表Table 3　Test records for a barrel-structure being sunk under negative pressure

由表3試驗(yàn)結(jié)果可得出隔倉(cāng)排氣速度影響桶體穩(wěn)定性。入泥后，由于土質(zhì)不均勻性，桶體容易發(fā)生偏位，可及時(shí)采用邊倉(cāng)進(jìn)行糾偏，即停止下沉大一側(cè)潛水排污泵或真空泵，繼續(xù)抽下沉小一側(cè)邊倉(cāng)的水或氣。由此可以推斷排氣下沉?xí)r，控制好排氣速度，能夠保證桶體下沉穩(wěn)定性；在淤泥層中可以適當(dāng)放寬糾偏高差，即在高差超過(guò)50 cm時(shí)，再進(jìn)行糾偏，但在好土層，應(yīng)減小糾偏高差范圍，及時(shí)調(diào)整偏位。

4　理論計(jì)算結(jié)果

4.1氣浮計(jì)算

桶體結(jié)構(gòu)下水后，向桶體的隔倉(cāng)內(nèi)充氣，桶內(nèi)氣體處于受壓狀態(tài)，氣體壓力使桶體內(nèi)外形成水位差，桶壁形成的浮力和桶內(nèi)氣體形成的氣浮力使桶體浮于水面上，調(diào)整桶體內(nèi)的充氣量使桶體平衡。由于桶體采用多個(gè)隔倉(cāng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)在波浪、潮流等外力作用下發(fā)生小于6°的傾斜時(shí)，近似桶體重心位置不變，但重力產(chǎn)生的力矩使其繼續(xù)傾斜，即傾覆力矩MG。同時(shí)，各個(gè)隔倉(cāng)氣壓發(fā)生變化，導(dǎo)致各個(gè)隔倉(cāng)的浮力發(fā)生變化，構(gòu)成扶正作用的抗傾力矩MF（圖3）。

圖3　計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3　Calculation diagram

經(jīng)計(jì)算試驗(yàn)桶體氣浮吃水2 m、傾角6°時(shí)：

扶正比=MF/MG=1.15

試驗(yàn)桶體氣浮吃水3 m、傾角6°時(shí)：

扶正比=MF/MG=2.68

由計(jì)算結(jié)果得出，吃水3 m比吃水2 m的扶正比高，穩(wěn)定性調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

4.2桶體下沉力計(jì)算

設(shè)桶頂水深2 m，淤泥下沉側(cè)阻力為2.5 kPa，總下沉阻力：

桶壁內(nèi)外周長(zhǎng)δ=29.96×2=59.92 m

在淤泥中每下沉1 m阻力為P淤=59.92×2.5= 149.8 kN

下沉5 m總阻力P阻=149.8×5=749.0 kN

桶在水下浮重G浮=130.96/7.8×6.8=114.17 kN

憑自重可下沉深度h=114.17/149.8=0.76 m

當(dāng)桶內(nèi)水位至桶蓋板以下時(shí)，則桶蓋板上水體荷載為:

此時(shí)桶體可下沉h=2.65 m

抽真空負(fù)壓下沉所需壓力：

由計(jì)算結(jié)果可以得出，排氣自重下沉深度0.76 m，與試驗(yàn)排氣下沉深度基本一致。

5　結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)了桶體氣浮施工工藝的控制因素是桶體吃水深度和干舷高度。

2）通過(guò)排氣排水及負(fù)壓工藝可以實(shí)現(xiàn)桶體下沉安裝，而且還能調(diào)節(jié)桶體安裝的姿態(tài)，保證安裝精度。

3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，掌握了氣浮工藝和下沉工藝中管道連接方式和控制方法，檢驗(yàn)了施工設(shè)備的能力。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報(bào)告[R].2012.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2012.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計(jì)[R].2012.

CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012..

[3]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012（5）：42-47.

LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability tests of bucketbased structure[J].Hydro-science and Engineering,2012(5):42-47.

[4]李武，陳甦，程澤坤，等.水平荷載作用下桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2012（5）：14-18.

LI Wu,CHEN Su,CHENG Ze-kun,et al.Stability study of bucketbased structure on horizontal loading[J].China Harbour Engineering,2012(5):14-18.

Model study and research on flotation and sinking of barrel structures

XIA Jun-qiao1,LI Wu2
（1.Jiangsu Branch of CCCC Shanghai Harbour Engineering Company,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

For the key technologies for flotation and sinking of barrel structures to improve the soft ground on a muddy coast, model tests were carried out on site with a steel barrel model with its plan scale of 1:6 and its depth scale of 1:2.By floating and hauling the model barrel,the draft,swaying and freeboard of the barrel were observed and the technological process and the key control parameters for floating haulage of the barrel were summarize.By draining and lowering down the model barrel,the relationship of sinking speed of the barrel to the discharge of air and water from the barrel,sinking resistance and the effect of the cells upon the correction of the inclination of the barrel were observed,thus obtaining the control targets for the sinking and correction technology and determining the key control parameters for the construction process for barrel structures.The site model tests and results provide technical reference for barrel structure construction.

barrel structure;flotation;negative pressure sink

U656.2

A

2095-7874（2016）05-0035-04

10.7640/zggwjs201605009

2015-11-13

2016-02-12

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013663）；江蘇省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2013Y20）

夏俊橋（1977— ），男，安徽阜陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事港口與航道工程管理和技術(shù)管理、研究工作。E-mail：xiajunqiao@foxmail.com