港口工程中沉箱拖带着力点分析与应用

李春元（中交一航局第三工程有限公司，辽宁　大连　116083）

港口工程中沉箱拖带着力点分析与应用

李春元
（中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连116083）

为有效保证沉箱浮运拖带过程中的安全，减小拖带过程中对沉箱的损伤，通过受力状态理论分析以及相关影响因素的研究，结合《重力式码头结构设计与施工规范》的编写过程，参考多个实际工程案例的经验参数选取，对目前采用的围缆和预埋拖环的拖带方式存在的问题进行分析和应用研究，成果可供施工中借鉴参考。

沉箱；拖带；着力点；分析；应用

0　引言

港口工程中重力式码头具有结构稳定性高、荷载适应性强、使用耐久性好等特点，沉箱是重力式码头结构中最常用的一种形式，在渤海湾、福建、广东、海南等地区港口工程中广泛应用。沉箱下水的施工方法主要有吊装法、滑道下水法、半潜驳出运法、干坞出运法等，之后均需采用的一道工序就是水上沉箱拖带浮运。

沉箱拖运中无论是远距离还是近距离均应考虑如下因素：沉箱稳定性，即以定倾高度m值大小表示；沉箱的干弦高度决定是否密封，并应综合考虑拖带距离、波高、航速等因素影响；拖带力的大小；拖带方式；拖缆系缆方式；拖带着力点高度（即拖带点位置）等的计算设计。本文仅就拖带中常见的着力点位置进行分析，并提出设置方式。

拖带着力点的高度与拖缆的系缆方式有关。根据多年港口工程施工中实际使用经验，常用的系缆方式有3种：围缆方式、预埋拖环方式、直接拖带沉箱顶部吊环方式。

1　拖带着力点高度的理论计算方法

1.1计算方法一

拖运阻力与拖带力产生的倾覆力矩为0时，沉箱在拖运中比较平稳，可防止沉箱拖带中发生前倾。此时有：

故拖带着力点h=ΣFiHi/T

其中的水流及波浪阻力可按JTS 167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》中公式[1]：

1.2计算方法二

波浪阻力、水流（航速）阻力与风阻力也可分开计算，即：

式中各项分别采用以下公式计算：

1）水流力按JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》中公式13.0.1计算[2]：

式中取值参见《港口工程荷载规范》中13.0.2 及13.0.3条。

2）波浪力按JTS 145-2—2013《海港水文规范》中公式计算[3]：

而沉箱近程拖运时要求波高不大于1 m；远程拖运时要求波高不大于1.5 m。故沉箱前涌水高度δ最大值取0.9 m。

当波高小于1.0 m时，波浪力可按静水压力计算：

图1　沉箱围缆拖带示意图Fig.1　Hauling of a caisson with an encircled cable

3）风阻力按《港口工程荷载规范》中的公式计算[3]：

沉箱拖运时风速要求≤6级（10.8～13.8 m/s），计算取13.8 m/s。

1.3拖带着力点简化计算

关于风阻力F风，当干弦高度不大时，风阻力可以忽略不计。

关于波浪阻力F波，以加大A2的面积来近似的表示。

因此，拖带着力点可简化为h=0.5（T箱+δ）。

如波浪较小或忽略不计时，h=0.5T。因此有围缆一般选择系挂在沉箱吃水的1/2处的说法，理论上它可保持在航行过程中平稳，不至于因受力不均匀造成大幅度后倾或前倾。但是由于趋近临界值（倾覆力矩为0），容易在变化时造成后倾，一般工程实践中较少采用。

2　采用围缆方式时拖带着力点的设置方法

2.1拖带着力点设置

拖带着力点于沉箱重心附近稍偏上，是为避免沉箱后仰而将围缆位置系于沉箱重心之上，同时在沉箱前趾上设1个斜缆拉环与围缆的过渡缆联系在一起[4]，如图1所示。

增加斜缆可以改变沉箱拖航中的受力状态。一般情况下，围缆和斜缆同时受力，在航速一定时，围缆受力减小，增加沉箱稳定性。当沉箱前倾时，斜缆受力增大，将限制沉箱斜度加大，而且围缆位置在重心之上（>1/2吃水），一般情况下不会发生沉箱后仰现象。由于斜缆为固定点上受力，沉箱出现转动时，斜缆拉力所产生的转动力矩可将沉箱转回原状态。

如某工程的6种沉箱型号，按照经验选用的沉箱着力点位置进行拖带作业（如表1所示）[5]，拖运沉箱全部安全到达目的地。但用斜缆方法，在施工工序操作上带来一系列麻烦，因此近距离拖运或小型沉箱（一般来说吃水不超过10 m的沉箱）一般不采用。

表1　沉箱参数与拖带着力点高度Table 1　Parameters of a caisson and height of acting point of hauling

从表1中的吃水与围缆高度的数据可以看出：h=T/2+（0.03～1.57）。

2.2围缆位置选择

1）围缆于水位以上某一高度e，使其与拖船拖钩的连接线平行于水面。实际拖航过程中要保持平行是不太可能的，在拖带力作用及阻力作用下，沉箱发生前倾。

2）围缆位于水面附近。有的在水面以下1 m。在某工程中，10个沉箱拖运基本上是成功的，计算时拖力为16.5 t，航速3 kn。实际沉箱前倾1.5～2.0 m，前倾角度在12°～16°，如沉箱倾斜过大时可以调整围缆高度加以纠正。

3）围缆在吃水的2/3高度处，这种做法也是取重心以上，水面以下。在某工程中采用远距离拖运6个沉箱，每个都顺利完成。因此以后几个沉箱拖运着力点的习惯做法均以H=2/3T计算，都很顺利。

2.3倾覆力计算

倾覆力矩=0时，按规范公式简化为h=（T+δ）/2；又根据规范规定近距离拖运波高H≤1.0m，远距离拖运H≤1.5 m[6]，δ取H的0.6倍。

则近距离拖运为h=T/2+0.3；远距离拖运为h=T/2+0.45，考虑到拖航中的变化因素，取略大于计算的h值，拖运可偏安全些，故Δh取0.3～0.5 m。

则近距离拖运为h=0.5T+0.6；远距离拖运为h=0.5T+（0.8～1.0）。

如：T=8.0 m，则h=5 m，接近吃水的2/3。这样设置沉箱拖带着力点后，对拖带过程中的前后倾控制效果均可满足，大量实践证明也是比较安全的。

综上所述，围缆的位置（即拖带着力点）取在重心偏上均比较安全。因为高于倾覆力矩=0算出的着力点高度，在相对吃水数值较大的基础上进行较小的调整，不会产生后倾。当调整的数值偏大时，可能产生前倾角度，可通过降低航速来纠正偏差。如前倾角度大于15°，则可通过调整围缆高度来解决。所以围缆高度一般取在重心以上且在水面以下处。

3　采用预埋拖环方式时拖带着力点（即拖环）埋设位置

拖环的埋设方式一般选择在沉箱前进方向的两角处，如图2所示。

图2　沉箱拖环方式拖带示意图Fig.2　Hauling of a caisson with a pre-embedded towing ring

3.1拖环预埋位置设置

拖环埋于码头填土一侧，在水下不割去，则它的埋设位置可与围缆的位置一样，取沉箱重心偏上，并满足沉箱倾覆力矩=0，施工中往往考虑操作方便，省去潜水员系、卸缆绳，一般设置于水面之上，如同下面一种情况。

拖环设置影响沉箱安装及使用，要在安装前割去，则为避免水下切割，一般设置于水面之上0.3～1.0 m，便于系缆、卸扣、切割。这样拖带可能要产生前倾。如倾角太大，可调整箱内压载，让其在漂浮时适当后倾即可。如从大连拖运至锦州15个2 000 t沉箱，拖带着力点设于吃水线上0.5 m，压载时后倾0.5～1.0 m，15个沉箱均顺利到达锦州。

3.2对小沉箱近距离拖缆位置选择

当拖带沉箱距离较近（大多指在现场或预制场到储存场的短距离临时拖带）时，并且拖带区域内波浪条件较好，对拖带的航速要求也很低，采用的拖轮拖带力一般也较小，在能够保证足够安全的前提下，可选择系缆在沉箱顶面的拖环上直接拖带作业。此方法在多年的施工中也是有实际使用经验的。

4　两种拖带方式存在的问题及建议

4.1围缆拖带方式采取的措施及不利影响

1）对沉箱边角易造成磨损，需采取措施进行保护，但在实际施工中，保护措施易掉落或过于简易，难以达到预期的效果[7]。

2）处于棱角处的钢丝缆易磨损沉箱棱角，需包裹橡胶类材料进行保护，在拖带过程中，因长时间磨损窜动，容易直接对混凝土边角造成损坏。

3）需在沉箱四面设计吊缆，以保证围缆的高度固定在要求的高度位置。需要设置的吊缆绳数量较多，操作繁琐。

4.2预埋拖环方式采取的措施及不利影响

1）拖环若需在安装后水下切除操作困难，后续处理难度大。

2）若水下存在外露铁件，对沉箱混凝土的耐久性影响较大。

3）水下封堵混凝土施工难度大，质量控制难度大。建议处理方法：预留凹槽处埋设拖环，切除后封堵模板，浇筑混凝土，插捣混凝土密实，保证沉箱结构耐久性要求。待混凝土达到强度后，拆除模板及固定措施等，如图3所示。

图3　水下拖环处理方法Fig.3　Method for preparation of underwater towing ring

5　结语

综上所述，目前在相关规范中关于拖带着力点位置的设置方法没有统一规定，虽然在多年的工程实践中，各单位也总结出相应的施工经验和习惯做法，可以结合实际情况具体问题具体分析对待，不必拘泥于一种固定的方法。但根据多年从事沉箱拖带施工的经验总结来看，围缆拖带法一般都遵守对倾覆力矩=0计算出高度略有富裕，即在重心偏上的做法；对拖环拖带法一般都设在吃水线以上0.3～0.5 m左右，主要按照操作方便来选定。

随着项目施工管理模式的转变和经验丰富的技能工人的退出，实施作业层人员流动性大，成熟经验的积累相比过去发生了根本改变，工匠经验的传承在现代企业的发展中逐渐失去。沉箱拖带着力点的设置，涉及到沉箱拖带过程中的安全问题和结构使用耐久性问题，在施工中应予以重视，保证施工生产安全和工程质量。

[1]JTS 167-2—2009，重力式码头设计与施工规范[S].

JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]JTS144-1—2010，港口工程荷载规范[S]. JTS 144-1—2010,Load code for harbour engineering[S].

[3]JTS 145-2—2013，海港水文规范[S]. JTS 145-2—2013,Code of hydrology for sea harbour[S].

[4]中交第一航务工程局有限公司.港口工程施工手册 [M].2版.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Handbook for harbor engineering construction[M].2nd ed.Beijing:China Communications Press Co.,Ltd.,2015.

[5]中交第一航务工程局有限公司.水运工程沉箱出运拖带管理办法[K].1992.

CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Management method of caisson transportation and hauling in marine works[K].1992.

[6]中交一航局第三工程有限公司.锦州某工程沉箱长途拖带施工组织设计[R].2005.

No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd.Construction organization of caisson hauling in long distance in Jinzhou[R].2005.

[7]中交一航局第三工程有限公司.沉箱拖运施工工艺及操作规程[K].2013.

No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd.Construction technique and operation regulations on caisson hauling[K].2013.

Analysis and application of acting points of hauling of caissons in port engineering

LI Chun-yuan
（No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116083,China）

In order to ensure the safety of a caisson in the process of floating and towing and reduce the damage to the caisson in process of towing in an effective way,through the theoretical analysis of the stress state of the caisson in the floating and towing process and the research on the related influential factors,in combination with the preparationof Design and construction code for gravity quay,and with reference to the selection of empirical parameters in a number of practical engineering cases,this paper has focused on the analysis and application study of the existing problems in the currently used towing method with encircling cables and pre-embedded towing rings,and the research results may be used as reference for similar projects.

caisson;hauling;acting point;analysis;application

U656.111；U655

A

2095-7874（2016）08-0016-04

10.7640/zggwjs201608004

2016-05-19

2016-06-28

李春元（1973— ），男，辽宁大连市人，高级工程师，总工程师，主要从事港口工程、公路工程施工工作。E-mail：815738931@qq.com