(中国水利水电第十六工程局有限公司,福建 福州 350003)
构皮滩水电站通航建筑物由上下游引航道、3座钢丝绳卷扬垂直升船机和2级中间渠道(含通航隧洞、渡槽、眀渠)等建筑物组成。
由于下游引航道右岸地形陡峻,无法从外部修筑施工道路直达作业面。受机组发电影响,昼夜水位变化较大,流速快,施工平台固定困难。通过技术比选,决定采用浮船渡江,以解决人员、设备、材料运至右岸、开挖石渣运至左岸的交通问题。
a.浮船采用内河C级设计船体结构,为单甲板、单壳、单层底的钢质焊接结构趸船。浮船平面为长方形,长78m,宽8m,深2.3m,以满足行车道和防浪设施的需要。
b.浮船船舱空间无使用要求,可纵向、横向设置加劲桁架。全船舷侧采用横骨架式,其他均采用纵骨架式,并在主甲板车辆通道位置采用结构加强,肋骨间距500mm,纵骨间距500mm,满足载重100t工程车安全通过。
c.浮船两侧做成流线形,破浪效果较好。浮船吃水深度1.2m,在护栏底部按5m间距设置足够的横向泄水孔,排除雨水和漫过护栏的波浪。
d.浮船主要技术参数见表1。
表1 浮船主要技术参数
浮船由主体平台、跳板、跳板提升装置、甲板设备及辅助器材等组成。
2.2.1 主体平台
浮船主体平台主尺寸为78m×8m×2.3m,由1个舵机舱、1个机舱、1个燃油舱、25个空舱组成。
2.2.2 跳板及跳板提升装置
a.跳板主尺寸为7m×4m×0.5m,重约4.5t。
b.跳板提升装置布置在浮船的两端,用于实现跳板的翻转,由吊杆、提升钢索、导向滑轮组和电动葫芦等组成。
2.2.3 甲板设备
甲板设备包括带缆桩、锚、锚链、滚柱导缆器、闸刀掣链器及人力锚机、顶推架、发电机组和照明灯具等。
根据《船舶与海上设施法定检验规则 内河船舶法定检验技术规则》(2016年版)规范要求,内河B级船舶的最小干舷值为347.9mm,实际干舷值为1114mm,实际吃水值为1200mm。
浮船主要设备见表2。
表2 浮船主要设备
浮船舾装设备见表3。
表3 浮船舾装设备
在浮船的装配焊接和火工矫正工作结束后,即可进行浮船的密性试验。密性试验的目的是检查外板及有密性要求的舱室焊缝有无渗漏现象,以保证浮船的运行安全。浮船水下部分以及下水后无法检验的部分,应在浮船下水前做密性试验;其他部位的密性试验应在浮船建造完工后进行。
根据下游引航道河床地质、施工水位及施工条件,进行锚碇系统的选择和设计,浮船采用4个C30钢筋混凝土锚碇固定,并设φ36mm锚筋桩锚入基岩中,左右岸分别设混凝土锚碇2个。另外,为确保浮船汛期安全,在左岸边坡高程480~488m设置3m×3m×3m钢筋混凝土系船墩3个。
锚缆的受力来源于浮船水阻力、风力和浮船受载时的横向位移,最后传递给混凝土锚碇。
a.浮船水阻力R1:
R1=(fs+φF)V2×10-2
(1)
式中R1——浮船水阻力;
f——摩阻系数,钢质浮船取f=0.17;
S——浮船浸水面积,S=L(2T+0.85B);
L——水线浮船长度,L满载=77.235m,L空载=77.161m;
T——计算吃水,T满载=1.19m,T空载=1.144m;
B——水线浮船宽度,B=8m;
φ——阻力系数,流线型浮船采用5;
F——浮船入水部分在垂直水流方向的投影面积;
V——计算水流速度,按施工时汛期流速取V=3.0m/s。
经计算,R1满载=52.21kN,R1空载=50.45kN。
b.浮船风阻力R2:
R2=K1SW0
(2)
式中R1——浮船风水阻力;
K1——密实系数,浮船K1=1.0;
S——受风面积,S满载=140.448m2,S空载=144.01m2;
W0——基本风压值,该工程地处贵州省遵义市余庆县,最大风速16.1m/s,基本风压W0=0.162kN/m2。
经计算,R2满载=22.75kN,R2空载=23.33kN。
c.浮船总阻力R:
R=R1+R2
(3)
经计算,R满载=74.96kN,R空载=73.78kN,采用4根锚缆,每根锚缆受力为74.96/4=18.74kN。
d.钢丝绳锚缆:
K=αFg/R
(4)
式中K——为钢丝绳的安全系数,取K=4;
α——考虑钢丝绳之间荷载不均匀,系数α=0.82;
Fg——钢丝绳钢丝破断拉力总和;
R——1个主锚的受力,R=18.74kN。Fg=KR/ɑ=91.41kN。
为确保浮船运行安全,锚缆选用18×7+FC-32-1770右交互捻光面钢丝绳,其实际破断负荷为594kN。浮船甲板设计12个带缆桩,带缆桩选用A355型,每个带缆桩适用的缆索最大破断负荷为255kN。
e.钢丝绳锚缆长度计算:
(5)
式中L——丝绳锚缆长度;
l0——锚缆躺在河床上的长度;
l——悬缆长度;
h——河底到浮船顶面高度,取h=10m;
R——1根锚缆所受拉力,R=18.74kN;
q——锚缆在水中单位长度重量,按钢丝绳在空气中重量的0.7倍计,q=0.0274N/m。
经计算L=167.38m,取L=170m。
a.锚碇结构。浮船固定采用钢丝绳与C30钢筋混凝土锚碇连接,竖直方向圆形设计,直径0.6m(下部为1.5m×1.5m正方形),主筋采用4根3φ36mm锚筋桩(L=4.5m,入岩3m)绕圆心均匀布置,箍筋采用φ8mm钢筋,间距10cm,锚碇高度1.5m,其中圆形部分高0.9m。
b.锚碇稳定性验算:
KW≤G+F
(6)
式中K——安全系数,取K=2;
α——锚碇钢丝绳与水平面的夹角,α=15°;
W——锚碇受拉力R后的垂直分力,W=4.85kN;
G——锚碇自重,G=38.5kN;
F——锚碇抗拔力,F=600kN(每个锚碇抗拔力取150kN)。
经计算,KW 根据现场地形,工程浮船采用纵向气囊下水方式。根据浮船体型及宽度,气囊采用单列布置方式。 5.2.1 承载能力 a.根据浮船制作平台现场情况,地面具有较强的承载能力,气囊能全部均匀放置在浮船底部,气囊横截面即呈椭圆形状态,故选用承载能力较大的中压气囊。 b.由于坡道及浮船底部比较平坦,气囊受压较均匀,根据(CB/T 3795—1996)《船舶上排、下水用气囊》,选定滚动气囊直径D=1m,气囊工作高度H=0.5m满足安全要求。 5.2.2 气囊参数的确定 浮船下水时所需气囊数量按式(7)确定: (7) 式中N——气囊数量; K1——系数,K1≥1.2,取K1=1.3; Q——浮船自重,Q=317t; g——重力加速度,g=9.8m/s2; Cb——浮船方形系数,Cb=0.968; R——每米气囊允许承载力,实取R=55kN/m; Ld——气囊与浮船接触长度,Ld=7.2m; N1——气囊数量,一般取2~4只,实取4只。 经计算N1=14.54,取N1=15只。 5.2.3 气囊布设间距 气囊之间的中心间距应保证浮船结构强度,同时还应防止气囊之间叠压在一起,利用式(8)、式(9)进行校核。 L/(N-1)≤6 (8) L/(N-1)≥3.14D/2+0.3 (9) 式中L——浮船底部摆放气囊的实际长度,实取L=70m; N——滚动气囊的数量,N=15只; D——气囊公称直径,D=1m。 经计算,L/(N-1)=5<6,3.14D/2+0.3=1.87。 结合下水工艺布置,确定气囊之间的中心距为5m。 5.2.4 下水系统主要部件受力分析 本工程浮船下水选用低速卷扬机,其放缆速度为9~13m/min。浮船下水时在坡道上受力分析见图1。 图1 浮船下水时在坡道上受力分解 浮船下水采用2台卷扬机牵引,下水移动时下滑力按式(10)计算,卷扬机钢丝绳牵引力按式(11)校核。 Fc=Qsinα-μQcosα+QV/T (10) F≥KFc/(Nccosα) (11) 式中Fc——浮船下水移动时下滑力; Q——浮船自重,Q=317t; α——下水坡道坡度,α=8°; μ——坡道摩擦系数,取μ=0.03; T——卷扬机刹车时间,取T=5s; V——浮船移动速度,取V=0.02m/s; F——每台卷扬机卷扬机钢丝绳牵引力; K——安全系数,K=1.2~1.5,取K=1.5; Nc——每台卷扬机钢丝绳道数,取Nc=4; β——牵引钢丝绳与坡道之夹角,β=5°。 经计算,Fc=35.97t,F=6.775t。 每台卷扬机实际牵引力为10t,满足设备的安全使用要求。 a.备足气囊、起重设备以及牵引卷扬机、空压机等。气囊使用前应经过空载充气检验,充气压力取1.25倍容许压力,保压时间不少于1h。 b.清除浮船下方的所有杂物和影响气囊滚动、浮船移动的障碍物。 c.采用钢丝绳将浮船固定于混凝土锚碇上,并与卷扬机动滑轮连接。 d.按计算的间距,在浮船下方摆放气囊。按规定气压对气囊充气,当浮船底部高于枕木,浮船重量全部承压于气囊上时,撤出全部枕木,适当放气调整使各气囊受力平衡。 e.所有气囊应对准浮船中心,并垂直于下水方向。承压于气囊上时,撤出全部枕木,适当放气调整,使各气囊受力平衡。 f.调整各气囊内压,使浮船降到适当工作高度,以保证浮船移动过程不碰触地面,间距控制在0.2~0.3m。 g.启动卷扬机,放出钢丝绳,使浮船借助气囊向水域移动。当浮船最后一只气囊脱离浮船底部后,立即抬到浮船下水方向前部,并按计算排放间距置入气囊。 h.重复上述过程,逐渐将浮船移至水边,直至无法放入气囊为止。 i.撤离危险区作业人员,通知浮船上的工作人员做好准备,当水深条件足够时,下令放绳,使浮船自由滑入水中。 j.回收所有气囊,测量浮船吃水深度,并检查有无漏水。 6.1.1 荷载试验 正式运行前,按照先空载试验,再采用自卸车装石渣进行压载试验,按先轻后重的原则进行试验,主要目的是检验浮船的承载能力及自备动力的可靠性。 6.1.2 倾斜试验 浮船倾斜试验的目的是确定浮船的重量及重心的实际位置。倾斜试验按照CB/T3035—2005《船舶倾斜试验》进行,记录测试数据以确定浮船重量及重心的实际位置,测试试验状态时的静水自由横摇周期。 a.配备熟悉浮船结构的工程技术人员,按规定数量配备浮船运行人员。 b.现场值班人员有效维持车辆通行秩序,有效控制车速,禁止车辆船面超车、调头,车辆应当单车单向通过浮船。 c.平时要随时注意锚缆的受力状态,使各锚缆均匀受力,经常检查连接销子有无松动或脱落,发现问题及时处理。 d.在水流作用下,锚缆会产生受力不均衡现象,某些锚缆受力过大,容易产生断缆。因此必须注意水位与流速的变化,提前做好排查隐患工作。 e.当下引航道流量超过警戒水位线之前,应将浮船移位至左岸岸边顺水流方向,增加锚缆与左岸边坡设置的锚碇进行锚固,根据水情预报及水位上涨情况增加临时锚固点。 本浮船空载吃水约0.9m,根据船舶重量及重心,以及实际排水量等复核,当载重约110t的工程车驶入跳板时,艏部吃水1.25m,尾部吃水为0.58m;当工程车驶出时,艏部吃水0.277m,尾部吃水为1.56m。本浮船使用固定压载调整吃水,固定压载重量约150t。 浮船正常运行情况如图2所示,“2014.7.17”特大洪水期间锚固情况如图3所示。 图2 浮船正常运行 图3 浮船洪水期间锚固 构皮滩水电站通航建筑物下游引航道采用78m浮船作为过江通道及水下石方施工平台,有效解决了下游引航道右岸施工道路布置困难、水下开挖施工、安全防护要求高等难题,并在应用期间经受住了乌江流域“2014.7.17”特大洪水考验,浮船完好无损,保证了下游沿岸人民群众生命财产安全。该工程浮船渡江施工技术的成功实施,为水利水电工程渡江施工积累了一定的施工经验,可在今后类似工程施工中推广运用。 [1] 吴德馨.浮桥施工技术[M].北京:中国建材工业出版社,2000. [2] 江正荣.建筑施工计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2013. [3] CB/T3837—2011.船舶用气囊上排、下水工艺要求[S].北京:船舶标准信息咨询中心,2011. [4] GB/T8918—2006.重要用途钢丝绳[S].北京:中国标准出版社,2006. [5] GB/T554—2008.带缆桩[S].北京:中国标准出版社,2009.5 浮船下水
5.1 浮船下水方式
5.2 滚动气囊选用
5.3 浮船下水
6 浮船运行
6.1 运行前准备
6.2 浮船运行管理要求
6.3 运行工况
7 结 语