深水抛投船沉箱同步下沉机构研究

◎ 赵敏华 上海市水利工程集团有限公司

抛石护岸是我国长江、河湖和海堤采用块石、卵石或其他抗冲块体等材料抛填形成的使堤岸不受水流、风浪或潮汐侵袭和冲刷的工程措施。在深水且地形条件复杂，水流流速、流向复杂多变的区域进行精确抛投施工，目前较为成熟的是采用箱式深水定位抛投船。施工工艺为按设计要求，对施工区域进行数字化处理，划分电子抛投区格、计算每个区格抛投量后，将块石装入沉箱船上的沉箱中，通过沉箱船自带的GPS-RTK定位系统作精准定位，利用液压传动绞车、沉箱、限位装置等结构、动力系统进行联动操控后，将装有块石的箱体下放到接近河床面，打开底门，将块石抛投至河床的电子抛投区格，再将底门关闭、将箱体提至船体内，随即进行下一阶段块石灌装、下沉、箱体提升；如此循环抛投后使河床底形成连续的抛石防冲体，保护河床稳定减少冲刷。其抛石定位精度高，施工效率及抛石均匀度等均高于其他抛投机械的施工，该船集定位、装箱、投放为一体，施工质量保证率高。

该工艺关键是沉箱的沉放升降系统，抛投船上沉箱二边各采用一台电动或液压卷扬机同步下放四根边位钢丝绳进行升降，沉箱到达沉放水深高度时停止下沉，通过另一个升降系统的中位钢丝绳将沉箱底部两块底门板打开，从而实现精确抛石。整个沉放工作需要二个升降系统和二台绞车人工协同操作，在箱体沉放抛石的过程中，沉箱的上下两端分别采用不同的卷扬机操纵，设备复杂，且仅能依靠人为判断上、下两端卷扬机的同步性，难以同步协调，影响沉箱的平稳性，存在沉箱倾覆的危险，安全系数较低。本文结合抛投船沉箱沉放工艺研究提出采用液压传动同步装置和方法，克服以上技术缺陷，通过双向液压驱动装置同步操控上部机构和下部机构，保证沉箱平稳下沉，提高了沉放效率，降低了安全风险，在长江镇扬河段三期整治工程扬州市境内的世业洲左汊潜坝工程开展应用，发挥了较大作用，取得了良好的效果。

1.原有双卷扬沉放系统

箱式深水定位抛投船包括船体、吊机、电动卷扬机（绞车）、定位系统、测深仪、定位锚机、沉箱、沉箱沉放升降钢丝绳、限位器、操作系统等。见图1、图2。

图1 箱式深水定位抛石船平面图

图2 箱式深水定位抛投船作业示意图

原有沉箱沉放系统设备(如图3）包括二边各一台对称布置的电动或液压卷扬机，每台卷扬机通过传动轴驱动安装在其上面的卷筒，带动二根中位钢丝绳和二根边位钢丝绳进行沉箱的升降，完成沉箱的沉放工作，实现沉箱里的块石或抛投构件水下抛落。

图3 原有沉放系统设备布置图

由于二套系统各由一人操作，通过相互之间的协调或采用对讲机等方式进行协调，使得沉放同步进行。二套系统之间不关联、同步操作完全依靠人的判断，不精确性大，从而安全性和施工效率较低。

2.双向液压驱动装置

双向液压驱动装置由传动齿轮箱、支承座、主轴、齿轮联轴器、转角齿轮箱、传动轴、支架、中间支架、四角四个和中间四个十一齿链轮等组成（见图4），沉箱二边（图中为上下）对称布置。传动齿轮箱由带液压刹车的四台低速大扭矩液压马达组成，工作压力17MPa，系统流量500L/min，额定拉力1000KN，快转速11.5m/min，慢转速5.8m/min；十一齿链轮配链条为∅36船用有挡AM3。其中四角四个链轮和链条组成上部机构，中间四个链轮和链条组成下部机构。

图4 双向液压驱动装置布置图

图5 沉箱沉放设备图

装置由船上柴油发电机带动高压油泵使液压马达工作，驱动传动齿轮箱通过主轴和齿轮联轴器到二端转角齿轮箱，转角齿轮箱通过传动轴将力传递给四角四根十一齿链轮和中间四根十一齿链轮，从而驱动沉箱上下升降，在沉箱下沉到设定位置时，刹车定位装置动作，沉箱四角上的四根铰链停止下降，中间四根铰链是连接在沉箱底门的，它们继续下降后，打开底门，箱体内石块全部滑落河底。抛石完成后，关闭箱体底门，提升沉箱，提升至船体空仓内进行下一次的装石、沉放、提升过程的循环作业。整个沉放在控制室集中操作，液压马达驱动扭矩大，减少了在沉箱边的操作人员，沉放稳定安全、可靠。

3.工程应用

江苏省长江镇扬河段三期整治工程世业洲左汊潜坝工程位于镇扬河段世业洲北汊中下段、润扬长江大桥北汊斜拉桥上游2020m附近，左岸为新冒洲边滩，右岸为世业洲左缘。工程主要任务和作用是通过世业洲左汊口门护底和潜坝工程抑制世业洲左汊的发展，新建和加固护岸工程，使镇扬河段河势进一步趋于稳定和改善。工程包括主坝体、坝体抛石及上下游床面防护、左岸连接护岸三大部分。其中水下抛石工程量有368897m。工程2019年2月开工，2019年底完工；工程水下抛石采用安装有双向液压驱动装置的箱式深水定位抛投船进行施工，抛投最深处近20m。根据现场实际测量计算在平均水深14m情况下，每100m抛石耗时1.01小时，经第三方水下检测中心采用多波束测深系统全覆盖扫测，断面平均高程合格率和断面顶宽合格率均为100%，单元工程测点合格率97.22%。经测算分析，采用双向液压驱动装置的抛投施工比原有双卷扬沉放系统施工效率提高近40%，人工减少50%。

4.结语

通过对箱式深水定位抛投船沉箱沉放系统设备的研究，双向液压驱动装置和链条沉放液压锁定装置已获得国家专利局实用新型专利授权。

采用双向液压驱动装置的箱式深水定位抛投船沉箱进行水下抛石施工，特别是在深水区域和水流流速、流向复杂多变的区域施工，具有抛投精确、施工质量保证，施工效率高，施工作业较为安全，在长江等江河湖海抛石护岸工程施工中得到推广和进一步的应用。