科技信息 工程技术 箱筒型基础结构拖颇稳定胜与自沉深度硇分析、计算 天津临港工业港务有限公司 任会生 李英歌 毛维 ［摘要］本文通过大港油田埕海４号人工岛应急停靠点和栈桥的箱筒型基础结构拖航稳定性与自沉深度的分析、计算，得出箱筒在 浮运过程中的稳性条件、自沉可达到的深度及达到设计标高所需的负压值，并通过实践验证了这一计算。 ［关键词］箱筒 拖航稳定性 自沉深度 １、工程概况及工程难点分析 １．１工程概况 大港油田埕海四号人工岛在张海５井位处，位于海图０．５ｍ水深线 附近的浅海海域。张海５井位的大地坐标为Ｘ：４２６７１８５．８９，Ｙ： ２０５５９２１４．２６，工程所在海域西侧为河北省防潮堤，进海路总体垂直海岸 线，东偏北方向。此结构应用于栈桥及应急停靠点两个分部工程的基 础，其中栈桥采用８组（外形尺寸为１７ｍ Ｘ １８ｍ，单简直径８ｍ，高８．５ｍ） 箱筒型基础，上部为安装桥面板结构，栈桥总长１６９ｍ，基础长１５８ｍ。而 应急停靠点则采用２组（外形尺寸为２２．８ｍ×２２．８ｍ，单筒直径９．５ｍ，高 ９ｍ）箱筒型基础，上部为安装空心方块结构，应急停靠点平面尺寸为 ４６．５ｍ×２３ｍ。现场泥面设计标高为一２．８ｍ（高程基准面为黄海零点）。 １．２工程难点分析 （１）筒体气密性要求高，以确保气浮拖航的安全性； （２）基础结构无底有盖，重心偏上，浮心偏下，拖航过程的安全及稳 定控制难度大； （３）海上风浪较多，对拖带点加固要求较高，避免拖运过程中发生 开裂现象； （４）现场无掩护条件，施工区域水深较浅，受潮水影响较大； （５）基础结构处于气浮状态下定位，对控制工艺要求高。 ２、远距离箱简拖航稳定计算 ２．１应急停靠点箱筒拖航稳定性与自沉深度的分析、计算 ２．１．１应急停靠点箱筒拖航稳定性计算 急停靠点则采用２组（外形尺寸为２２．８ｍ×２２．８ｍ，单简直径９．５ｍ， 高９ｍ）箱筒型基础，上部为安装空心方块结构，应急停靠点平面尺寸为 ４６．５ｍ Ｘ ２３ｍ。现场泥面设计标高为一２．８ｍ（高程基准面为黄海零点）。根 据设计图纸，得知基础结构的质量ｍ＝１９９．９４ｔ，其顶盖的重量为 １ １４．６６ｔ，四个圆筒的质量为８５．２７９ｔ。 其中气体由两部分组成，一是四个圆筒里面有气体，令一个就是筒 间气体，其相对应的截面面积分别为２８３．５２ｍ ，１０４．３３ｍ：。 一 图ｌ应急停靠点箱筒立体图 图２应急停靠点箱筒平面示意图 筒体的整个重心高度Ｚｇ＝６．６８７ｍ， Ｚ （１ １４．６６ Ｘ ８．５＋８５．２７９ Ｘ ４．２５）÷１９９．９４＝６．６８７ｍ 单个圆筒的底面积Ａ，＝７０．８８２ｍ ，需排开１９５．０６３ｒｎ３的海水才能顺 利实现浮起。若基础结构在气浮拖航过程中发生摇摆，筒内气体高度及 压力均会发生相应的变化，对稳定性产生不利的影响。因此，需要对其 基础结构的初稳性高进行计算。 由于基础结构属于ｚ轴对称结构，因此其重心及稳心均处于ｚ轴 上。把坐标系的原点放置在基础结构底面的中心，则基础结构在水面上 的摇摆中心点坐标（ ，Ｙｏ）＝（０，０）。设每个基础圆筒在水面上的截面形 心坐标为（Ｘ ，ｙ ），则由Ｚ轴对称结构知ｘｒ￣＝ｙ ＝６．２５ｍ。基础结构摇摆稳 心半径的截面惯性矩为： ４ Ｌ＝Ｉ ＝ ｛Ａｉ＂ 一 ）＝７Ｏ．８８２Ｘ６．２５ Ｘ４＝１１０７５．３ｍ＂ －＝１ 从充气过程分析，基础结构气浮有两个临界状态点，一是不打气， 靠筒内原有的气体实现浮起，此时，干舷高度ｈ，和筒内气一水界面距静 水面的距离 计算结果如下：（假设此时箱筒间的肋板没有入水） 静 水面 一 ｛ ‘ 』 Ｌ 图３ 根据理想状态方程有ｐ ｖ。＝ｐｖ （１） 同水面压强相同有：Ｐｏ＋ｐ ｇｈ ＝ｐ２ （２） 根据结构的总重量与总气浮力平衡有：ｍｇ＝ｐ ｇｖ （３） 设浮运期阃在标准大气压下进行施工： １．０３ Ｘ１ｏ５Ｘ４Ａ．×８．５＝Ｐ２Ｘ４Ａ．×（ｈｌ＋ｈ ） （４） １．０３ Ｘ ｉ０ ＋１．０２５ Ｘ １０ Ｘ ９．８ Ｘｈ ＝Ｐ２ （５） ４ ＸＡ。Ｘ ｈ ＝ （６） 根据上述三个方程式得出ｈ ＝Ｏ．６８８ｍ，ｈ ＝Ｏ．５３ｍ相应的干舷高度 ｈ ７．２８２ｍ。 二是打气直至气体从简底涌出，此时ｈ。和ｈ 分别为７．８１２ｍ和 ０．６８８ｍ，ｈ ＝Ｏｍ。 带入以下公式进行计算： ｐ —ｉｉｘ Ｘ ｋ ； Ｉ等 （卜 ）； ａｘ＝ｐ一（ｚ ｚＢ） 图４ 式中，Ｐ为基础结构绕ｘ轴和Ｙ轴摇摆的稳心半径；Ｖ为与基础结 构重量Ｇ相等的水体的体积；ｋ 为浮筒的气浮力折减系数，表示气浮体 和实浮体在运动过程中浮力变化的差异；ｈ 为海平面上的标准大气压 力水柱高度； 为气浮结构重心点Ｇ的ｚ坐标；ｚ 为气浮结构浮心点Ｂ 的Ｚ坐标； 为基础结构的初稳性高。 经过计算，得知：ｈ ＝０．５３ｍ时，由于浮心在ｈ√２位置处，根据此结 构为对称结构，因此其浮心坐标为（Ｏ，０，０．８７４），结果为ｐ＝３２．９３，ｋ ＝０．５８， ２７．１１７ｍ＞Ｏ；ｈ ＝Ｏｍ时，其浮心坐标为（０，０，０．３４４），结果为ｐ＝３２．１８２， ｋ ＝Ｏ．５６６８，ａ￣＝２５．８３９ｍ＞０。 这说明无论如何往筒内打气，稳心始终在重心之上，基础结构倾斜 时其具有恢复能力，气浮状态保持稳定。 ２．１．２应急停靠点箱筒自沉深度的分析、计算 计算资料： （１）水位＋Ｏ．２ｍ，水深３ｍ，海水密度１．０２５ｆｆｍ （２）基础结构相关资料： ．－－——２８７．．．—— 科技信息 工程技术 浅谈太阳雒在建筇巾推广应用晌意义 青海三明房地产有限责任公司 张智安 现阶段，节能减排低碳经济已成为全民行动，中共十七大胡锦涛总 欧同等纬度条件下采暖能耗的２－４倍。 书记首提“生态文明”国家发改委下达文件《推进全国太阳能利用工作 能源消费结构的不合理给我国环境问题带来了巨大的压力，太阳 实施方案》，太阳能、风能等新能源的推广应用日渐成为节能减排的重 能作为清洁环保的可再生能源，已经被广泛应用于民用建筑当中，研究 要内容。考虑到便利性、可操作性和使用成本等因素，太阳能热水采暖， 表明，在太阳能利用方面具有经济价值的地区是年辐射总量高于２２００ｈ 生活热水与建筑一体化是实现建筑节能的理想选择。 的地区。因此，我国在大部分地区的建筑物中推广应用太阳能热利用技 西宁市地处纬度３６。３７ ，纬度１０１。４６ ，平均海拔２２９６．２ｍ，太阳能 术已具备了良好的条件，特别是对电力紧缺地区具有一定的经济效益 最佳倾斜角为当地纬度±１０。的范围，是我国太阳能资源较丰富的Ⅱ类 和社会效益，太阳能广泛应用于建筑物采暖不但节省大量的石化能源， 地区，水平面年辐射量５７１２ＭＪ／ｍ２．ａ，当地纬度倾角平面总辐射量６８７３ 而且减少了对不可再生能源的消耗。 ＭＪ，ｍ ．ａ。因此，在西宁地区通过太阳能热水系统同建筑物一体化的手段 三、经济 达到高效的利用太阳能资源，使其力争达到建筑物总耗能的６５％以上。 民用建筑采暖的迅速发展。导致了居民生活用电量迅速增加，由于 结合省情怎样充分利用现有的得天独厚的太阳能资源，达到环保、低 我国电力系统本身特点（火力发电占绝大部分），调解性能较差，且已经 碳、太阳能热技术应用在建筑中的推广意义非常巨大。 存在着很大的高峰低谷负荷差异，随着我国居民住宅采暖的发展，虽然 一、太阳能系统工作原理 其耗电量不大，但却进一步加大了这种峰谷差异，使得电力系统的发展 采用强制循环二次换热系统，采热、送热利用温差自动控制方法， 越来越不平衡，高峰负荷日益增加。因此这样会造成巨大的能源消耗和 辅助加热采用定时或手控方法。 严重污染，太阳能采暖将会给个人，国家都带来巨大的经济效益。 太阳能集热板经一段时间的光照作用，集热器出口温度Ｔｌ与集热 四、提高人民生活质量 水箱温差Ｔ （Ｔ。一Ｔ２≥１Ｏ℃）大于某设定值时（此温差可设置），集热循环 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，人们对生 泵启动将集热介质携带的太阳能热量通过二次换热将热量传给承压换 活舒适度的追求越来越强烈，尤其是偏远的农村地区，能源短缺，太阳 热水箱，当换热水箱温度（ ≥４５℃）达到低温采暖温度时（此温度可设 能在民用建筑采暖和热水供应，有效地减少了能源短缺的现状，提高人 置），采暖循环水泵启动向房间供暖，当△ ≤５～１０℃时，集热水循环 们的生活舒适度，改善居住条件及周边环境。 泵停机，但换热水箱温度（ ≤２５℃）时采暖循环水泵停机如此周而复 五、近年来 始完成太阳能热量的收集、储存、供应。生活热水直接从集热水箱中收 能源危机成为地区政治动荡和战争根源之一，化石能源的有效性、 取。当太阳能供热不足时，以辅助加热系统补充，辅助加热方法有燃气 不可再生性及对环境的危害性越来越突出，人类面临着巨大的挑战和 壁挂炉、电、柴薪、煤火炉等加热方法补充，用户可根据自身条件任意选 威胁，而建筑业是诸行业中的能源大户，据有关资料分析ＣＯ 排放量的 择，太阳能系统与辅助加热系统联合供热，以保证全天候的热水供应和 １／３是建筑能源使用过程中排放的。为使人类社会得以可持续发展，必 冬季低温辐射采暖要求。 须需求新的能源。因此，把永不枯竭、清洁、无污染的可再生能源——太 二、节能、环保、低碳 阳能应用于建筑中的采暖及生活热水是人类赖以生存和保证社会可持 我国的建筑能耗在全国能源消耗总量中的比例呈现出逐年上升的 续发展的能源。太阳能热水系统技术成熟、应用广泛、积极推广和使用 趋势，我国北方城镇采暖能源占全国总能耗的３６％，为建筑能源消耗的 新能源和可再生能源，对减少化石能源大气带来的污染，保护生态环境 最大组成部分，单位面积采暖平均能耗折合标准煤为２０ｋ￣ｍ 年，为北 有着重大意义。 （上接第２８８页） ＝【（２５．１７＋２５．０９５）ｘ４ｘ（８—３．２４Ｊ＋（２．５０６＋２．３１’７＋１．５０６＋１．３０８）ｘ４ｘ５］ｘＯ．２ｘ （４）现场钻孑Ｌ土层资料： １．１＋ｆ０．４２０９＋０．７２０９）ｘ４ｘ２０ 第一层：淤泥，厚１５ｍ（一２．８—一１７．８）； ＝３３５．４９３ｔ 第二层：淤泥质亚粘土，厚３．９ｍ（一１０．１４—．１４．０４）； 故基础结构下沉至设计标高需受到的单位负压力为ｐ＝Ｐ÷（４× 第一层淤泥ＩＬ＞１计算时，根据《土力学地基基础》和《港口工程桩 ５０．２６５）＝３３５．４９３／２０１．０６＝１．６６８ｆｆｍ 。 基规范》，得： ３、实际操作过程情况 摩阻力ｆ－１．１ｔ／ｍ 在箱筒拖运过程中，采用了２６００ｐ的拖轮，航速基本保持在２．５～３ 端阻力Ｒｙ＝２Ｏｆｆｍ 节，从天津港到施工现场３０海里的运距，拖航时间约１０～ｌ２个小时， ２．２－３基础结构自重作用人土深度ｈ计算： 期间遇到过３次５～６级的风浪，在这种情况下通过放气使箱筒下沉， 计算公式参考《港口工程技术规范》（ＪＴＪ２２２—８７）附录九压桩阻力 吃水深度在４～４．５米之间能够保持箱筒的稳定，到达现场浅海域范围 估算方法： 再充气上浮，保证正常作业，基础结构处于气浮状态下定位下沉，现场 Ｐ＝Ｕ・∑ｈ・ｆｉｙ＋Ｒｙ・Ｆ 无掩护条件且处风多地带，大多为北风或东北风，项目部充分利用大型 式中，Ｐ为基础结构自重减去其没入水中部分的浮力 船舶的自身优势形成了掩护条件，使之定位下沉顺利。 Ｐ＝１７６．５２一（４．２＋ｈ）×１．０２５ Ｘ １．２１＝１７１＿３１１－１．２４ｈ ４、结束语 ｈ一基础结构入土深度 通过此次箱筒型基础结构远距离拖航与现场沉放施工，充分验证 ｕ一基础结构底部截面周长 了箱简在拖航稳性与自沉深度的分析、计算，同时积累了外海作业经 ｆｌｙ＝０．２ｆ＝０．２ Ｘ １．１＝０．２２ｔ／ｍ ｆ０．２为动摩阻力系数） 验，也为今后此类工程施工打下了坚定的基础，为后期的施工人员大大 Ｆ一基础结构底端面积 提供了便利条件。 经过计算，得：ｈ＝３．２４ｍ 结论：在自重作用下，通过排气基础结构可人土３．２４ｍ。 参考文献 ２．２．４负压下沉力计算 ［１］《材料力学》 为使基础结构继续下沉至设计标高，须施加压力Ｐ： ［２］《结构力学》 Ｐ＝Ｕ・∑ｈ・ｆｉｙ＋Ｒｙ・Ｆ ［３］《港口工程技术规范》（ＪＴＪ２２２—８７） －－．——２８９－－———
