長(zhǎng)江航道整治工程惡劣工況深水鋪排懸鏈線理論研究及應(yīng)用

馮海暴

（1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

長(zhǎng)江航道整治工程惡劣工況深水鋪排懸鏈線理論研究及應(yīng)用

馮海暴1，2，3

（1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101）

結(jié)合長(zhǎng)江南京以下 12.5m 深水航道一期工程，應(yīng)用懸鏈線理論詳細(xì)分析計(jì)算了作業(yè)水深 35m、流向角 20°、流速 2m/s工況下的鋪排排體受力情況，并對(duì)異步放排移船工藝進(jìn)行了優(yōu)化，提出了鋪排初次下排排頭控制方法，給出了鋪排作業(yè)中的一次最佳移船長(zhǎng)度。將計(jì)算理論進(jìn)行了 35m 水深的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，兩者吻合。在鋪排作業(yè)時(shí)，可參考懸鏈線理論應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)施工。

長(zhǎng)江航道；鋪排；懸鏈線；水流力

1 工程概況

長(zhǎng)江南京以下 12.5m 深水航道一期工程整治建筑物工程位于長(zhǎng)江太倉(cāng)至南通間的通州沙和白茆沙水道。通州沙Ⅱ標(biāo)段位于通州沙—狼山沙過渡段以及狼山沙區(qū)域。通州沙Ⅱ標(biāo)段施工區(qū)域距離上游南京市約 250 km，距離下游上海市約 80 km，距離左岸南通市江岸約 5 km，距離右岸常熟市約 8 km。工程地理位置示意圖見圖 1。

圖1 工程地理位置示意圖Fig.1 Sketchmap of the construction location

2 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

2.1 流速

本工程施工區(qū)域基本規(guī)律為落潮流速大于漲潮流速，從上游通州沙水道至南北支，落流與漲流之比值減小，即落潮優(yōu)勢(shì)越向下游越弱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水域的流速觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)最大流速為 2m/s。

2.2 工程數(shù)量大

本標(biāo)段鋪排作業(yè)主要工程數(shù)量約為 343 萬m2，混凝土聯(lián)鎖塊分為 480mm × 480mm × 200mm、480mm × 480mm × 160mm 等型號(hào)，每片聯(lián)鎖片尺寸為5m×4m，每排聯(lián)鎖片由9片組成，尺寸為 38.5m × 5m。

2.3 深水鋪排難度大

首次工前測(cè)量顯示，本標(biāo)段施工區(qū)域高潮期最大水深為 35m，且流速大。深水鋪排對(duì)施工工藝提出極高要求。

2.4 施工區(qū)域環(huán)境較惡劣

本工程所處區(qū)域每年均受到臺(tái)風(fēng)、寒潮等惡劣天氣的影響。該區(qū)域?qū)儆谥械葟?qiáng)度潮汐河口，平均潮差約為 2.5m，最大潮差 4.0m 以上，汛期流速大，主汛期基本不能施工。

3 懸鏈線理論

3.1 通用公式

懸鏈線方程是一個(gè)雙曲余弦函數(shù) （見圖 2），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：a為懸鏈系數(shù)。

圖2 雙曲余弦函數(shù)曲線Fig.2 Hyperbolic cosine function curve

鋪排作業(yè)時(shí)，排體在水中處于半懸鏈線狀態(tài)，將懸鏈線y坐標(biāo)向下在懸鏈線系數(shù)a的影響下移動(dòng) 1，即將 y坐標(biāo) A 移至坐標(biāo)原點(diǎn)，則成為了排體緊貼基床面的一種懸鏈線理論的受力狀態(tài)。鋪排排體的懸鏈線公式為：

3.2 理論計(jì)算參數(shù)設(shè)置及分析

選取水深35m異步放排移船鋪排工藝為例進(jìn)行懸鏈線鋪排受力計(jì)算。根據(jù)船體結(jié)構(gòu)，滑板以下部分排體長(zhǎng)度為 33.1m，不考慮排體伸長(zhǎng)。由于懸鏈線屬于一種重力產(chǎn)生的受力狀態(tài)，而在實(shí)際鋪排過程中，還有水流力產(chǎn)生的影響。本文將鋪排作業(yè)時(shí)的受力分兩步計(jì)算：第一步根據(jù)排體重力產(chǎn)生的懸鏈線狀態(tài)進(jìn)行受力分析，此時(shí)不考慮水流力作用；第二步將水流的作用力和排體產(chǎn)生的懸鏈線受力進(jìn)行合成，計(jì)算出合力作為排體的受力。

4 懸鏈線理論應(yīng)用

本文針對(duì)異步放排移船鋪排工藝進(jìn)行分析計(jì)算，該工藝在初始放排時(shí)，鋪排船定位后排頭聯(lián)鎖片超放一定長(zhǎng)度（堆積）后，開始移船至懸鏈線拉開臨界狀態(tài)（排體在水下產(chǎn)生的摩擦力等于分配的水流力作用和懸鏈線水平拉力之和，首次移船拉開排體長(zhǎng)度根據(jù)計(jì)算確定）時(shí)，再次放排至排體處于垂直狀態(tài)后停止放排；鋪排船沿鋪排方向向前移船△X1拉起軟體排，使部分軟體排懸吊于水中呈半懸鏈狀態(tài)；再次放松排體至排體垂直狀態(tài)，以后操作循環(huán)移船△X1步驟，該操作方法稱為異步放排移船的鋪排方式。

實(shí)際工程應(yīng)用中，初放排體和正常鋪排作業(yè)時(shí)，將排體完全拉開和對(duì)船體的最佳受力，一直都是需要掌握的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，不同的初放排體、放排長(zhǎng)度、移船長(zhǎng)度等參數(shù)，對(duì)船體的受力也存在動(dòng)態(tài)的變化。

4.1 鋪排初次下排排頭控制

初次下排超放排體一定長(zhǎng)度后，進(jìn)行移船至臨界狀態(tài)，定義各關(guān)鍵參數(shù)見圖3。該步驟屬于第一步懸鏈線理論計(jì)算，不考慮水流力作用，第二步水流力合力計(jì)算作為單項(xiàng)進(jìn)行合成。

圖3中，滑板端部至河床底高度為H；超放排體長(zhǎng)度為 L；排體總長(zhǎng)度為 H+L；初次移船距離B后至懸鏈線拉開至臨界狀態(tài)；排體臥底長(zhǎng)度為OL；X 為懸鏈線橫向坐標(biāo)；S為懸鏈線長(zhǎng)度。

在不考慮排體伸長(zhǎng)下，初次放排超放最小長(zhǎng)度應(yīng)滿足移船至懸鏈線臨界狀態(tài)下，懸鏈線的水平力 qa 等于排體臥底長(zhǎng)度產(chǎn)生的摩擦力 f；排布在移船拉力下張開。

圖3 初次放排移船至臨界狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)示意圖Fig.3 Sketchmap of the key parameter form oving the ship to the criticalstateat firstarrangement

式中：a為初次放排移船至懸鏈線的系數(shù)。

將式 （5） 代入式 （10） 得：

首次移船距離

根據(jù)式 （11） 可以看出，首次放排臨界狀態(tài)的懸鏈線與水深 H、河床與排布摩擦系數(shù) μ、首次超放排長(zhǎng)度L有關(guān)。

利用式 （11） 單變量求解得出懸鏈線系數(shù) a，可以確定不同放排長(zhǎng)度時(shí)的臨界懸鏈線方程，然后根據(jù)懸鏈線方程可求解懸鏈線的相關(guān)參數(shù)，從而得出首次移船長(zhǎng)度B和排布鋪底長(zhǎng)度OL。

如確定初次最小放排長(zhǎng)度，應(yīng)考慮排體著床時(shí)，可以滿足水流力穩(wěn)定性要求，放排作業(yè)時(shí)流速按 0.5m/s 控制，則最小放排長(zhǎng)度 Lmin=Fw/（2qμ）= 2.09m。

利用式 （11） 求解水深 35m 時(shí)，不同超放排體長(zhǎng)度（大于最小放排長(zhǎng)度）產(chǎn)生的懸鏈線臨界狀態(tài)各參數(shù)（不考慮水流力），見表 1。

表1 首次超放排體長(zhǎng)度移至懸鏈線狀態(tài)各參數(shù)Tab le1 Parametersof catenary statusby the first super rafting length

通過表 1分析，在 35m水深時(shí)，超放排體長(zhǎng)度越長(zhǎng)，拉開的排體需要的拉力越大，水平移船力變化較大，排布拉力變化并不明顯。

在該工況下根據(jù)船舶性能、效率異步放排工藝選取首次放排長(zhǎng)度 3m，移船長(zhǎng)度為 6.25m 時(shí)可以完全拉開鋪底排體。

4.2 正常鋪排移船計(jì)算

按照異步放排移船鋪排工藝，再次放排至排體處于垂直狀態(tài)下，進(jìn)行移船長(zhǎng)度B后，形成的懸鏈線狀態(tài)見圖4。

圖4 正常鋪排作業(yè)懸鏈線狀態(tài)圖Fig.4 Catenary state chart under normal arrangementworks

在不考慮排體伸長(zhǎng)情況下，移船長(zhǎng)度B后形成的懸鏈線應(yīng)滿足懸鏈線長(zhǎng)度 S=H+OA，該步驟不考慮水流力作用。

由式 （12） 和式 （13） 可得

將式 （7） 和式 （5） 代入 （14） 得

根據(jù)式 （15） 可以看出，正常鋪排作業(yè)時(shí)的懸鏈線和水深H、移船長(zhǎng)度B有關(guān)。

利用式 （15） 單變量求解得出懸鏈線系數(shù) a（a為正常放排移船至懸鏈線的系數(shù)），可以確定不同移船長(zhǎng)度時(shí)的懸鏈線方程，然后根據(jù)懸鏈線方程可求解懸鏈線的相關(guān)參數(shù)。

利用式（15）求解水深 35m 時(shí)，不同移船長(zhǎng)度產(chǎn)生的懸鏈線臨界狀態(tài)各參數(shù)，見表2。

表2 正常鋪排不同移船長(zhǎng)度各參數(shù)計(jì)算匯總Tab le2 Summarize theevery parameters calculation by different ship moving lengthsunder normalarrangement

通過表2分析，在 35m水深時(shí)，水平移船力隨移船長(zhǎng)度的增加移船力明顯增加，每 0.5m 增加移船力約為 15 kN。

在該工況下根據(jù)船舶性能、效率異步放排工藝正常鋪排時(shí)，不考慮水流力作用下，選取一次移船長(zhǎng)度 3m，排布拉力為 2 583.9 kN。

4.3 水流力合力計(jì)算

4.3.1 計(jì)算條件

1） 水深為 35m，即高潮時(shí)水面標(biāo)高+3m，底部-32 m；水流 流速為 2 m/s，角度與 排布成20°。

2） 船舶滑板水下 33.1m 聯(lián)鎖片；排布寬度38.5 m， 鋪排順 序?yàn)?迎流 鋪設(shè)； 船 舶吃水 為 2.3 m；鋪排船長(zhǎng) 75m，寬 26m。

4.3.2 水流作用力分析

根據(jù)文獻(xiàn) [1]，水深 35m、流向角 20°時(shí)，水流阻力系數(shù) CW1計(jì)算選取 0.85；A1=436m2；計(jì)算得 FW1=741.2 kN，根據(jù)文獻(xiàn) [1]排布作用于船體受力為總水流力的 2/3，為考慮安全，取全部作用于船體。

根據(jù)文獻(xiàn) [2]躉船阻力系數(shù) CW2取 1.2；A2= 115.2m2；計(jì)算得 FW2=276.5 kN。

3） 船舶和排布承受的總水流力 FW=FW1+FW2=1 017.7 kN。

4.3.3 排布拉力疊加水流力分析

排布承受疊加水流力時(shí)，取異步移船正常鋪排工況，35m 水深，一次移船長(zhǎng)度 3m，水流速度為 2 m/s，角度與排布成 20°，排布在 自重懸鏈線下受拉力為 Tp=2 583.9 kN，懸鏈線夾角為 88.49°； 水 流 力 水 平 方 向 ， 大 小 為 Fw1= 1 017.7 kN；由于水流力具有方向和大小，排體自重產(chǎn)生的懸鏈線也具有方向和大小，則合力作用疊加結(jié)果為 T合=2 752.1 kN，見圖 5。

圖5 懸鏈線疊加水流力合力作用圖Fig.5 Figure in the com bined flow force by superposed catenary

4.4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)施效果

應(yīng)用該計(jì)算方法對(duì)水深 35 m、流速 2 m/s、流向角 20°的工程現(xiàn)場(chǎng)鋪排船作業(yè)時(shí)的受力情況進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)多次測(cè)試數(shù)值與該理論計(jì)算對(duì)比，異步移船鋪排作業(yè)時(shí)，排布受力都在設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)。根據(jù)不同工況，受其他因素的影響，會(huì)出現(xiàn)偏差，但所測(cè)數(shù)值和理論計(jì)算均在控制范圍之內(nèi)。目前長(zhǎng)江南京以下 12.5m 深水航道一期工程整治建筑物工程[3]，通州沙Ⅱ標(biāo)段位于通州沙—狼山沙過渡段以及狼山沙區(qū)域的 35m 深水排體施工已經(jīng)全部完成，懸鏈線理論應(yīng)用得到了實(shí)踐，并在深水鋪排中創(chuàng)造極高的工效。

5 結(jié)語

本文通過懸鏈線理論研究及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，分析得出異步放排移船深水鋪排技術(shù)中，排布受力分為兩部分，一部分為重力引起的懸鏈線產(chǎn)生的拉力，另一部分為水流產(chǎn)生的受力；將兩部分受力進(jìn)行疊加合成作為鋪排作業(yè)時(shí)排布拉力的計(jì)算值。

在深水鋪排初放排體控制時(shí)，超放排體長(zhǎng)度越長(zhǎng)拉開的排體需要的拉力越大，水平移船力變化較大，排布拉力變化并不明顯，在 35m水深的工況下鋪排作業(yè)，根據(jù)船舶性能、效率異步放排工藝選取首次放排長(zhǎng)度 3.0m，移船長(zhǎng)度為 6.25m時(shí)可以完全拉開鋪底排體。

正常鋪排作業(yè)時(shí)，不考慮水流力作用時(shí)，在35m 水深工況下鋪排作業(yè)，水平移船力隨移船長(zhǎng)度的增加移船力明顯增加，每 0.5m 增加移船力約為 15 kN。在該工況下根據(jù)船舶性能、效率異步放排工藝正常鋪排時(shí)，不考慮水流力作用情況下，選取一次移船長(zhǎng)度 3m，排布拉力為 2 583.9 kN。排布承受疊加水流力時(shí)，取異步移船鋪排工藝一次移船最佳長(zhǎng)度 3m，水流速度為 2m/s，水流方向與排布正向 20°，疊加水流力后排布受力為2 752.1 kN。

綜上所述，本文針對(duì) 35m 水深，流速 2m/s，水流方向與排布正向 20°的深水鋪排進(jìn)行了懸鏈線理論分析計(jì)算，并通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，建議在以后鋪排作業(yè)時(shí)，可參考該懸鏈線理論應(yīng)用技術(shù)指導(dǎo)施工。

[1]JTS 144-1—2010，港 口工程荷載規(guī)范[S]. JTS 144-1—2010，Load code forharbourengineering[S].

[2]交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：人民交通出版社，1996. CCCC first harbor consultants Co.，Ltd.Harbor engineering design manual[M].Beijing：China Communication Press，1996.

[3]中交一航局長(zhǎng)江南京以下 12.5 米深水航道治理一期工程項(xiàng)目部.長(zhǎng)江南京以下 12.5 米深水航道一期工程整治建筑物工程施工通州沙Ⅱ標(biāo)段施工組織設(shè)計(jì)[R].青島：中交一航局二公司，2012. The First Phase of the 12.5 m Deepwater Channel under the YangtzeRiver in Nanjing ProjectDepartmentofCCCCFirstHarbor Engineering Co.，Ltd.Construction organization design of structures regulation project of Tongzhousha Ⅱ section，the first phase of the 12.5m deepwater channel under the Yangtze River in Nanjing[R]. Qingdao：The Second Engineering Co.，Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，2012.

Theoretical study and app lication on the arrangem ent of catenary in deepwater under severe operation conditions of the Yangtze River channel regulation project

FENGHai-bao1，2，3
（1.Collegeof Engineering，Ocean University ofChina，Qingdao，Shandong266100，China；2.No.2 Eng.Co.，Ltd.of CCCC firstHarbor Engineering Co.，Ltd.，Qingdao，Shandong 266071，China；3.Shandong University，Jinan，Shandong250101，China）

Combiningwith the first phase of the 12.5m deepwater channelunder the Yangtze River in Nanjing， applying the theory ofcatenary，this paperanalyzesand calculates the geomattress force situation under the operation conditionsof35m water depth， flow to the Angle of20 °and velocity of2m/s， and optimizes theasynchronous raftingofshifting process，puts forward the head ofunder catenary controlmethod when firstarrangement， givesa bestshipmoving length in the arrangement.The computing theory is put into on-site practices by using the 35m depth water， and the test results coincided wellwith calculation. When doing the arrangementworks，the catenary theory app lication technology can be referenced toguide the construction.

the Yangtze River channel；arrangement；catenary；flow force

U617.3

A

1003-3688（2014）01-0022-04

10.7640/zggw js201401004

2013-04-19

2013-08-20

馮海暴 （1980 — ） 男，河北邯鄲市人，工程師，碩士研究生，主要從事港口航道工程結(jié)構(gòu)、力學(xué)、沉管隧道技術(shù)研究工作。E-mail：fengkai66666@126.com