大潮差海域鋼管樁浮式圍囹平臺水動力性能分析

林明臻，陳迪郁 ，巫興發

（1.福建省交通建設質量安全中心，福建 福州 350001;2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040）

通常情況下高樁碼頭建設區域的水文情況較為復雜，容易受到風、浪、潮、流等環境因素的限制。特別是我國沿海潮汐以半日潮為主，潮差大，樁基多處于潮位變動區，不僅易受到海水浸泡和侵蝕，而且需要選擇在潮汐的間歇期進行施工作業。

在高樁碼頭的設計和施工中，樁基施工直接影響了高樁碼頭的建設質量和結構安全。針對高低樁現象，還需要進行接樁及割樁作業。傳統的作業平臺采用型鋼焊接搭設在樁基外壁，作業效率差，在一定程度上會影響工程質量和經濟效益。

不少項目在施工時都設計了新型的作業平臺，朱文功[1]等人依托舟山市某高樁碼頭工程，設計了一種割樁鋼平臺，詳細闡述了其特點和設計思路。李官文等[2]設計了一種群樁樁頭割除鋼平臺，解決了海上風電場水深限制的難題，提高了作業的安全性。但這種平臺都依賴起吊系統，在施工時平臺處于懸掛狀態。對于潮位變化大的項目，施工平臺在使用過程中處于漂浮狀態，受到波浪的影響較大，上述研究主要涉及施工平臺的設計方案和施工工藝，對其水動力性能的研究較少。

以自主研發的一種可旋轉開合的浮式施工平臺為研究對象，區別于傳統的浮式結構物，本浮式平臺屬于小尺度開孔結構。相對于完整浮體來說，帶有開孔結構浮體的水動力特性會明顯不同[3]。其運動響應可能會導致作業精度無法滿足要求，更嚴重的還會造成安全事故。為解決安全隱患，控制引起施工質量問題的環境因素，本文研究了不同波浪和不同潮差環境下施工平臺的動力響應，給出浮式平臺結構適用的波浪條件，為浮式平臺的設計和施工作業提供參考，可應用于橋梁、碼頭以及風電等各種領域的海上作業。

1 工程概況

福建寧德某泊位工程位于三都澳港區，主要施工內容為新建20 萬噸級通用泊位4 個及相應的配套設施。泊位工程為高樁梁板式碼頭，樁基均采用鋼管樁。引橋也采用樁基排架結構，排架間距統一為20m，深水部分采用φ1200 鋼管樁沉樁施工。

三都澳內潮汐屬不規則半日潮，三都澳灣內潮差較大、最大潮差達8m 以上，潮差由灣口向灣內逐漸增高；灣內平均海面起伏不大，平均漲潮歷時大于平均落潮歷時。

擬建碼頭、引橋、港池區場地屬海水潮間帶，受潮汐水影響，海水的深度呈規律性變化。場地潮汐水屬正規半日潮，潮流呈往復流，據三都澳實測潮位統計資料：本區最大潮位8.53m，最小潮位-0.52m，最大潮差8.44m，最小潮差1.59m，平均潮差5.30m，平均高潮位6.67m，平均低潮位1.37m。

依托項目鋼管樁數量多達1112 根，且絕大多數為斜樁，占比76%，水上作業面小，因此研發設計了一種浮式作業平臺，可滿足大潮差環境下的樁基焊接、切割等施工作業的要求。

2 浮式施工平臺結構設計

為提高水上作業的安全性和便捷性，結合項目現場的實際情況，研制了浮式施工平臺（以下簡稱浮式圍囹），其主要結構[4]如圖1 所示。浮式圍囹下部的浮式基礎為八邊形結構，材料選用鋼板，鋼板外圈可焊接鋼筋形成框架增強結構的強度。鋼板內填充泡沫塑料，下部結構的中間開孔形成作業通道，其尺寸根據樁基的直徑確定。上部結構外圍設置有環形護欄，便于施工人員在平臺上進行安全作業。

圖1 浮式圍囹結構圖

當潮位低于作業潮位時，平臺固定在作業高度，此時浮式圍囹處于懸掛狀態，無需考慮波浪載荷的影響。潮位上漲后，此時為圍囹施工平臺進樁和退樁特定時間。浮式圍囹利用自身浮力進行作業，如圖2 所示。通過在上部結構施加重量壓載可控制浮式圍囹的吃水，將平臺沿鋼管樁下降至合適的作業高度。

圖2 高潮位下施工平臺浮式作業

浮式圍囹的主要參數見下表。

3 水動力性能分析

3.1 水動力模型

根據表1 在水動力軟件中建立了浮式圍囹的結構模型，見圖3。建立質量模型時考慮了上部護欄的質量，劃分網格后得到浮式圍囹的水動力模型，見圖4。經過計算得到無壓載情況下，浮式圍囹的設計吃水為0.34m，本文考慮內部樁基為直樁，未限制浮式平臺的垂蕩運動。

表1 浮式圍囹設計參數

表2 計算工況

圖3 浮式圍囹結構模型

圖4 浮式圍囹水動力模型

3.2 計算工況

項目所在地平均波高為0.6m，平均周期為4.2s。為確定浮式圍囹的可作業環境條件，以波浪周期、波浪入射角和潮位為變量定義了不同的工況，計算了浮式平臺的運動響應。

其中周期變化范圍為1～15s，周期間隔為1s；由于平臺的對稱性，波浪入射角的變化范圍為0～90°，每間隔15°取一模擬工況；高潮位作業時，通過控制平臺壓載進行吃水的調整，考慮0.34m（空載），0.6m，0.8m共三組不同的作業吃水，分析潮位變化對浮式平臺運動響應的影響。列舉計算工況如下表所示。

通過頻域分析得到浮式圍囹重心處的六自由度RAO（單位波幅下的運動響應），根據縱向坡度來判斷浮式平臺是否具有可作業條件[5]，當縱向坡度≤1%時，可認為其滿足縱向穩定性要求。將縱向坡度[6]換算為角度，在波浪荷載的作用下，當縱向坡度≤1%時，平臺的橫搖角和縱搖角需小于0.57°；當縱向坡度≤5%時，平臺的橫搖角和縱搖角需小于2.86°。

4 結果分析

4.1 波浪周期和入射角的影響

下圖給出了浮式圍囹垂蕩、橫搖和縱搖三個方向的RAO 曲線，從中可以看出，垂蕩方向的RAO 波浪的主要頻率范圍內保持在1m 左右，體現了浮式圍囹的隨波性。橫搖和縱搖運動的固有頻率在2s 左右，保證了橫搖和縱搖運動不容易與波浪發生共振。在1～15s 的頻率范圍內，橫搖和縱搖運動的RAO 曲線呈現出先增大到極值后減小的趨勢。

根據水動力計算的結果，本浮式圍囹在中長周期波浪的海域下穩定性較好。本項目平均周期為4.2s，平均波高0.6m 可滿足縱向坡度≤2.7%的作業要求。波浪平均周期為6s 的作業海域，平均波高小于0.47m 可滿足縱向坡度≤1%的作業要求；波浪平均周期為8s 的作業海域，平均波高小于0.82m 可滿足縱向坡度≤1%的作業要求；不同周期下的可作業波高可根據圖5（b）換算得到。

圖5 空載條件下浮式圍囹的運動響應

浮式圍囹的設計型式基本呈圓盤形結構，整體對稱程度較高，所以橫搖縱搖的RAO 曲線數值幾乎相同，只是對應的入射角不同，在計算其他工況時選取90°入射角對應的最大橫搖角作為判斷參數。

4.2 不同潮位的影響

隨著潮位的上漲，需在平臺上增加壓載以保持原有的作業高度，浮式圍囹吃水也相應有所增加。圖6 對比了90°浪向角下，空載、0.6m、0.8m 吃水的橫搖RAO曲線，從中可以看出隨著的吃水逐漸加深，RAO 的幅值也逐漸增加，浮式圍囹的穩定性更差。

圖6 不同吃水下浮式圍囹的橫搖運動

經過換算得到單位波幅下不同吃水對應的縱向坡度比，如表3 所示。根據潮位高度計算平臺的作業吃水，經過線性插值可得到不同波浪條件下的作業窗口期，為類似工程提供了參考依據，提高了浮式圍囹平臺的通用性和適用性。

表3 單位波幅下浮式圍囹縱向坡度比

本文的設計參數考慮到了群樁之間的周轉效率和經濟成本，受到群樁之間的作業面積的限制，浮式圍囹基礎直徑不宜過大。對于穩定性能要求更高的項目，可考慮增大浮式基礎直徑D、降低結構重心等方式保證作業精度。

5 小結

對于樁基數量多，受潮差影響較大的項目，浮式圍囹施工平臺可在施工現場快速周轉，適用于割樁、焊接等各種水上作業，具有高效、經濟、安全的優點。本文對該結構進行了水動力分析，主要結論如下：

（1）浮式圍囹設計參數合理，固有頻率避開了波浪的主要頻率范圍，在中長周期波浪的海域下穩定性更好。

（2）為滿足作業精度要求，空載狀態下，平均周期6s 對應的浮式圍囹可作業波高為0.47m，平均周期8s 對應的浮式圍囹可作業波高為0.82m。

（3）隨著潮位的上漲，浮式圍囹需增加壓載以保持作業高度，此時結構的重心高度相應增加，造成浮式圍囹的穩定性變差。

（4）總結了不同吃水狀態下對應的作業精度，在設計制造浮式圍囹時，可按照90°入射角評估波浪荷載對此類結構動力響應帶來的影響。

（5）波浪條件較為惡劣時可考慮增大浮式圍囹基礎直徑提高作業精度，其外內徑之比D/d=3～4 為宜。

浮式圍囹施工平臺根據潮位高低特性調整平臺作業高度，滿足全天候施工作業。在一期項目應用過程中，共有53 根鋼管樁高于設計標高，經統計，采用浮式圍囹后，浮式作業未出現質量安全事故，每根鋼管樁割樁可節約1.5h。預計整個工程割樁/接樁作業節約工期可達35 天，大幅提升了施工質效，為項目降本增效合計75 萬元。