大潮差海域钢管桩浮式围囹平台水动力性能分析

林明臻，陈迪郁 ，巫兴发

（1.福建省交通建设质量安全中心，福建 福州 350001;2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040）

通常情况下高桩码头建设区域的水文情况较为复杂，容易受到风、浪、潮、流等环境因素的限制。特别是我国沿海潮汐以半日潮为主，潮差大，桩基多处于潮位变动区，不仅易受到海水浸泡和侵蚀，而且需要选择在潮汐的间歇期进行施工作业。

在高桩码头的设计和施工中，桩基施工直接影响了高桩码头的建设质量和结构安全。针对高低桩现象，还需要进行接桩及割桩作业。传统的作业平台采用型钢焊接搭设在桩基外壁，作业效率差，在一定程度上会影响工程质量和经济效益。

不少项目在施工时都设计了新型的作业平台，朱文功[1]等人依托舟山市某高桩码头工程，设计了一种割桩钢平台，详细阐述了其特点和设计思路。李官文等[2]设计了一种群桩桩头割除钢平台，解决了海上风电场水深限制的难题，提高了作业的安全性。但这种平台都依赖起吊系统，在施工时平台处于悬挂状态。对于潮位变化大的项目，施工平台在使用过程中处于漂浮状态，受到波浪的影响较大，上述研究主要涉及施工平台的设计方案和施工工艺，对其水动力性能的研究较少。

以自主研发的一种可旋转开合的浮式施工平台为研究对象，区别于传统的浮式结构物，本浮式平台属于小尺度开孔结构。相对于完整浮体来说，带有开孔结构浮体的水动力特性会明显不同[3]。其运动响应可能会导致作业精度无法满足要求，更严重的还会造成安全事故。为解决安全隐患，控制引起施工质量问题的环境因素，本文研究了不同波浪和不同潮差环境下施工平台的动力响应，给出浮式平台结构适用的波浪条件，为浮式平台的设计和施工作业提供参考，可应用于桥梁、码头以及风电等各种领域的海上作业。

1 工程概况

福建宁德某泊位工程位于三都澳港区，主要施工内容为新建20 万吨级通用泊位4 个及相应的配套设施。泊位工程为高桩梁板式码头，桩基均采用钢管桩。引桥也采用桩基排架结构，排架间距统一为20m，深水部分采用φ1200 钢管桩沉桩施工。

三都澳内潮汐属不规则半日潮，三都澳湾内潮差较大、最大潮差达8m 以上，潮差由湾口向湾内逐渐增高；湾内平均海面起伏不大，平均涨潮历时大于平均落潮历时。

拟建码头、引桥、港池区场地属海水潮间带，受潮汐水影响，海水的深度呈规律性变化。场地潮汐水属正规半日潮，潮流呈往复流，据三都澳实测潮位统计资料：本区最大潮位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。

依托项目钢管桩数量多达1112 根，且绝大多数为斜桩，占比76%，水上作业面小，因此研发设计了一种浮式作业平台，可满足大潮差环境下的桩基焊接、切割等施工作业的要求。

2 浮式施工平台结构设计

为提高水上作业的安全性和便捷性，结合项目现场的实际情况，研制了浮式施工平台（以下简称浮式围囹），其主要结构[4]如图1 所示。浮式围囹下部的浮式基础为八边形结构，材料选用钢板，钢板外圈可焊接钢筋形成框架增强结构的强度。钢板内填充泡沫塑料，下部结构的中间开孔形成作业通道，其尺寸根据桩基的直径确定。上部结构外围设置有环形护栏，便于施工人员在平台上进行安全作业。

图1 浮式围囹结构图

当潮位低于作业潮位时，平台固定在作业高度，此时浮式围囹处于悬挂状态，无需考虑波浪载荷的影响。潮位上涨后，此时为围囹施工平台进桩和退桩特定时间。浮式围囹利用自身浮力进行作业，如图2 所示。通过在上部结构施加重量压载可控制浮式围囹的吃水，将平台沿钢管桩下降至合适的作业高度。

图2 高潮位下施工平台浮式作业

浮式围囹的主要参数见下表。

3 水动力性能分析

3.1 水动力模型

根据表1 在水动力软件中建立了浮式围囹的结构模型，见图3。建立质量模型时考虑了上部护栏的质量，划分网格后得到浮式围囹的水动力模型，见图4。经过计算得到无压载情况下，浮式围囹的设计吃水为0.34m，本文考虑内部桩基为直桩，未限制浮式平台的垂荡运动。

表1 浮式围囹设计参数

表2 计算工况

图3 浮式围囹结构模型

图4 浮式围囹水动力模型

3.2 计算工况

项目所在地平均波高为0.6m，平均周期为4.2s。为确定浮式围囹的可作业环境条件，以波浪周期、波浪入射角和潮位为变量定义了不同的工况，计算了浮式平台的运动响应。

其中周期变化范围为1～15s，周期间隔为1s；由于平台的对称性，波浪入射角的变化范围为0～90°，每间隔15°取一模拟工况；高潮位作业时，通过控制平台压载进行吃水的调整，考虑0.34m（空载），0.6m，0.8m共三组不同的作业吃水，分析潮位变化对浮式平台运动响应的影响。列举计算工况如下表所示。

通过频域分析得到浮式围囹重心处的六自由度RAO（单位波幅下的运动响应），根据纵向坡度来判断浮式平台是否具有可作业条件[5]，当纵向坡度≤1%时，可认为其满足纵向稳定性要求。将纵向坡度[6]换算为角度，在波浪荷载的作用下，当纵向坡度≤1%时，平台的横摇角和纵摇角需小于0.57°；当纵向坡度≤5%时，平台的横摇角和纵摇角需小于2.86°。

4 结果分析

4.1 波浪周期和入射角的影响

下图给出了浮式围囹垂荡、横摇和纵摇三个方向的RAO 曲线，从中可以看出，垂荡方向的RAO 波浪的主要频率范围内保持在1m 左右，体现了浮式围囹的随波性。横摇和纵摇运动的固有频率在2s 左右，保证了横摇和纵摇运动不容易与波浪发生共振。在1～15s 的频率范围内，横摇和纵摇运动的RAO 曲线呈现出先增大到极值后减小的趋势。

根据水动力计算的结果，本浮式围囹在中长周期波浪的海域下稳定性较好。本项目平均周期为4.2s，平均波高0.6m 可满足纵向坡度≤2.7%的作业要求。波浪平均周期为6s 的作业海域，平均波高小于0.47m 可满足纵向坡度≤1%的作业要求；波浪平均周期为8s 的作业海域，平均波高小于0.82m 可满足纵向坡度≤1%的作业要求；不同周期下的可作业波高可根据图5（b）换算得到。

图5 空载条件下浮式围囹的运动响应

浮式围囹的设计型式基本呈圆盘形结构，整体对称程度较高，所以横摇纵摇的RAO 曲线数值几乎相同，只是对应的入射角不同，在计算其他工况时选取90°入射角对应的最大横摇角作为判断参数。

4.2 不同潮位的影响

随着潮位的上涨，需在平台上增加压载以保持原有的作业高度，浮式围囹吃水也相应有所增加。图6 对比了90°浪向角下，空载、0.6m、0.8m 吃水的横摇RAO曲线，从中可以看出随着的吃水逐渐加深，RAO 的幅值也逐渐增加，浮式围囹的稳定性更差。

图6 不同吃水下浮式围囹的横摇运动

经过换算得到单位波幅下不同吃水对应的纵向坡度比，如表3 所示。根据潮位高度计算平台的作业吃水，经过线性插值可得到不同波浪条件下的作业窗口期，为类似工程提供了参考依据，提高了浮式围囹平台的通用性和适用性。

表3 单位波幅下浮式围囹纵向坡度比

本文的设计参数考虑到了群桩之间的周转效率和经济成本，受到群桩之间的作业面积的限制，浮式围囹基础直径不宜过大。对于稳定性能要求更高的项目，可考虑增大浮式基础直径D、降低结构重心等方式保证作业精度。

5 小结

对于桩基数量多，受潮差影响较大的项目，浮式围囹施工平台可在施工现场快速周转，适用于割桩、焊接等各种水上作业，具有高效、经济、安全的优点。本文对该结构进行了水动力分析，主要结论如下：

（1）浮式围囹设计参数合理，固有频率避开了波浪的主要频率范围，在中长周期波浪的海域下稳定性更好。

（2）为满足作业精度要求，空载状态下，平均周期6s 对应的浮式围囹可作业波高为0.47m，平均周期8s 对应的浮式围囹可作业波高为0.82m。

（3）随着潮位的上涨，浮式围囹需增加压载以保持作业高度，此时结构的重心高度相应增加，造成浮式围囹的稳定性变差。

（4）总结了不同吃水状态下对应的作业精度，在设计制造浮式围囹时，可按照90°入射角评估波浪荷载对此类结构动力响应带来的影响。

（5）波浪条件较为恶劣时可考虑增大浮式围囹基础直径提高作业精度，其外内径之比D/d=3～4 为宜。

浮式围囹施工平台根据潮位高低特性调整平台作业高度，满足全天候施工作业。在一期项目应用过程中，共有53 根钢管桩高于设计标高，经统计，采用浮式围囹后，浮式作业未出现质量安全事故，每根钢管桩割桩可节约1.5h。预计整个工程割桩/接桩作业节约工期可达35 天，大幅提升了施工质效，为项目降本增效合计75 万元。