关于沉箱式灯桩基础建设的可行性探讨

2016-11-18李春林陈义涛吴才冠海口航标处

珠江水运 2016年19期

关键词：沉箱船舶基础

◎ 李春林陈义涛吴才冠海口航标处

关于沉箱式灯桩基础建设的可行性探讨

◎ 李春林陈义涛吴才冠海口航标处

本文从现有灯桩基础的局限性出发,探讨沉箱式基础在灯桩建设中的可行性，并验算沉箱式基础在极限自然状况下的稳定性，对其施工方式提出一些设想。

灯桩基础沉箱抗滑抗倾

1.引言

灯桩等助航标志的设计规范往往不涉及基础建设方面，在实际建设中灯桩基础主要借鉴土木、水工类的规范进行设计。现阶段桩身和配套设备基本都从工厂订做安装，因此灯桩建设中基础的施工才是最重要、最费时的。

2.现有灯桩基础形式的局限性

灯桩基础的主要结构形式有砼现浇基础和钢管桩基础。砼现浇基础耐久性好，不需要专业施工船舶，但需要架设模板，工期长，对地基承载力要求较高，施工受水位影响大，因此一般砼基础大多建在岛礁或水深较浅的暗礁上；钢管桩基础适用于水深较深、软土层较厚的施工位置，相对于砼基础而言耐久性、耐腐蚀性不够好，施工难度较大，打桩往往需要专门的施工船舶，安装相对复杂。

目前在清澜港附近建设灯桩时遇到了这样一个难题：该位置低潮位时水深仍然较深，不适合建砼基础，但地基又是坚硬的礁岩，也不适合打钢管桩，最后只能克服困难在深水中支立模板完成现浇砼基础。在沿海各水域的灯桩建设中常会遇到类似的情况，为此需要一种新的工艺填补灯桩基础建设的空缺。

图1　简易砼沉箱和钢沉箱灯桩基础结构图

3.沉箱式灯桩基础的可行性

考虑到灯桩砼基础的设计往往参照港工规范，那么是否可用沉箱结构来做灯桩基础呢？码头使用的沉箱荷载较大，放置前需要对基床进行开挖、抛石、夯实、整平等工作；而灯桩砼基础荷载较小，一般岩质地基都能满足承载力要求，因此只要验算沉箱式灯桩基础在极端条件下的抗滑和抗倾稳定性达到合格即可。目前设想的两种沉箱基础分别为砼沉箱（适用深水）和钢沉箱（适用浅水），为保证浮运稳定性，选择圆形沉箱，砼沉箱尺寸根据文献1及实际情况确定，为简化工艺不做墙趾。大致结构图如图1所示：

由于沉箱式灯桩基础主要针对低潮位仍被淹没的位置，基础尺寸要大于陆基设桩。为了计算最不利情况，根据我处在水中建砼基础灯桩的几种规格取值如下：砼基础第一级直径3.5m，高1.8m，第二级直径2.5m高1m，灯桩基座保护层直径1.5m高0.5m。钢管灯桩桩身按8m高500mm直径选用，该种灯桩桩身自重约为0.6吨，顶部有直径1.2m的作业平台，并配有1m高围栏，作业平台上有电池箱、硅片架、灯器等配套设备，桩身上装有约5.5m带围栏的角钢爬梯。为简化计算，增加可靠性，砼部分视作高潮位时全淹没，将作业平台以上的受风投影面积视作1.2×1m的矩形，爬梯受风投影面积视作0.35×5.5m的矩形，则受力计算简图如图2所示：

参照文献3取极限海况风速60m/ s，表面海流2.57m/s，按文献4、文献2相关公式表格计算风荷载和水流力：

（1）水流力：

A=0.5×1.5+1×2.5+1.8×3.5=9.55m2，ρ=1.025t/m3，算得FW=21.45KN，水流力合力作用点根据文献二13.0.4取水下1.1m处。

为便于后续力矩计算方便，风荷载投影面A按大小由上往下分3段计算，每段合力作用点取形心位置，算得Fk1=3.46KN，Fk2=13.46KN，Fk3=1.44KN。风力Fk=Fk1+Fk2+Fk3=18.36KN。

（3）抗滑、抗倾稳定性验算可根据文献1的公式计算。根据文献砼沉箱与岩面摩擦系数f砼取0.6，钢沉箱与岩面摩擦系数f钢取0.4，钢筋砼密度取2.4t/m3（为保守计算，钢沉箱基础完成后的密度也取2.4t/m3，即抗倾验算与砼沉箱一样）由于灯桩基础孤立在水中没有回填土压力，计算式可简化如下：

经验算，沉箱式灯桩基础可以满足极限海况下的稳定性要求。

图2　灯桩受力计算简图

4.沉箱式灯桩基础的施工工艺

沉箱式基础对于地基的承载力和平整度要求比较高，但施工上较灵活。沉箱可以大批量在厂家预制，省掉架设第一级模板的时间，也不用专门等待每年最低潮位施工，节约时间。

（1）沉箱式灯桩基础运输方式。以图1的尺寸为例，经计算得：砼沉箱自重13.48t，吃水深度1.36m；钢沉箱自重2.3t,吃水深度0.24m。大多数绳斗挖泥船都可进行吊装，海南周边海域潮差一般在两米左右，低潮淹没的暗礁一般都可以趁潮浮运砼沉箱。钢沉箱浮运难度更小，可以适用于水浅的暗礁。

（2）沉箱式灯桩基础的地基处理。由于沉箱式基础对于地基的平整度和承载力要求较高，对于水深足以通过施工船、挖泥船的位置，可以将抓斗换成夯锤整平夯实地基。对于水深较浅的位置，可以用渔船带上相应设备，人工架设支架配合夯锤、卷扬机或冲击钻对地基整平夯实,完成地基处理后可通过浮运或吊放的方式将沉箱放置在拟建区域。施工船舶上应当配有水泥沙石和钢筋笼等以便现场拌合混凝土浇筑，在施工船空间不够的情况下，可以拖带平板驳船，在驳船上放置施工机械和材料。

（3）沉箱填料及上部砼构件制作。沉箱运到指定位置后灌水沉放，随后将绑扎好的钢筋笼放入，拌合混凝土并浇筑。浇筑完成三天后，可以开始在第一级基础上架设模板浇筑第二级基础并安装预埋件，待第二级强度满足要求后安装桩身并浇筑灯桩基座保护层。

（4）避雷方案

沉箱式灯桩无法直接将电荷导入地基，考虑到船舶防雷是将电荷通过船体导入海水，可以参照这种方式从灯桩基座上外接一根铝条从沉箱外部将电荷导入海水。该构件可以在安装基座预埋件时就布设。

5.沉箱式灯桩基础不足之处

文中对于抗倾抗滑稳定性的验算只是针对自然条件下的受力情况进行分析，在实际使用中，不可避免的会有船舶靠泊、撞击的情况。沉箱式灯桩基础没有植筋，而且是孤立物不同于沉箱码头背后有回填土，很难抵挡大型船舶撞击。目前我处用于巡检的多是小船和渔船，可以先建一两座沉箱式灯桩在实践中观察使用效果。为了吸收船舶撞击能量，需要一些废旧轮胎悬挂在沉箱基础的吊环上，吊环上漆并作防锈处理。