沉箱坐底于透水性不良底质时起浮困难原因分析

　　摘 要：本文通过对沉箱坐底于透水性不良底质时其起浮过程中的受力状态进行分析，揭示该种情况下沉箱起浮困难的原因，进而提出解决问题的途径，指导沉箱起浮、打捞作业，防止沉箱窜高等危险发生。

　　关键词：沉箱起浮;吸附力;粘着力;负孔隙水压力;窜高

　　《水利电力科技》主要面向水利和电力系统的管理部门、设计院、科研院所，制造厂、发电厂、水利水电工程局、电建公司、水电站及大中专院校，兼顾外系统相关机械行业。

　　沉箱在出运、安装过程中因施工需要或因遭受台风等意外因素而倾覆，均需对沉箱进行起浮，当沉箱坐底于淤泥、粘性土等透水性不良底质时，一般起浮困难而且一旦起浮常伴有窜高现象，本文通过对沉箱起浮过程中的受力状态进行分析，对上述现象进行解释，并提出针对性的解决措施，对于指导沉箱起浮作业，防止安全事故发生具有重要意义。

　　1吸附力[1，2，3]

　　吸附力是结构物、土与液体三者之间相互作用的产物，是结构物从土中被拉起过程中表现出的一种力。吸附力由3部分组成，即土与结构物底面间的粘着力、结构物被提升过程中产生的负孔隙水压力、土与结构物侧面产生的侧摩阻力。

　　1.1 粘着力

　　粘着力是土与外物通过水膜所产生的吸引力，是土颗粒与外物分子对水分子共同吸引而产生的，实质是土颗粒—水—外物分子三者之间相互作用的结果。粘着力反应的是土颗粒吸附到外物上的性质，即土的粘着性的大小。影响粘着性的主要因素有土的含水量、土类的比表面积、结构物的材料性质等。

　　1.2 负孔隙水压力

　　负孔隙水压力是由于结构物被提升时，加在土上的荷载突然变小，水分来不及流入土中引起的。根据有效应力原理，加在土上的荷载由土骨架和孔隙水共同承担。对粘性土来说，在卸载的瞬间土骨架来不及发生变形，水分不能立即流入，表现为负孔隙水压力;瞬间过后，土骨架发生膨胀变形，水分逐渐流入，负孔隙水压力逐渐消失，由孔隙水承担的荷载逐渐转化成由土骨架承担。影响负孔隙水压力的因素主要有土的性质、沉箱起浮速度等。

　　1.3 侧摩阻力

　　侧摩阻力是结构物被拉起过程中，结构物侧面与土之间的摩擦力。侧摩阻力主要由土的性质、结构物材料和尺度决定。

　　1.4 单位面积吸附力

　　单位面积吸附力受土的性质、含水量、沉箱起浮速度等多种因素的影响变化范围较大，根据朱成利《沉箱养生池安放及起浮施工方法研究》的实际统计值，单位面积吸附力在8.98kPa～21.66kPa之间，平均值为15.98kPa，根据韩丽华等人《海洋结构物沉箱吸附力的试验模拟》的试验值，单位面积吸附力为16.811kPa，另外张京京在《天津滨海新区软黏土吸附力预测方法》中提出了一种吸附力预测方法，实际应用过程中可通过模型試验进行测定或根据张京京的方法进行预测，本文直接采用16.811kPa这一试验数值。

　　1.5 吸附力分析

　　根据张京京《天津滨海新区软黏土吸附力预测方法》的试验研究，沉箱坐底于不透水底质，在起浮过程中沉箱底离开泥面之前，吸附力不断增大，最大吸附力出现在沉箱与土体脱离时，此时无侧摩阻力，吸附力由粘着力和负孔隙水压力两部分组成，且负孔隙水压力在吸附力中占比重较大。

　　以底面积200m2的沉箱为例，吸附力约为16.811 kPa×200 m2=3362kN，即336.2t。

　　2 浮力

　　2.1 浮力产生的原因

　　阿基米德定律：浸入静止流体中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重量，方向竖直向上并通过所排开流体的形心。阿基米德定律是初中物理知识，但在沉箱起浮、打捞等工程实际中却时有用错，归根结底是对浮力产生的原因不甚了解，浮力产生的原因是物体表面受到的压力差，如图1以最简单的正方体为例说明如下：液体压强P=ρgh，在液体同一深度各个方向的压强都相等，正方体左、右两个面受到的压力相等，合力为零，前、后两个面同理合力也为零，上、下两个面由于所在的深度不同，故压强不同产生压力差，压力差F=ρgh下S下-ρgh上S上=ρg(h下-h上)S=ρgV=浮力

　　2.2 浮力分析

　　当沉箱坐底于透水性不良的淤泥或粘性土时，沉箱底面与水隔绝，不承受水压力，此时沉箱所受浮力为零，而且当沉箱顶面没于水面以下时，沉箱顶还受向下的水压力，以顶面积200m2的沉箱为例，当其顶面淹没深度为1m时，其所受海水压力为10.25×1×200=2050kN，即205t，但是沉箱底面一旦脱离泥面，水将对沉箱底产生压力，形成浮力，以沉箱底淹没水深18m计算，底面海水压力为10.25×18×200=36900kN，即3690t，浮力为3690-205=3485t。

　　3 沉箱起浮过程受力状态分析

　　沉箱参数：顶、底面积均为200m2，高17m，重2000t。沉箱顶面淹没水深1m，采用钢盖板封仓抽水起浮，仓盖板重25t，浮游稳定压舱水450t，浮游稳定吃水12m。沉箱一次性抽水至浮游稳定，各阶段受力分析如下：

　　3.1沉箱底脱离泥面以前

　　沉箱总重=沉箱+钢盖板+压舱水=2000+25+450=2475t=24750kN，受力方向向下

　　沉箱底吸附力=336.2t=3362kN，受力方向向下

　　沉箱顶水压力=205t=2050kN，受力方向向下

　　沉箱所受向下合力=24750+3362+2050=30162kN

　　(当沉箱坐底时，所受合力为零，此处30162kN可理解为要使沉箱起浮所需克服的阻力。)

　　3.2沉箱底脱离泥面至沉箱露出水面以前

　　沉箱总重=24750kN，受力方向向下

　　沉箱浮力=1.025×10×(200×17)=34850kN，受力方向向上

　　沉箱所受合力=34850-24750=10100kN，受力方向向上

　　(忽略沉箱上浮过程中所受水流阻力。)

　　3.3沉箱露出水面至最终漂浮状态

　　沉箱总重=24750kN，受力方向向下

　　沉箱浮力=1.025×10×(200×d)=2050dkN，受力方向向上(d为沉箱吃水深度，12m≤d≤17m)

　　沉箱所受合力=(2050d-24750)kN，受力方向向上

　　(忽略沉箱上浮過程中所受水流阻力)

　　沉箱在不同水深处所受合力如图2所示。

　　4 结论及措施

　　4.1 结论

　　沉箱底脱离泥面以前，沉箱底不承受自由水压力，沉箱不受浮力，相反沉箱顶面承受向下的水压力，同时沉箱底承受吸附力，导致沉箱起浮需克服巨大的阻力，造成起浮困难。实际施工中若未消除该不利因素，简单地通过多抽水或加大起重船吊力等方式进行起浮，一旦沉箱底脱离泥面，吸附力将瞬间消失、浮力迅速形成，沉箱将承受巨大的向上的合力，造成沉箱窜高，易发生安全事故。

　　4.2 措施

　　(1)沉箱存放前可先抛一层二片石，避免沉箱直接坐底于淤泥、粘性土等透水性不良底质。

　　(2)对于坐底于淤泥中的沉箱，应设法减小吸附力并使浮力形成，具体可采取的措施有：①用挖泥船将沉箱四周的淤泥挖除，消除侧摩阻力;②使用高压水枪对沉箱底淤泥进行冲淘，减小沉箱底与淤泥的接触面积，从而减小吸附力，增大沉箱底所受向上的水压力;③利用波浪、水流对沉箱的水平作用力或人为用拖轮进行拖拽或顶推，使沉箱底出现松动，减小吸附力，形成浮力。

　　(3)沉箱起浮减少抽水量，满足沉箱起浮即可，减小沉箱窜高。

　　根据动能定理，合外力对物体所做的功，等于物体动能的变化量，即FL=?1/2mv2，忽略沉箱上浮过程中所受的水流阻力，则沉箱上浮过程中合外力所做的功等于图2中封闭区域的面积，面积越大沉箱起浮后动能越大，窜高越严重，在满足沉箱总重(沉箱、封仓盖板、压舱水)小于沉箱浮力的前提下，减少抽水可使沉箱所受合外力减小，即图2中封闭区域变窄，同时使沉箱上浮高度更小，即图2中封闭区域变矮，总体使图2中封闭区域面积变小，沉箱起浮后动能减小，减小沉箱窜高。

　　参考文献：

　　[1] 韩丽华，姜萌，张日向. 海洋结构物沉箱吸附力的试验模拟[J]. 港工技术， 2009， 46(6)： 43-45.

　　[2] 张京京. 天津滨海新区软黏土吸附力预测方法[J]. 水利与建筑工程学报， 2018， 16(5)： 138-141.

　　[3] 朱利成. 沉箱养生池安放及起浮施工方法研究[D]. 大连理工大学， 2015， 16.