关于干船坞设计一些问题的讨论

摘要对干船坞工程中的部分设计与施工进行探讨。

关键词干船坞;设计;施工技术

中图分类号U673文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0051-01

0引言

船坞,不论是干船坞还是浮船坞,均是修造船的场所,只是前者是在陆上,后者是在水上的不同。

干船坞工程是土木工程中水工工程的一个分支。它与其他水工工程相比,虽有很多相同的内容,但由于功能的差异,也有其固有的特殊内容。例如与码头工程相比,除有靠船护舷、系船柱、门机等以外,还有牵引车、作业车、登船塔;压缩空气、氧气、乙炔、二氧化碳、蒸汽、淡水、海水等动力给排水系统、灌排水系统,特别是还有坞门、坞室和泵房。因此,要设计一结构简单、实用、经济又方便施工的干船坞工程,确非容易,但通过多年来工程技术人员的辛勤劳动,已建成了不少设计和施工均优的干船坞工程。当然,干船坞工程也如其他事物一样,随着实践到认识的不断深化,总有新认识,现就初浅不成熟的认识,对以下问题作一讨论。

干船坞工程,也与其他水工工程一样,由于所处水文、地质条件的不同,其结构形式也繁多,故以下讨论的问题只局限于建在岩基上的、减压排水结构式的干船坞,其中:坞口结构为整体重力式;坞室结构为分离式;坞门为浮箱式和卧倒式;排水为泵配真空虹吸式;灌水为真空虹吸式和坞门设进水管式。在分离式坞室结构中,坞墙结构为全、半扶壁重力式和衬砌式;坞底板结构为设中、边板式。

1围堰

干船坞,位于水域中,或多半长深入水域中,为省去耗资巨大的临时围堰工程,除设计为浮箱式而水上施工外,大多均为采用干施工而建临时围堰式。

围堰,除挡水外,还要抗浪、流和防渗作用。根据所处的水文和地质条件,其结构形式可分为钢板桩式、沉箱重力式和填土式,但如果施工完后,拆下的沉箱能用于其他工程,则采用沉箱重力式的较为经济。为降低围堰的渗水量,减少施工期内抽排水量,沉箱重力式的,其抛石基床要沿堰轴线的一定宽度范围内作升浆处理;填土式的,要沿堰轴线设旋喷心墙。

围堰,不论为何种结构形式,当坞门在坞室内建造时,应在堰内于低潮位处,设横穿堰的进水管,管的内、外端设带止水的闸门,为能灌水起浮、安装坞门而省除设跨越堰的临时灌水虹吸管和配真空泵;对小吨位、不设下坞通道的船坞,堰与坞口之间要有足够的宽度,以便施工期设进、出坞室的临时车道。

此外,填土式围堰,应在施工完后、拆堰前,对内坡按短期而可较小的边坡稳定系数进行验算,以便在拆堰时,先于堰内在陆上削挖部分内坡,这样,挖出的部分填料可重复利用,更可减少水上挖弃方量,收到降低造价、缩短工期和减少污染的效果。

2坞口

干船坞,坞口和坞门是拆围堰后的挡水结构,也是船进出的口门。

2.1坞墩

坞口的坞墩,除支撑坞门外,还承受由坞门传来的巨大水压力,须有足够的抗倾、抗滑的稳定性,其结构形式,根据所处的地质条件,可为实体式、扶壁式和空箱式,当地基为岩基时,常采用整体重力实体式的。相对地说,实体式的虽比空箱式的稳定性好,施工方便,但属于大体积混凝土。大体积混凝土的防裂问题,无论是在理论或实践上均未解决,只得说“无混凝土不裂”。防裂计算也同其他结构计算一样,也要有基本的计算简图和相应的计算公式。现在一些文献所述的温度裂缝内容,既未绘出计算简图,也未列出合理的计算公式。温度变化的变形与受力变形是绝然不同的二种变形型态,前者是各向同号、同变形系数;后者是受力向与非受力向不同号、不同变形系数。致于温度应力计算简图,即便是圆球体都绘不出来,何况是块体,就更难绘出来。为了利用实体式的优点,又回避防裂这一难题,于坞墩内设一浆砌块石实体,周边为1.0m壁厚的钢筋砼,成为改进性实体式,将内部水泥水化热的绝热温升降至相当小的程度,而省去设循环冷却水管。这样做,比在坞墩内设很多浆砌块体柱,即经济、简便,还可避免因温度不同相互约束于坞墩内部产生很多温度裂缝。

2.2门框

坞口的门框是直接支承坞门的,框的结构形式有预埋U形不锈钢板的和砌花岗石的。在砌花岗石的中,坞口预埋锚筋与花岗石插植锚筋有设计为搭接焊的和绑扎的。

框是由两垂直边和水平槛组成的立体形结构,施工要做到在一垂直平面内,而且与坞门接触面很平整,使其与坞门的止水带能紧密贴靠而不渗漏水,是有一定难度的。为便于控制,在产花岗石的地区,应不采用预埋U形不锈钢板的,而优先用砌花岗石的,并且锚筋不搭接焊,采用绑扎。锚筋如采用搭接焊,由于焊接应力的存在,使用靠尺控制已砌好的花岗石,还要设顶拉杆,以防移动而影响平整度,何况锚筋已有足够的锚固长度,能相互锚着而无须焊接。此外,除每对锚筋扎固外,每层、条锚筋应按要求设分布筋,以固定锚筋间距和细化二次浇注混凝土的干缩裂缝。

2.3坞室

坞室,由坞墙和坞底板组成,是修造船作业的活动区。

2.3.1坞墙

在岩基上建减压排水分离重力式坞墙,按岩面坡度划分为全扶壁式、半扶壁式和衬砌式的。

1)扶壁肋板结构。肋板的结构型式有矩形的有梯形的,矩形的比梯形的施工方便,混凝土方量少,即便后趾板的后侧增厚加长,配筋量还是比较少而经济的。特别是在支承门机梁范围内,矩形肋板配有较多的竖向筋,构成暗柱,而梯形虽也配有较多的筋,但是斜的和横的,并且斜筋由下而上还逐渐截断减少,受力很不合理。

2)扶壁后趾板结构。整个坞墙的抗滑稳定如满足要求,后趾板的后侧边就不须加厚而形成抗滑齿。扶壁式重力码头,其后趾板的后侧边就未设抗滑齿,可作为借鉴,而简化施工,且经济。

3)半扶壁和衬砌壁后减压排水系统。坞室底板下的减压排水系统设无砂大孔混凝土垫层做汇水层,还设纵、横排水管,是合理的。墙后岩基渗出的水,不似坞室底板下的平流,而是由上而下垂直流,应只设碎石汇水层,并于最下部设水平向排水管,经支管与渗水井相连通,而无须设纵、横排水管,更不应只设纵、横排管,而不设汇水层。这样改后,既简化施工,且经济、合理。

4)半扶壁和衬砌壁锚杆。同上述理解,设了减压排水系统,因仅下部有一定水压(岩基无侧向土压力),就不须设锚杆。如为安全起见,只在下部设锚杆,或再在上部设锚杆,以增强整体稳定性,而不须于中部设数层锚杆。此外,所设的锚杆于端头应加弯折段作为锚头,并于表层钢筋相连接,以做到经济合理。

5)坞首排水明沟。坞室都设有横向排水坡,使雨水排入坞墙前趾排水明沟内,流入集水池,因此不论设纵向坡与否,坞首坞墙的前趾排

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水明沟无水可排,可以取消,做成实体的。

2.3.2坞底板

坞底板主要起支承龙骨墩作用,当设有下坞通道时,如道路一样,供车辆行驶用。在岩基上建减压排水式坞底板,同样沿纵向也分为中板、边板,中板两侧的边板为一至数条,横向分格与坞墙分段相对应。分条、格的间距,除如一般土木工程一样具有变形缝概念外,还因是钢筋混凝土结构,受水泥水化凝缩和失水干缩等收缩的影响,以不超过15m为宜。

1)涨缝、缩缝。按试验结果,混凝土的收缩变形系数为3×10-4,比其热线膨胀系数1.0×10-5大,因此,钢筋混凝土坞底板分条、格的缝,应以设缩缝为主,纵向分条缝为缩缝;横向分条缝,除设2～3个胀缝外,其余均为缩缝。这样设缝,既合理,又经济,因缩缝的缝间只需刷沥青油,而胀缝的缝间须设沥青木丝板。

2)缝形式。不论缩缝或涨缝,一般设计为凹凸榫槽式。在岩基上的坞底板,因岩基是几乎不可压缩的,板受力后也几无弯曲变形,故有“凹凸榫槽设与否均可”的说法。既然不设也可以,那就不设而改为平接形式。这样可节省钢筋,简化钢筋的加工和绑扎,便利模板的制作和支拆,以及坞墙与坞底板的止水带不须错开连接,不使简单问题复杂化。

3)减压排水层结构。坞底板下的减压排水层,早期为排水棱体,后为无砂大孔砼层所替代。在这里,无砂大孔砼既起蓄汇水作用,还起垫层作用。C10无砂大孔砼层的承载力是高于石质棱体,但无滤水功能,须增设土工反滤布。无砂大孔混凝土层的减压排水结构应除在排水管沟内设土工反滤布外,还应在其与岩基之间满铺土工反滤布,以防减压排水系统失效,危机底板的安全。

在岩基上建干船坞,坞室结构究竟应采用何种形式是值得思考的,一些文献对此有以下论述:

在《港口水工建筑物》书中,有这样的论述“如果地基是几不透水的硬粘土或岩石,坞室两侧的土体或岩体能保持自身稳定,这时只需在底板需要安放龙骨墩的位置做底板,坞室表面的其他部分可做简单的衬砌或不做衬砌。”而且还例举了英国别根海特干船坞坞室断面图,相应的文字叙述是“船坞自地面以下均为砂岩,故坞室两侧可做衬砌,仅在断层和裂缝处灌注混凝土,在坞底上浇注一薄层优质混凝土。”

在现行《干船坞设计规范》中,“第3.1.38条,分离式坞室底板厚度由计算确定。桩基底板厚度不宜小于0.6米,岩基底板厚度不宜小于0.2米。对于质地坚硬的岩基衬砌式底板,可不做强度计算,但对局部软弱带应做必要的处理。”在该规范的编制说明中对这条的解释是“岩基底板的最小厚度为岩基强度很高的情况,此时的底板,实际上是衬砌,其作用为:① 起找平作用;② 保护岩体;③ 防止水渗入地基,故其厚度非受力控制,考虑到岩基开挖后必凹凸不平,故衬砌厚度不宜小于0.2米。”

3结论

按以上论述,在岩基上建干船坞,应结合岩基具体情况,特别是在质地坚硬的花岗岩地区建干船坞,结构型式更应优化。当然,要达到目的,在开挖坞坑时,为控制好边线,应采用密孔法、护层法或预裂法的控制边线爆破法;为控制好底标高,保护底部岩基的完整性,须留一定厚度的保护层,最后用浅孔爆破爆至设计标高。如果能这样设计与施工,能获得很大的经济效益。

作者简介

王玉荣(1975―),女,汉族,山东烟台人,港口与航道工程专业,本科,学士学位,山东海上建港有限公司工程师。