1、 1三齿锚盘设计与试验研究刘建国 蔡昕 上海海坚航测技术有限公司摘 要：锚盘是系泊系统中沉石的型式之一，常用于航标灯船的系泊系统中，是航标在水中定位的重要装置。本文介绍了一种适用于浮标系泊系统的小型三齿锚盘，现场抛设及试验表明该装置设计合理，安全可靠，操作方便，抓地牢靠，具有良好的应用前景。关键词：沉石；锚齿；锚盘1 概述浮标和船舶的系泊都涉及水下固定问题，重力锚碇和嵌入锚碇是最常用的二类方案，以船系泊为例，利用港口提供的系船浮筒停泊的是典型的嵌入锚碇系泊，而船舶下锚停泊是以重力锚碇为主的系泊，兼有锚齿嵌入泥底增加锚碇力。传统的浮标系泊是典型的重力锚碇（沉石或沉锤），受到现有作业船舶（大标船）
2、起重能力的限制，目前所用沉石的空气中重量在 6 吨左右，在海底可产生的的锚碇力约为 2 到 3 吨。本文介绍一种小型三齿锚盘，依靠重力和锚齿的嵌入来增大锚碇力，保证系泊端点的稳固。浮标的系泊系统是浮标在水中准确定位的重要装置，其工作状态的正常与否直接影响着航道的通畅和船舶航行的安全，系泊系统重要的技术参数只有二个，其一是回旋半径的大小，其二是沉石的锚碇力，二者是相互关联的，当沉石的锚碇力足够大时，浮标的回旋半径可以减小，进而提高助航的精确度，反之亦然。随着大型、超大型船舶的不断投入运营，水运航道的疏浚、整治工作明显地跟不上水运快速发展的要求，这就对航道的保持通畅提出了更高的要求，而浮标正是提供
3、正确航道指引的重要装置。伴随着大型、超大型船舶的出现，浮标的尺寸、规格等也发生了一些变化，进而对沉石也提出了新的、更高的要求。现役的浮标系泊系统中的沉石形式非圆即方，尺寸较小（直径或对角线均在 3米以内），浮标移位现象时有发生，对沉石进行适当的改造势在必行。2 技术方案浮标系留系统在最大受力状态时，锚链从悬链状态变成约束链状态，即整根2锚链都在水中绷直且与水底面不接触，水中沉石受到侧向拉力作用，会产生二种运动趋势，其一是克服最大静摩擦力的水平移动，其二是沉块的侧向翻转，增大沉石的几何尺寸能够有效抑制沉块的侧向翻转。相同水下重量的沉石，混凝土沉石的尺寸大，抗侧向翻转的性能更好，至于沉石受力后将产
4、生那一种运动状况，取决于设标点的水底泥质，硬质水底摩擦力小，易产生水平移动，淤泥质水底会产生淤陷，摩擦力大易产生侧向翻转。锚盘是锚和沉石的复合体，兼有重力和嵌入锚碇双重特点，是传统的航标灯船系泊系统的固定端，例如位于珠江口的马友石灯船至建成以来一直使用15吨的大型锚盘。灯船用锚盘可根据设标点的环境情况调整锚盘锚爪的型式（三齿、六齿或八齿）和大小（10吨或20吨），以满足灯船系留系统驻位的要求。锚盘的附加抓力取决于锚爪所涉及土壤的质地和数量，锚盘的抛设方法与传统的锚相差不大。本文描述一种专为长江口航道浮标系泊的三齿锚盘的设计，在不增添其它作业设备，保证大标船能正常施工的前提下，有效提高沉石的锚碇
5、力，在保证浮标不走位的条件下，为控制浮标回旋半径工作的开展，打好坚实的基础。锚盘体为三角形，每角顶部有一可向上转动的锚腿，锚腿的前部是一具有尖锐导角的钢管质锚齿，可依靠锚腿的自重压入泥土中。三齿锚盘展开的尺寸达到5米直径，具有很低的重心和很好的投放稳定性，在从大标船投放到水底的过程中，水中阻力会使三条锚腿转动，但不会产生翻倒，每只可转动的锚腿及钢管锚齿可在航道的边坡等非平整泥面稳固，这是传统的沉石无法企及的。以锚盘为固定端的系留系统在最大受力状态时，锚盘承受到水平拉力作用，也会产生二种运动趋势，其一是克服最大静摩擦力的水平移动，包括锚盘水中重量所产生的摩擦力和三只锚齿嵌入泥土所产生的主动、被动
6、土压力；其二是锚盘的侧向翻转，这种翻转运动趋势可简化为为锚盘体三角形的一条边向下压紧海底泥土，其对应的角及角部连接的锚腿则向上翻转。与传统的沉石相比较，三齿锚盘的空气中重量为5吨，与沉石十分接近，只是三齿锚盘为钢构件，内腹填充混凝土，平均密度为每立方米4吨，三只可转动的锚腿与锚盘体为可拆装的销轴结构，在不考虑锚齿嵌入的情况下，其水中锚3碇力也有1.5吨。为估算锚盘可承受水平拉力的力学参数规模，我们将三齿锚盘看做三只单独嵌入不同土质的锚齿，锚齿的参数为直径250毫米深度650毫米，查阅类似参数的锚水平拉力为0.83吨到1.15吨（抓力锚和海军锚）；查阅类似参数的土中桩水平拉力为1.33吨到2.5
7、7吨；取其最小值0.83吨来推算，三只锚齿可带来约2.5吨的水平拉力值，整个锚盘的估算水平拉力达到4吨，较同等重量的铸铁沉石的水中锚碇力1.72吨高出2.325倍。传统沉石结构中 6 吨混凝土沉石的翻转力矩最大，约为 1.2 吨米；在不考虑锚齿嵌入力的简化条件，三齿锚盘的翻转力矩约为 3.5 吨米，相比较高出约3 倍，据此推算，5 米直径 5 吨重的三齿锚盘锚碇力相当于重量 20 吨左右的沉石。3 结构设计沉石在水下工作，环境十分复杂，河床地质情况千差万别，对沉石在水下的抛设就位影响极大。为了适应严酷、恶劣的水下环境，总结多年的成功经验，我们研制了一种小型的三齿锚盘。其由锚盘体和三个简易锚齿组
8、合而成（见下图）。具有结构简单、操作便捷、抛设方便等特点。锚盘体为钢结构件（见下图），其内部可根据需要充填高密度混凝土，其形状为三角形的六边体，也可根据锚齿数设计成多边形或圆形。三齿锚盘体的重量约为 2 吨。4锚腿和简易锚齿是锚盘结构的关键部件（见下图），锚腿横截面的形状可根据用户的需要并结合使用的要求采取多种形式（主要视锚齿结构和重量等要素而定）。我们在设计锚杆时采用的是箱梁结构，内部充填高密度混凝土以增加压重；我们选用 250*12 无缝钢管来作简易锚齿，抓地部位采取中空的楔角形式，这种结构形式简单，制作方便，楔入泥土效果显著，具有明显的结构特点。为便于大标船的抛设和回收，与灯船用锚盘的钩
9、状锚齿相比较，现锚齿改进为直管式，以减小回收时的阻力，便于操作和存放。5锚盘体与锚腿采用可拆装的销轴结构连接，三齿锚盘的组合直径达到 5 米，高度约 1.2 米，重心很低，具有良好的稳定性。锚盘体的重量约为 2 吨，每只锚腿的重量约为 1 吨，展开直径可达 5 米，具有良好的稳定性6锚盘体限制锚腿向下转动，锚腿可自由上扬，适应在航道边坡等不平整水底环境的有效使用。锚盘体底部平整，入水后能与泥土贴合。4 抛设及试验三齿锚盘可在大标船的设备上正常抛设，但占用甲板面积较大，施工时要注意安全，起吊时要预先在二条锚腿上装辅助稳定作用的手拉缆绳，防止晃动。起吊时要保证船舶稳定，疏散人员7二条锚腿靠近船舷，
10、并用辅助缆绳拉住用弹式卸扣保持三齿锚盘悬挂在船外，待定位核准后即可准确抛设。三齿锚盘可利用大标船绞车回收，当绞升到标船底部时，二条锚腿会沿船8体向下，第三条锚腿向上露出水面，套好辅助缆绳后，改由吊车起吊。如甲板或大标船存放位置紧张，可将锚盘拆分为四块，分别存放。5 改进三齿锚盘能够有效提高浮标系泊的稳定性，如一年试验期内能够印证其先进性，还有许多细节有待改进。原设计时为防止挂锚链，锚盘上表面较光滑，没考虑到回收作业不顺利时的补救措施，建议在锚腿上部加设凹状吊攀，便于辅助打捞。锚盘体与锚腿采用可拆装的销轴结构连接要便于船上作业安装，间隙和结构有待进一步调整，便于大标船的存储。三齿锚盘将要逐步系列化，形成更轻便的商品化规格，适应航道浮标多样化的需求。
