丁紅巖 ，劉憲慶，張浦陽(yáng) ，刁景華，徐飛飛

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；4. 海軍工程大學(xué)天津校區(qū)，天津 300450；5. 曹妃甸基礎(chǔ)設(shè)施投資集團(tuán)有限公司，唐山 063200)

筒型基礎(chǔ)是一種新型的海洋平臺(tái)基礎(chǔ)形式，具有氣浮拖航、負(fù)壓下沉和重復(fù)利用性的優(yōu)勢(shì)．在淺海區(qū)水深不足、大型施工機(jī)具不能通過(guò)運(yùn)輸船送到指定地點(diǎn)時(shí)，筒型基礎(chǔ)平臺(tái)可通過(guò)充氣浮運(yùn)用駁船拖到指定地點(diǎn)，然后通過(guò)負(fù)壓進(jìn)行下沉[1]．同傳統(tǒng)打入樁基礎(chǔ)相比，可以顯著地減少海上施工的時(shí)間和費(fèi)用，并可以重復(fù)利用，特別適合我國(guó)邊際油田的開(kāi)發(fā)．

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于筒型基礎(chǔ)的研究主要集中在靜穩(wěn)性的機(jī)理和分析上[2-4]，而對(duì)波浪作用下筒型基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)以及拖航過(guò)程中的動(dòng)穩(wěn)性還缺乏試驗(yàn)依據(jù)和理論分析．拖航中的干舷高度、基礎(chǔ)與基礎(chǔ)之間的距離、基礎(chǔ)的尺寸以及拖航過(guò)程中的水深、波浪條件和拖航速度等都是影響筒型基礎(chǔ)穩(wěn)性和耐波性的主要因素．拖航速度過(guò)低即拖航動(dòng)力不足時(shí)，平臺(tái)移位困難，平臺(tái)受波浪影響，還有可能帶動(dòng)拖輪運(yùn)動(dòng)；拖航速度過(guò)大時(shí)，拖船功率也隨之提高，拖航費(fèi)用增加，過(guò)大的拖航速度還會(huì)降低平臺(tái)的穩(wěn)性和耐波性；因此合理地選擇拖航速度是保證拖航經(jīng)濟(jì)性和安全性的必然要求．本文采用模型試驗(yàn)的方法，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上設(shè)置壓力、拉力和加速度傳感器的方法[5-6]，分析了不同拖航速度對(duì)四筒型基礎(chǔ)海洋平臺(tái)的穩(wěn)性以及操縱性的影響．

1 理論分析

1.1 相似理論

模型試驗(yàn)中采用的相似理論公式[7]如下所述．

幾何相似常數(shù)：

式中：l、b和h分別為模型或原型的長(zhǎng)、寬和高；下標(biāo)m和p分別表示模型和原型．

1.2 平臺(tái)拖航阻力

平臺(tái)在拖航時(shí)所遭受的阻力包括黏性阻力、興波阻力和風(fēng)壓阻力[8]．黏性阻力包括形狀阻力和摩擦阻力．由于水下部分是由圓柱體組成，形狀阻力[9]為

式中：ρ為海水密度，1 .0 25× 1 03kg/m3；A為迎流面積，m2；v為拖航速度，m/s；CD為阻力系數(shù)，取決于雷諾數(shù)．

摩擦阻力為

式中：S為濕表面積，m2；Cf為摩擦阻力系數(shù)，取為0.002 2．

1.3 構(gòu)件所受波浪力

對(duì)于圓柱形構(gòu)件所受波浪力，按照其尺寸大小的不同采取 2種不同的計(jì)算方法．對(duì)于小直徑構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件的直徑 D和波長(zhǎng)λ的比值相對(duì)很小( /Dλ≤0.15)時(shí)，采用半經(jīng)驗(yàn)半理論的Morison公式；對(duì)于大直徑構(gòu)件，采用 MacCamy和 Fuchs提出的繞射理論[10]．

筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)于波浪來(lái)說(shuō)是小尺寸構(gòu)件，計(jì)算時(shí)采用 Morison公式．波浪對(duì)結(jié)構(gòu)單筒作用形式如圖1所示．

圖1 筒體波浪作用示意Fig.1 Schematic diagram of wave action on bucket

當(dāng)入射波由x軸的正向傳來(lái)時(shí)，在厚度為dz的圓柱形切片上受到的沿x軸方向的波浪擾動(dòng)力為

式中：u為切片處未擾動(dòng)的波浪中流體質(zhì)點(diǎn)的速度；CM為質(zhì)量系數(shù)，對(duì)于圓形剖面的柱體，CM=2 .0，CD= 1 .0[11]．

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型

本試驗(yàn)以海軍某吸力錨搶修平臺(tái)為原型，采用1∶20比例模型(原型平臺(tái)筒直徑6.0,m，筒高7.0,m，平臺(tái)整體高度 22,m)．模型為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)．試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓蛻T性力傅汝德相似定律進(jìn)行相似比設(shè)計(jì)，為使平臺(tái)模型重量分布與平臺(tái)原型相似，相應(yīng)地縮小模型重量，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型滿足總重量、重心位置和慣性矩相似[12]．根據(jù)平臺(tái)重量分布，模型配有一定重量的壓載以模擬平臺(tái)上的設(shè)備重量．圖 2為波浪控制系統(tǒng)，圖3為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑘D4為模型入水圖．

圖2 波浪控制系統(tǒng)Fig.2 Wave control system

圖3 1∶20的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experimental model of 1∶20

圖4 拖航模型入水Fig.4 Model of towing in water

2.2 傳感器布置

傳感器包括拉力傳感器、壓力傳感器(包括氣壓力和水壓力傳感器)和加速度傳感器．拉力傳感器固定于拖車(chē)上，作用點(diǎn)處安裝有滑輪，拖纜繞過(guò)滑輪將結(jié)構(gòu)模型與拉力傳感器連接；氣壓力傳感器布置在筒內(nèi)頂部，水壓力傳感器布置于筒底；加速度傳感器固定于平臺(tái)頂部中間位置．傳感器布置如圖 5所示．在拖航過(guò)程中，x方向?yàn)榭v蕩方向，y方向?yàn)闄M蕩方向，z方向?yàn)榇故幏较颍?/p>

拖航時(shí)筒體編號(hào)如圖6所示，1號(hào)筒和3號(hào)筒在前，2號(hào)筒和4號(hào)筒拖航．

2.3 設(shè)計(jì)組合

試驗(yàn)采用多因素正交設(shè)計(jì)方法，利用正交組合表來(lái)安排試驗(yàn)組合．單個(gè)因素水平情況設(shè)置為 3個(gè)：在吃水深度、傾斜角度、水深等一定的前提下，進(jìn)行不同拖航速度的靜水拖航試驗(yàn)和規(guī)則波波高 1,m、波周期為5,s下拖航速度分別為1,kn、2,kn和3,kn拖航試驗(yàn)，以研究筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能．波浪拖航組合如表1所示．

圖5 結(jié)構(gòu)立面及傳感器布置Fig.5 Vertical structure and layout of sensors

圖6 筒體編號(hào)Fig.6 Numbers of cylinders

表1 拖航組合Tab.1 Combinations of towing

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

試驗(yàn)中，水壓力和氣壓力采用DS-30型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集，加速度通過(guò) DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集．從圖 6可以看出，結(jié)構(gòu)前后左右對(duì)稱且筒底水壓力和筒內(nèi)氣壓力的變化趨勢(shì)一致，所以選取系纜筒 1號(hào)筒和非系纜筒 2號(hào)筒的穩(wěn)定階段的筒底水壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較．以下各圖中數(shù)據(jù)均為由模型測(cè)試數(shù)據(jù)根據(jù)相似定律轉(zhuǎn)化后的對(duì)應(yīng)原型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，分析中的峰值都采用測(cè)試參數(shù) 1/3實(shí)測(cè)峰值進(jìn)行分析討論[13-14]．

試驗(yàn)中采用的規(guī)則波波高 1,m、周期 5,s．根據(jù)微幅波理論[15]計(jì)算所得的波長(zhǎng)為 38.87,m，每個(gè)筒的直徑為 6,m，筒直徑和波長(zhǎng)的比值為 0.15(屬于小尺度構(gòu)件)，采用Morison公式計(jì)算波浪力，計(jì)算所得的阻力如表2所示．

表2 拖航阻力Tab.2 Drags of towing

3.1 靜水無(wú)波浪拖航分析

目前主要是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法計(jì)算筒型基礎(chǔ)海洋平臺(tái)拖航阻力．由于拖航是在室內(nèi)進(jìn)行，所以不考慮拖航中風(fēng)的影響．靜水拖航時(shí)，在吃水確定的情況下，重力、浮力和水阻力值也可以基本確定(結(jié)構(gòu)的傾斜會(huì)導(dǎo)致重力、浮力和阻力力矩產(chǎn)生小幅變動(dòng))．根據(jù)傾斜力矩和恢復(fù)力矩的平衡關(guān)系可知，拖纜力有一極限值，即航速存在上限．本平臺(tái)的無(wú)波浪拖航速度上限為3.5 kn．

圖7和圖 8是無(wú)波浪拖航下系纜筒和非系纜筒的水壓力變化曲線，圖 9為靜水拖航的拖纜力變化時(shí)程．

圖7 1號(hào)筒水壓力Fig.7 Water pressure of No.1 bucket

圖8 2號(hào)筒水壓力Fig.8 Water pressure of No.2 bucket

圖9 靜水拖航的拖纜力變化時(shí)程Fig.9 Time history of tension in still water

由圖 7和圖 8可以看出，在靜水拖航的穩(wěn)定階段，系纜1號(hào)筒的水壓力變化穩(wěn)定且隨著拖航速度的增加而增加，非系纜2號(hào)筒的水壓力變化不穩(wěn)定且隨拖航速度的增加而呈下降趨勢(shì)．當(dāng)拖航速度在 2 kn以內(nèi)時(shí)，1號(hào)筒的筒底水壓力變化不明顯，最大幅值變化為 0.61,kPa，而拖航速度在從 2 kn增加到 3 kn的過(guò)程中，1號(hào)筒底水壓力顯著增大，最大增幅為8.76,kPa；原因在于隨著拖航速度的變大，1號(hào)筒沿著拖航方向傾斜，且速度越大 1號(hào)筒入水深度也就越大，所以筒底水壓力不斷變大．2號(hào)筒在拖航速度從1 kn增加到2 kn再增加到3 kn的過(guò)程中，水壓力值不斷降低且變化呈現(xiàn)不規(guī)則的振蕩；原因在于拖航時(shí)2號(hào)筒也沿著拖航方向傾斜，筒吃水高度降低，水壓變小，引起筒底水壓力變化的主要原因是由于靜水運(yùn)動(dòng)中的基礎(chǔ)興起波浪，且拖航速度越大，興起的波浪越大，處于尾部的 2號(hào)筒振蕩越明顯，興波阻力也很快增長(zhǎng)．

由圖 9可以看出，隨著拖航速度從1 kn順次增加到3 kn，最大拖纜力都是發(fā)生在脈沖變化部分．這個(gè)最大拖攬力是由于開(kāi)始時(shí)結(jié)構(gòu)速度小于拖車(chē)、隨著拖纜被拉直拖車(chē)結(jié)構(gòu)受到拖纜拉力產(chǎn)生的瞬時(shí)值，此瞬時(shí)值也隨著拖航速度的增大而增大；拖航 80,s以后的運(yùn)動(dòng)，由于拖纜被拉直，拖纜力處于穩(wěn)定波動(dòng)變化狀態(tài)，產(chǎn)生波動(dòng)的原因是由于結(jié)構(gòu)的興波作用，波動(dòng)的幅度也隨著航速增加而增加．

3.2 順浪拖航分析

圖10為順浪拖航時(shí)不同航速下拖纜力的變化情況，圖 11為縱蕩方向即 x方向的加速度時(shí)程曲線．可見(jiàn)拖纜力的變化和拖航速度以及x方向加速度變化相關(guān)：拖航速度越快，拖纜力越大；縱蕩加速度越大，拖纜力脈沖變化幅度就越大．

從圖 10可以看出，拖航速度為 1 kn時(shí)，拖纜力變化穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)緩慢，波浪推動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)．從圖11可以看出，拖航速度為1 kn時(shí)，縱蕩方向的加速度呈現(xiàn)規(guī)則的正弦運(yùn)動(dòng)，波浪帶動(dòng)基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)拖航速度從1 kn變化到2 kn、從2 kn變化到3 kn時(shí)，拖纜力的增幅分別為 848%和 47%，且縱蕩加速度最大值分別達(dá)到 0.022,m/s2、0.086,m/s2和 0.054,m/s2，幅值先增后降．原因在于波浪對(duì)平臺(tái)拖航時(shí)的作用力隨著航速與水質(zhì)點(diǎn)水平振蕩速度的相對(duì)值而變化：當(dāng)拖航速度為1 kn時(shí)，振蕩速度大于航速，波浪對(duì)平臺(tái)的作用力與拖航力方向一致，拖纜承受的力相對(duì)較小，波浪推動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)拖航速度為2 kn時(shí)，振蕩速度小于航速，波浪對(duì)平臺(tái)的作用力和拖航方向相反；當(dāng)拖航速度為 3 kn時(shí)，雖然波浪的作用力方向仍然和拖航方向相反，但是增加的幅度降低，所以縱蕩加速度呈先增加后降低的趨勢(shì)．

圖10 拖纜力時(shí)程(順浪)Fig.10 Time history of tension(following wave)

圖11 x方向加速度時(shí)程(順浪)Fig.11 Time history of acceleration in x direction(following wave)

圖12 和圖13為通過(guò)加速度傳感器測(cè)得的順浪、不同拖航速度下橫蕩和垂蕩加速度時(shí)程變化．從圖12可以看出，在拖航速度為1 kn、2 kn和3 kn時(shí)，在拖航橫蕩方向的加速度絕對(duì)值幅值分別為0.037, m/s2、0.068,m/s2和 0.040,m/s2，加速度先增后減．從圖 13可以看出，拖航速度為1 kn時(shí)，垂蕩加速度幅值和振蕩幅度明顯小于拖航速度為2 kn和3 kn時(shí)的幅值和振蕩幅度，且拖航速度從1 kn順次變化到3 kn時(shí)，加速度幅值也是先增后減，增幅為146%，降幅為17.4%．這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫蕩與水質(zhì)點(diǎn)水平振蕩速度和拖航速度相對(duì)值有關(guān)：振蕩速度大于航速時(shí)，相對(duì)值越大，橫蕩越大；振蕩速度小于航速時(shí)，相對(duì)值越大，橫蕩越小．拖航速度為 1 kn時(shí)，振蕩速度大于航速，航速接近于振蕩速度，橫蕩運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小；拖航速度為2 kn時(shí)，振蕩速度小于航速，幅度大于振蕩速度和航速相對(duì)值較大時(shí)的 3 kn拖航．結(jié)構(gòu)垂蕩是由于波浪變化引起的，隨著航速的增加而增加；但是當(dāng)航速達(dá)到一定限制時(shí)，增加的幅度將變得平緩．

圖12 y方向加速度時(shí)程(順浪)Fig.12 Time history of acceleration in y direction(following wave)

圖13 z方向加速度時(shí)程(順浪)Fig.13 Time history of acceleration in z direction(following wave)

3.3 逆浪拖航分析

圖14 和圖15為逆浪、不同航速下拖航的拖纜力和縱蕩加速度時(shí)程變化曲線．可以看出，拖纜力隨著拖航速度的增加而增加；在拖航速度小于2 kn時(shí)，拖纜力的脈沖幅度相對(duì)較?。辉谕虾剿俣却笥? kn時(shí)，拖纜力脈沖幅度較大；航速?gòu)? kn增加到2 kn、從2 kn增加到 3 kn時(shí)，拖纜力增幅分別為 563%和 29%．原因在于逆浪拖航時(shí)，當(dāng)拖航速度較小時(shí)，水質(zhì)點(diǎn)水平振蕩速度大于航速，拖航過(guò)程中的摩擦阻力和形狀阻力相對(duì)較小，作用在結(jié)構(gòu)上的力主要是波浪力；當(dāng)拖航速度較大即大于振蕩速度時(shí)，拖航過(guò)程中的形狀阻力增加．從圖 15還可以看出，縱蕩加速度隨著拖航速度的增大其幅度和幅值都呈增加的趨勢(shì)，拖纜力脈沖的幅度和幅值都隨著縱蕩加速度的增加而增加．

圖14 拖纜力時(shí)程(逆浪)Fig.14 Time history of tension(head wave)

圖15 x方向加速度時(shí)程(逆浪)Fig.15 Time history of acceleration in x direction(head wave)

圖16和圖 17為不同航速下逆浪拖航橫蕩和垂蕩加速度變化曲線．從圖 16可以看出，逆浪拖航下，橫蕩加速度隨著航速的增加而降低，在拖航的穩(wěn)定階段橫蕩也是穩(wěn)定的，橫蕩加速度僅有小幅度的波動(dòng)．從圖17可以看出，結(jié)構(gòu)垂蕩運(yùn)動(dòng)在航速為1,kn、2,kn和 3,kn的幅值降低，分別為 0.075,m/s2、0.057,m/s2和 0.042,m/s2，垂蕩運(yùn)動(dòng)的幅度也隨著航速增加而降低．

圖16 y方向加速度時(shí)程(逆浪)Fig.16 Time history of acceleration in y direction(head wave)

圖17 z方向加速度時(shí)程(逆浪)Fig.17 Time history of acceleration in z direction(head wave)

4 結(jié) 論

(1) 筒型基礎(chǔ)在確定的條件下靜水拖航時(shí)，拖航速度存在一個(gè)上限值，該平臺(tái)的最大拖航速度為 3.5 kn．實(shí)際施工中，筒型基礎(chǔ)平臺(tái)必須進(jìn)行靜水拖航試驗(yàn)來(lái)確定此上限值．

(2) 拖纜力的變化主要受航速和水質(zhì)點(diǎn)水平振蕩速度的相對(duì)值、縱蕩加速度的影響．航速小于振蕩速度時(shí)，拖纜力較??；航速大于振蕩速度時(shí)，振蕩速度與航速相差越大，拖纜力越大，但是增加的幅度隨相對(duì)值的增加而降低．

(3) 筒型基礎(chǔ)的縱蕩運(yùn)動(dòng)隨著航速的增加而增加，拖纜力脈沖的幅度也隨之增大．

(4) 隨著航速的增加，順浪拖航時(shí)垂蕩運(yùn)動(dòng)增大，逆浪拖航時(shí)垂蕩加速度降低，平臺(tái)拖航時(shí)遇到大浪情況下，降低拖航速度是保證穩(wěn)性行之有效的途徑．

(5) 為了滿足結(jié)構(gòu)快速性、耐波性以及經(jīng)濟(jì)性的要求，在其他拖航條件一定的情況下，建議該結(jié)構(gòu)的拖航速度為2 kn．

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