閆澍旺，郭冠群，任宇曉，孫立強，雷震名

(1.天津大學建工學院，天津 300072;2.海洋工程股份有限公司，天津 300451)

船在強風暴作用下可能發(fā)生走錨，拖動的錨可能對海底管線造成破壞，目前已經(jīng)有這方面的報道［1］?，F(xiàn)有海管保護措施主要為將海管放置在挖好的溝槽中并覆蓋碎石進行保護［2］，但對其保護效果和機理的研究還很少。唐堯［3］對走錨船運動形式進行了研究，分析了錨泊船走錨的機理。挪威船級社提出的海底管線系統(tǒng)規(guī)范DNV-OS-F101［4］對管線可能受到的墜落物的撞擊、錨的拖拉以及漁網(wǎng)拖拉的保護措施提出了建議。Wang等［5］利用有限元軟件ABAQUS建立模型模擬錨體拖動經(jīng)過管線保護層的過程和拖動軌跡，并與離心模型試驗的結果進行了對比。

通過在模型槽中對不同比尺的錨進行拖曳試驗，研究發(fā)生走錨時，碎石結構對海底管線的保護效果和保護機理，供實際工程中鋪設海管保護結構設計參考。

1 試驗裝置

1.1 試驗槽

本試驗采用特制的工字鋼和鋼化玻璃組成的大型試驗槽，試驗槽尺寸為3 000 mm×1 000 mm×600 mm(長×寬×深)，如圖1所示。

1.2 地基土與碎石材料

試驗槽內(nèi)土體包括細砂和碎石保護結構，細砂和碎石上表面齊平，細砂平均粒徑d50=0.43 mm。碎石保護結構橫截面為梯形，高約420 mm，底面寬度500 mm，面向拖錨一側坡度為1∶3，另一側為1∶0.6，平均粒徑d50=20 mm。

1.3 模型錨

本試驗以商船常用的霍爾錨為原型，按不同比尺定制了質(zhì)量分別為70.5 kg、23.9 kg和5.7 kg三種尺寸的模型錨，如圖2所示。

圖1 大型試驗槽Fig.1 A large test flume

圖2 模型錨Fig.2 Anchor models

1.4 量測和加荷設備

本試驗中，將量程為5 t的拉力傳感器與錨相連從而實時測量拖拽力，測得的拉力變化通過數(shù)據(jù)采集儀傳輸?shù)焦P記本電腦中;加荷設備由電機、變速箱、帶滑輪的支架、鋼絲繩和鐵鏈組成，鋼絲繩和鐵鏈基本水平，模擬實際船舶錨鏈的拖底部分，使錨體受到水平拉力。

2 試驗方法和過程

根據(jù)落錨位置的不同情況，對3個模型錨共進行10次拖錨試驗，每次試驗時錨的初始位置和埋設深度如表1所示。模型錨的具體初始位置和拖拽距離可以從圖4至圖6中讀出。

表1 拖錨試驗情況說明Tab.1 Introductions of dragging anchor tests

每次試驗開始時，將相應模型錨放置于表1對應位置，用連接好拉力傳感器的錨鏈將錨體與電機相連。啟動電機后，每隔一定時間測量錨爪尖端的水平位置和深度，直到錨體運動到試驗槽盡頭。以落錨處距離碎石較遠工況下70.5 kg模型錨試驗為例，試驗現(xiàn)場拖錨過程如圖3所示。

圖3 拖錨試驗過程Fig.3 Anchor dragging test procedure

拖拽過程中，錨可視為剛體，因此可以根據(jù)固定測點位置的變化由幾何關系計算出錨爪尖端的豎向和水平位置。

3 試驗結果與分析

3.1 錨爪尖端運動軌跡

對試驗結果進行處理，得到70.5 kg、5.7 kg和23.9 kg模型錨不同工況下錨爪尖端入土深度和錨抓力隨錨爪尖端位置變化，如圖4至圖6所示。所有曲線圖的橫軸以試驗槽起始一端端點為零點。

圖4 70.5 kg模型錨試驗曲線Fig.4 Test curve of the anchor model weighing 70.5 kilograms

圖5 5.7 kg模型錨試驗曲線Fig.5 Test curve of the anchor model weighing 5.7 kilograms

通過觀察試驗過程及試驗曲線可知，模型錨受拖拽經(jīng)過碎石保護結構前后的運動過程:

1)錨體落在細砂表面。拖拽開始時，錨爪開始向砂土中嵌入，錨爪與錨柄夾角增大，錨抓力增大，錨體在砂土中的深度先增大然后趨于穩(wěn)定;錨體接觸到碎石保護結構后，錨爪與水平面夾角增大，錨冠抬升，錨爪深度有所減小，錨抓力減小，然后再次達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 23.9 kg模型錨入土深度和錨抓力變化曲線Fig.6 Changing curve of depth and anchor holding power of anchor model weighing 23.9 kilograms

2)錨體落下時嵌入細砂一定深度。拖拽開始時，錨體在斜向上的拖拽力作用下深度稍有減小，錨抓力增大，進入碎石結構之后，錨體抬升，錨抓力減小，達到穩(wěn)定狀態(tài)。

由試驗結果可知，錨體進入碎石保護結構后，土阻力增大，作用在錨上的不平衡力矩使錨體發(fā)生旋轉，錨爪尖位置上移遠離埋設管線，因而可以起到對海底管線的保護作用。

3.2 碎石結構保護機理分析

碎石結構使錨爪深度減小的原因是錨爪與水平面夾角增大，錨冠抬升，這一過程可以看做是錨體圍繞錨柄一端端點發(fā)生旋轉的過程，以下將對錨體旋轉的過程和機理進行分析說明。

3.2.1 拖錨過程中錨體受力分析

為便于說明，將錨體形狀簡化為丁字形，簡化方法如圖7(a)所示，錨在土體中運動時的受力圖如圖7(b)所示。

圖7 錨體受力簡化示意Fig.7 Sketch map of the anchor under stress

圖7(b)為錨在細砂中運動的受力圖，如圖所示，拖動過程中，錨體所受外力包括:錨自身的重力G，拖拽力F，土體對錨爪的被動土壓力F土1和對錨冠的被動土壓力F土2，以及土體對錨體的支持力N。對同一個錨來說，導致錨體在碎石中抬升的主要原因為錨體在不同土體中所受的被動土壓力不同，因此對錨體所受被動土壓力進行重點分析。

根據(jù)庫倫土壓力理論，錨體受到的被動土壓力PP等于錨冠和錨爪所受被動土壓力之和，可由式(1)計算:

式中:γ為土體容重，H1和H2為被動區(qū)厚度，Kp1和Kp2分別為錨冠和錨爪被動區(qū)的被動土壓力系數(shù)，可由式(2)確定。

式中:φ為土體內(nèi)摩擦角，α為錨冠或者錨爪與豎直方向夾角，δ為土體與錨體摩擦角，β為被動區(qū)土體表面與水平面夾角。將式(2)簡化后對φ求導可知，被動土壓力隨內(nèi)摩擦角φ增大而增大。

3.2.2 錨體轉動機制分析

錨體所受的上述作用力形成使錨體轉動和抵抗轉動兩方面的力矩，轉動方向為順時針方向，矩心為錨柄與錨鏈相連的一端端點O(見圖7(b))，其中土體對錨的作用力產(chǎn)生轉動力矩，錨自身的重力產(chǎn)生抗轉力矩。土體對錨的作用力因拖拽力而產(chǎn)生，但拖拽力與矩心共線，不產(chǎn)生轉動力矩。

對同一個錨來說，錨自身重力G不變，拖拽力F的大小取決于船舶所受到的鳳浪流作用力以及錨鏈所受阻力，因此錨體能否發(fā)生轉動直接取決于土體對錨的被動土壓力F土1和F土2所產(chǎn)生的轉動力矩。試驗中，錨體在細砂中運動一定距離后即處于穩(wěn)定的平動狀態(tài)，此時錨體自身處于力矩平衡狀態(tài)，不會發(fā)生轉動。

碎石內(nèi)摩擦角較大，對錨爪和錨冠的被動土壓力較大，在抗轉力矩不變的情況下，轉動力矩增大，力矩平衡被打破，從而使錨體發(fā)生旋轉，進而導致被動土壓力減小，轉動力矩減小，直到再次達到力矩平衡狀態(tài)，錨體以較小的深度運動。

根據(jù)上述理論，對三個模型錨在細砂和碎石中所受的轉動和抗轉力矩進行了簡單計算，計算結果如表2所示。由計算結果可知，在細砂中，模型錨所受轉動力矩小于抗轉力矩，因此錨體基本以平動的方式運動;進入碎石后，模型錨所受轉動力矩大于抗轉力矩，因此試驗中錨體發(fā)生旋轉。

表2 轉動力矩和抗轉力矩計算結果Tab.2 Calculation results of driving torque and resisting torque

雖然模型錨與實際船錨的尺寸和質(zhì)量差距較大，但鑒于三種不同尺寸模型錨的試驗結果近似，所反映的規(guī)律一致，且與計算結果規(guī)律吻合，因此本試驗的尺寸效應不明顯，上述模型錨的運動過程和轉動機理適用于實際船錨。

4 結語

在模型槽中模擬了地基土和碎石保護結構，采用三種不同尺度的模型錨進行了模型試驗，在試驗中通過改變試驗初始狀態(tài)錨體的埋置深度和相距碎石保護結構的距離，模擬不同工況下拖錨經(jīng)過碎石保護結構的過程，實時測量錨體入土深度和錨抓力的變化。通過試驗結果和理論分析，得出了碎石保護結構海底管線免受拖錨危害的機理，即錨體由地基土進入碎石保護結構后，土阻力增大，作用在錨上的不平衡力矩使錨體發(fā)生旋轉，錨爪尖端位置上移遠離埋設管線，因而可以起到對海底管線的保護作用。

［1］ 王茜，趙建平.海底管道第三方破壞失效狀況模糊故障樹分析［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(5):109-111.(WANG Qian，ZHAO Jianping.Fuzzy fault tree analysis method on submarine pipelines fault by the third-party damage［J］.Natural Gas Industry，2008，28(5):109-111.(in Chinese))

［2］ 宣凱.拋錨作業(yè)對海底管線損害研究［D］.大連:大連海事大學，2012.(XUAN Kai.The study on anchoring damage to subsea pipelines［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2012.(in Chinese))

［3］ 唐堯.船舶走錨方式的研究［D］.大連:大連海事大學，2012.(TANG Yao.Research on the movement patterns of ships go anchoring［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2012.(in Chinese))

［4］ DNV-OS-FI0l，DNV recommended practice.submarine pipeline systems［S］.Det Norske Veritas，2007.

［5］ WANG L Q，CHIA H K，WEI J W，et al.FEA-based study of pipeline protection from anchors［C］//Proceeding of 28th International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.American Society of Mechanical Engineers，2009:859-866.