張寶杰

(中國海洋大學 山東 青島 266000)

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近海吸力錨基礎研究現(xiàn)狀與展望

張寶杰

(中國海洋大學 山東 青島 266000)

吸力錨作為現(xiàn)代的一種重要的基礎形式，是一種新型海洋基礎。對有關吸力錨的研究現(xiàn)狀進行綜述，對國內(nèi)吸力錨抗拔承載力、吸力錨水平承載力、錨承特性以及穩(wěn)定性的分析進行了概況。

吸力錨；研究現(xiàn)狀；綜述；穩(wěn)定性

隨著海洋石油工業(yè)逐漸向深海和超深海水域發(fā)展，張力腿平臺(TLP)、立柱式平臺(Spar)、船形浮式系統(tǒng)(FPSO)、順應塔和半潛式平臺等新型海洋結(jié)構(gòu)及基礎在工程中得到了廣泛應用。與淺海平臺相比，這些深水平臺的系錨荷載顯著增加，吸力式基礎平臺是近年開發(fā)出的一種新型海洋平臺，由于多種優(yōu)越性而受到重視，并引起許多研究人員的關注。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

吸力錨具有便于安裝和運輸、施工時間短、基礎穩(wěn)定性實現(xiàn)較快、便于在海上惡劣氣候的間隙施工、材料和制造成本低廉、與傳統(tǒng)基礎相比筒形基礎可以大大節(jié)約用鋼量、施工就位準確、對不同的土質(zhì)有廣泛的適用性等特點。因此，在深海工程得到廣泛應用。

吸力錨技術1958年首先應用于英國，近海吸力錨的概念是20世紀60年代提出的，國內(nèi)對負壓原理的研究始于20世紀70年代，80年代初才開始在工程中獲得實現(xiàn)，其實踐應用經(jīng)歷了復雜的過程。1981年吸力錨首次成功運用于歐洲北海的GORM油田，1995年7月在渤海CFD16-1油田延長測試系統(tǒng)中，吸力錨在我國淺海首次運用并取得成功。此后，由此自然引伸、提出了吸力式基礎平臺，并在90年代在挪威海上油田首次成功應用。我國吸力錨和筒型基礎平臺在近海油田的首次工程應用，分別為1995年曹妃甸1-6兩點系泊系統(tǒng)和1999年錦州9-3油田系纜平臺。1999年NGI在美國墨西哥灣水深1500m的Diana工程施工中使用的吸力錨直徑6。5m，長30m，設計單錨靜極限拉力達1500ton。2007年世界上最大的的吸力錨安裝于波士頓近海，直徑14m，高11.5m，重156ton。吸力錨的工作水深從40m到2500m，甚至更深。

除了作為海上石油平臺的基礎外，吸力式基礎也廣泛應用于海上風力發(fā)電機組的基礎。海上風力發(fā)電開發(fā)主要集中在歐洲。歐洲海上風電研究開始于上80世紀年代，丹麥、瑞典、荷蘭、英國是最早進行海上風電開發(fā)的國家。國外海上風力發(fā)電技術己日趨成熟，而我國海上風電則相對落后。我國有著豐富的海上風能資源，東部沿海水深一的海域面積遼闊，可利用的風能資源約是陸上的3倍，隨著海上風電場技術的發(fā)展成熟，將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。海上風力發(fā)電機組的基礎的成本通常為總成本的巧一，因此其基礎的設計是非常重要的。

(一)國內(nèi)研究與應用

1995年，吸力錨在國內(nèi)近海渤海曹妃甸工程中首次應用與設計，天津大學海洋與船舶工程系和天津海王星減振技術開發(fā)公司根據(jù)項目技術條件聯(lián)合承擔了該項目系統(tǒng)中系泊錨的設計工作。針對工程條件，首先對有可能采用的幾種錨體形式，其中包括排泥自沉錨、重力式錨、樁式錨和吸力錨進行了方案比較。認為只有吸力錨有可能較全面地適應本項工程的要求。吸力錨在我國近海工程中的首次設計和應用是基本成功的，這無疑將為它今后更廣泛的應用和發(fā)展開辟了前景。

2002年徐繼祖、王翎羽等人根據(jù)1994年以來在渤海及南海海域從事吸力描及筒型基礎平臺的設計、研究、現(xiàn)場實驗與監(jiān)測以及制造與安裝等系列工作的經(jīng)驗，并從一個致力于近海工程開發(fā)事業(yè)的專業(yè)企業(yè)發(fā)展的角度回顧總結(jié)這些經(jīng)驗，提出了筒形基礎平臺，這種平臺帶來了明顯的經(jīng)濟技術效益。

2003年趙沖久、別社安等人介紹了筒形基礎和吸力錨筒兩種水上沉樁的新裝置。其中吸力錨筒靜載沉樁裝置，該裝置利用插入到海底泥土中的吸力錨筒提供沉樁力，通過樁帽和連接吸力錨筒的鋼纜具將靜壓力施加于樁頂，該裝置不存在噪聲污染和對周圍建筑物的振動破壞。另一種是筒型基礎水上打樁平臺，該裝置由筒型基礎和框架式上部平臺組成，筒型基礎可插入地基土中提供水平抗力，又可提供氣浮力使打樁平臺在水上漂浮，在上部平臺上安裝有可以在水平面上移動和可以調(diào)整角度的樁錘導向架和打樁錘，該裝置抗風浪和水流能力強，定位和移位方便快捷。這兩種水上沉樁裝置具有打樁船不具備的一些優(yōu)點，有一定的開發(fā)和推廣應用價值。

2009年苗笛對吸力錨的抗拔承載力進行了分析。通過吸力錨在粘土和砂土2種不同土質(zhì)中的破壞形式，以及其受力狀態(tài)的實例分析，提出新的承載力分析方法，能夠反映一些主要的影響因素，并力求在已有基礎上能有所改進。

2011年張其一等人對深海吸力錨承載特性與穩(wěn)定性進行了研究。給出了一種精確模擬吸力錨承載能力的有限元模型。在該數(shù)值模型基礎上,利用通用有限元分析軟件ABAQUS研究系泊點位置對吸力錨極限承載力的影響，并給出深海吸力錨失穩(wěn)模式。

2013年呂建偉等人對吸力錨防腐進行了研究。采用陰極保護聯(lián)合涂層防護，陰極保護采用安裝犧牲陽極，涂層防護采用涂裝水下環(huán)氧涂料。無論是陰極保護還是涂層防護都要滿足吸力錨的設計壽命。

(二)國外研究與應用

眾所周知，我們在研究使用一種新型結(jié)構(gòu)基礎是，首先考慮的是基礎的安全性，特別是在海洋這種復雜的環(huán)境之中。

Bye等對EuroPiple-16/11E平臺和SleipnerT平臺基礎設計進行的場地、模型實驗、理論模型和設計中實際應用的分析工具等進行了總結(jié)。在位于該平臺區(qū)域的現(xiàn)場做了實驗。實驗從1992年下半年開始到1993年下半年結(jié)束。靜拉拔實驗表明，砂土的剪脹性、排水特性和實驗時間是控制因素。受到循環(huán)載荷后，砂土會密實但靜拉拔力不降低。基礎承載力的分析是基于不排水剪切強度的，用Janbu方法計算，其中的有效應力還需根據(jù)設計風暴和循環(huán)載荷產(chǎn)生的孔隙壓力和其消散進行修正。承載力的分析是用滑移面類型的方法進行的。

Andesren等進行了針對軟勃土中張力腿錨基礎的野外場地實驗。包括一個靜載和3個循環(huán)載荷實驗。載荷與垂直方向成10度。施加的循環(huán)載荷采用不同的加載歷史、不同的偏向和幾何特性。在實驗之前，用重力式平臺的分析方法對拉拔承載力和循環(huán)位移進行了預測。結(jié)果表明，盡管重力式平臺與吸力錨在幾何形態(tài)和加載條件等方面有較大區(qū)別，給出的預測結(jié)果與測量結(jié)果吻合得較好。

Byrne等對砂土中吸力式沉箱在循環(huán)作用下的響應進行了分析。實驗是在1g條件下采用復雜的加載設備，可以獨立控制頻率為1Hz的水平、垂向和力矩載荷。基礎放在油浸的密實的土中。根據(jù)實驗結(jié)果得到了對載荷位移關系較深入的理解，在此基礎上提出了簡單的理論和數(shù)值模型。他們的實驗在1Hz以內(nèi)，對于高頻率的動載，他們的理論需要檢驗。

Deng等進行了吸力式沉箱的垂向拉拔力的理論研究。在有限元分析、場地實驗和室內(nèi)實驗的基礎上，得到了垂向拉拔力的半經(jīng)驗的理論解，但其中的參數(shù)仍然是經(jīng)驗參數(shù)。

Narasimha等進行了軟黏土中吸力錨拉拔行為的實驗研究。針對不同長徑比的錨施加短期或持續(xù)單向的靜態(tài)載荷。結(jié)果表明，吸力可以表述為位移的函數(shù)。

Takatani等研究了波浪載荷下軟薪土地基上吸力式基礎的動力響應。針對波浪作用于基礎前方時的情況進行了數(shù)值模擬。對裙深、吸力和材料參數(shù)等的影響進行了分析。計算中采用孔隙彈性模型與軟土的實際情況有差別。

二、結(jié)語

吸力錨近年來成為了一種熱門的基礎形式，它不僅可用在系泊儲油系統(tǒng)中,而且還可作為各種平臺的基礎形式。根據(jù)上述國外已有的經(jīng)驗,深感對于吸力錨技術還必須作進一步的完善和提高。

[1]徐繼祖,王翎羽,陳星等.從吸力錨到筒形基礎平臺[J].中國海上油氣,2002,(2)

[2]趙沖久、別社安等.筒型基礎和吸力錨筒水上沉樁裝置[J].中國港灣建設,2003,(2)

張寶杰(1993-)，男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，中國海洋大學，橋梁與隧道工程。