馮月永，張 倩，李虎林，周 達，康建軍，苗建波，楊 超，李桂敏

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 秦皇島 066000）

海上錨定抗冰環(huán)境監(jiān)測平臺技術(shù)研究

馮月永1，張 倩1，李虎林1，周 達1，康建軍1，苗建波2，楊 超2，李桂敏2

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北 秦皇島 066000）

海上錨定環(huán)境監(jiān)測平臺是海洋環(huán)境長期定點立體實時觀測的基本手段，是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要技術(shù)裝置。它可以在無冰海域?qū)崿F(xiàn)無人值守的全天候、全天時觀測，不僅可以觀測海面附近的環(huán)境參數(shù)，還可觀測水下剖面環(huán)境參數(shù)。冬季海洋結(jié)冰區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)長期缺失，一定程度上影響了海洋觀測和海上資料的連續(xù)性，給預(yù)警預(yù)報、科研生產(chǎn)、國防建設(shè)和海洋開發(fā)等人類活動帶來重大影響。文中提出了困擾我國科研及預(yù)報等部門的冬季冰期海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失的問題，通過對錨定抗冰平臺工作載荷的理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，可為具有抗冰能力的平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和錨泊系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)，完成海上相對固定抗冰平臺系統(tǒng)的樣機研制，對實時獲取海上冰期和非冰期連續(xù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以及海上抗冰平臺的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

海洋科學(xué)；抗冰；監(jiān)測；海上平臺

中國近海的海冰，僅限于渤海及黃海北部沿岸及海上部分海域，每年冬季渤海及黃海北部皆有程度不同的結(jié)冰現(xiàn)象，且都是“一冬（年）冰”[1]。冬季海洋結(jié)冰區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)長期缺失，一定程度上影響了海洋觀測和海上資料的連續(xù)性，給預(yù)警預(yù)報、科研生產(chǎn)、國防建設(shè)和海洋開發(fā)等人類活動帶來重大影響。

1 研究意義

減少和防止海洋災(zāi)害最有效的措施，就是能對海洋災(zāi)害作出準確、及時的預(yù)報。為此，需要建立先進的海洋觀測系統(tǒng)和海洋災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)[2]。海上錨定抗冰環(huán)境監(jiān)測平臺是海洋環(huán)境長期定點立體實時觀測的基本手段，是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要技術(shù)裝置。它可以在惡劣環(huán)境下實現(xiàn)無人值守的全天候、全天時觀測，不僅可以觀測海面附近的環(huán)境參數(shù)，還可觀測水下剖面環(huán)境參數(shù)，它不僅可以適用于常規(guī)海上，還適用于冬季結(jié)冰海域。

海洋開發(fā)離不開可靠的離岸錨定平臺觀測資料。海洋環(huán)境監(jiān)測是監(jiān)督管理海洋環(huán)境的重要手段，是海洋環(huán)境保護監(jiān)督管理的基礎(chǔ)和技術(shù)保障,是海洋環(huán)境管理執(zhí)法體系的基本組成部分。離岸錨定多參數(shù)觀測浮標是掌握海洋環(huán)境資料的有力工具。與其他調(diào)查手段相比，浮標資料具有長期、連續(xù)、實時、全天候、準確度高、使用靈活、經(jīng)濟等特點，是海洋工程前期可行性論證、工程概算、成本核算、技術(shù)方案制定、減災(zāi)防災(zāi)、安全保障等工作的重要依據(jù)，可大幅度節(jié)省工程造價。

離岸錨定抗冰觀測平臺的資料準確度高，連續(xù)性好，不受海況等自然條件限制，在相對惡劣的海上環(huán)境條件下，都能獲得連續(xù)可靠的觀測資料，為研究海洋環(huán)境變化規(guī)律和機理及海洋預(yù)報提供第一手的資料。

為合理開發(fā)利用海洋提供及時、準確、可靠的觀測資料，研究海洋對氣候的影響，保護海洋資源，確保海洋經(jīng)濟健康、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展，監(jiān)測海洋環(huán)境和生態(tài)，離岸錨定平臺技術(shù)和岸基自動觀測技術(shù)相結(jié)合，互相補充、完善，實現(xiàn)真正的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，增強海洋環(huán)境監(jiān)測能力，滿足環(huán)境預(yù)測、預(yù)報、環(huán)境保護、資源開發(fā)、海洋工程、維護權(quán)益、加強國防建設(shè)等方面，對離岸錨定抗冰環(huán)境監(jiān)測平臺的需求日益迫切。

2 研究的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

2.1 抗冰平臺構(gòu)造設(shè)計

冬季沿岸海灣、河流和港口中的浮冰常常使助航標志損壞；大片浮冰會使常規(guī)的海上錨定環(huán)境監(jiān)測平臺浸沒在水中，嚴重地損壞平臺或使平臺沉沒,有時把平臺拖離原位。風(fēng)力驅(qū)動浪花凍結(jié)并積累在平臺的上部結(jié)構(gòu)，使頂端加重，造成大的傾斜角,有時使平臺浸沒在水中。浸沒使平臺上的測量儀器遭到破損，嚴重影響平臺的正常使用。

海上錨定抗冰環(huán)境監(jiān)測平臺旨在研制一種能同時在渤海灣冰期和非冰期中正常運行的環(huán)境監(jiān)測平臺。該平臺能承載各種水文氣象傳感器、采集控制設(shè)備、通信設(shè)備、電源設(shè)備等；錨系確保平臺能在指定站位長期、連續(xù)、安全的工作；平臺主體的設(shè)計具有抗浮冰沖擊，使浮冰受壓破碎的能力。

抗冰平臺的主體部分以破冰船為原型設(shè)計，采用船型浮標標體形式，屬于中型浮標，能滿足抗冰使用要求，且體積和重量適中，布放回收方便。平臺的基本組成主要包括水面浮體和錨泊系統(tǒng)兩大部分。水面浮體是儀器設(shè)備的搭載平臺，同時提供系統(tǒng)所需浮力。錨泊系統(tǒng)連接水面浮體底部中前部，保持平臺主體朝向與海流流向即浮冰運動方向相反，同時提供足夠的錨泊力，使水面浮體錨定在預(yù)定的監(jiān)測站位。

圖1為該平臺水面部分和抗冰面的結(jié)構(gòu)示意圖。該平臺船頭具有良好的流線型，由于水線面積較大，對波浪引起的浮標升沉運動反應(yīng)好，同時具備良好的抗橫搖性能，具有抵抗浮冰沖擊和壓迫浮冰破碎的作用。當強海流使系留索上的拉力增加時，標體可以提供足夠的儲備浮力，為系統(tǒng)提供浮力支撐。下部收縮減小了波浪和海流對浮體產(chǎn)生的擾動力矩，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)性，減小系留系統(tǒng)受到的拉力，保證平臺能夠較好地保持垂直的姿態(tài)和穩(wěn)性，減少搖擺對數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)測量的影響。

圖1 抗冰平臺結(jié)構(gòu)示意圖

該平臺由標體、塔架和錨系部分組成?？贡脚_采用優(yōu)質(zhì)鋼板焊接而成，外殼保證水密，內(nèi)部有型鋼骨架，使抗冰平臺具有足夠的強度。在浮體底部放置配重，以增加其重量，提高穩(wěn)定力矩。沉重的結(jié)構(gòu)和大的穩(wěn)定力矩可以增加平臺的抗冰能力。平臺船體采用單點錨系的系留形式，系留點靠近船頭部分，便于船頭迎向浮冰漂來方向。船頭下面向內(nèi)凹進，中間部分為加強肋板，肋板上面有兩個安裝孔，用于安裝高強度合金鋼保護殼，增加抗冰能力和使用壽命，整個船頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了鋼板厚度保證其強度。船體上表面設(shè)計為略帶外傾斜的光滑斜坡，以防止浪花形成的冰大量積累。儀器艙設(shè)在船體中央，放置蓄電池和數(shù)據(jù)采集器等。儀器艙前后各有一個儀器井，便于水下傳感器的安裝。整個水面浮體部分重心設(shè)計靠近船頭。

圖2 抗冰平臺儀器塔架示意圖

如圖2所示，塔架位于儀器艙上方，由4根鋁合金型材組成立柱，上部和中部設(shè)計有兩個儀器安裝平臺，上部平臺用于安裝風(fēng)傳感器、溫濕傳感器、通信天線、航標燈、避雷針、羅盤、雷達反射器等，中部平臺安裝太陽能電池板等部件。為了便于運輸，塔架與標體用可拆卸的螺栓連接。

系統(tǒng)中所有金屬材料零部件均進行三防處理，涂防銹、防腐、防污等防護漆；不同材料的連接部位采用電氣絕緣措施，防止電化學(xué)腐蝕；在關(guān)鍵部位安裝犧牲陽極，以提高系統(tǒng)的抗腐蝕能力。

2.2 錨泊系統(tǒng)設(shè)計

錨泊系統(tǒng)是抗冰平臺監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，是保障系統(tǒng)正常工作的重要部件。它的作用是提供一個穩(wěn)定的系泊力，使系統(tǒng)能夠在惡劣的海洋環(huán)境中長期系泊定位，不走錨，不斷纜，錨系的水下姿態(tài)必須滿足抗冰平臺系統(tǒng)設(shè)計指標和測量儀器的使用要求。錨泊系統(tǒng)主要由錨、錨鏈、轉(zhuǎn)環(huán)、卸扣等連接件組成。系統(tǒng)采用抓力錨，錨的重量控制在1 000 kg左右；錨鏈配置在標體下端和錨的上端，連接件和錨鏈根據(jù)系統(tǒng)張力分布配置，選擇時充分考慮系統(tǒng)張力所需的強度和連接處相對運動產(chǎn)生的磨損，海洋環(huán)境腐蝕等諸方面因素，采用φ25 mm粗的錨鏈，超過儲備浮力設(shè)計允許深度海域，采用錨鏈和尼龍繩組合錨泊形式。

為了給水下測量提供一個好的平臺,抗冰平臺布放點海域水深不大于30 m時，因抗冰平臺的儲備浮力允許，采用全錨鏈系留系統(tǒng)，抗冰平臺布放點海域水深大于30 m時，抗冰平臺系統(tǒng)采用單點半拉緊型系留系統(tǒng)，該錨系相對于全鏈式具有較大伸長率、彈性好、隨波性能優(yōu)良、巡視半徑小、質(zhì)量輕，便于海上布放回收等優(yōu)點。

2.3 抗冰平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)計算

海上錨定抗冰環(huán)境監(jiān)測平臺在海冰或波浪作用下的動力響應(yīng)對于平臺的可靠性至關(guān)重要，因此合理確定抗冰平臺的工作載荷是對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)分析可知，該抗冰平臺需考慮的工作載荷主要包括兩方面：一是冰期海上浮冰對平臺的作用力，二是非冰期波浪對平臺的作用力。

2.3.1 海冰作用力的分析與計算 海冰對抗冰平臺的作用力大小與諸多因素相關(guān)，如抗冰平臺的結(jié)構(gòu)形式和尺寸、海冰的物理特性、海冰與抗冰平臺相互作用的形式，以及海冰的破壞方式等。而海冰的破壞是海冰與抗冰平臺相互作用的直接結(jié)果，其破壞形式對抗冰平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)有著直接和顯著的影響[3]?？贡脚_受到的冰載荷的大小取決于其與海冰相互作用時冰的破壞形式。通常情況下，海冰在結(jié)構(gòu)物前可能產(chǎn)生的破壞形式有以下4種[4]：

（1）擠壓破壞：冰在結(jié)構(gòu)抗冰面上因受擠壓而逐塊斷續(xù)破碎，如圖3(a)所示，這是最為常見的一種破壞形式，也是冰對結(jié)構(gòu)作用最大的一種；

（2）壓屈破壞：大面積冰排與結(jié)構(gòu)接觸，冰排由于受壓而失穩(wěn)，首先在結(jié)構(gòu)抗冰面前隆起，然后破壞，如圖3(b)所示；

（3）縱向剪切破壞：當冰排的剪應(yīng)力達到強度極限時，產(chǎn)生與運動方向平行的裂縫，造成冰排的破壞。這種破壞常出現(xiàn)在薄冰中，如圖3(c)所示；

（4）彎曲破壞，當冰排與具有一定坡度的結(jié)構(gòu)抗冰面相接觸時，形成受彎的梁或板，最終因彎曲而破壞，如圖3(d)所示。

圖3 冰排的破壞形式

明確了冰排的破壞形式，在設(shè)計工作在冰區(qū)的抗冰平臺時，則需要重點考慮以下幾種作用力[5]：

（1）大面積冰排整體移動對抗冰平臺的擠壓力

當冰層較薄時，由于抗冰平臺的橫搖和升沉運動，冰被壓碎，平臺周圍不會形成冰排。當冰層較厚，形成大面積冰排時，在風(fēng)和流的驅(qū)動下，大面積冰排呈整體移動狀態(tài)，可推動抗冰平臺運動。如它能承受冰載荷，則海冰被擠碎，這時抗冰平臺受到的擠壓力最大；如抗冰平臺承受不了冰載荷，則會被大面積冰排推走，發(fā)生移位或結(jié)構(gòu)破壞。為增強抗冰平臺結(jié)構(gòu)的抗冰能力，可將抗冰平臺的抗冰面設(shè)計成錐面，呈流線型。當冰排向抗冰平臺運動時，海冰將沿著錐面向下運動而產(chǎn)生彎曲破壞。海冰的抗彎強度比抗壓強度小得多，約為抗壓強度的1/3。

大面積冰排對錐形體的作用力可采用以下公式計算：

式中：RH，RV為作用于錐體上的水平和垂直冰力；γ為海水容重；σ1為冰排的抗彎強度；t為冰的厚度；D和D1為錐形殼體水線處直徑和頂部直徑；A1，A2，A3，A4，B1，B2為無量綱系數(shù)，它們可由冰力設(shè)計一書中有關(guān)曲線，并根據(jù)γD2/(σ1t)、冰與結(jié)構(gòu)摩擦系數(shù)μ和錐面傾角α確定。

（2）自由漂流冰對抗冰平臺的撞擊力

在解凍季節(jié)，從抗冰平臺工作海域以外區(qū)域隨風(fēng)漂流過來的大塊漂流冰會對抗冰平臺產(chǎn)生較大的撞擊力，如平臺承受不了撞擊力，可造成平臺局部結(jié)構(gòu)破壞，從而影響整體結(jié)構(gòu)。

流冰對抗冰平臺的最大撞擊力可由式（3）計算：

式中：s為冰塊的面積；t為冰塊的厚度；γ0為冰的容重；g為重力加速度；f為結(jié)構(gòu)彈性變形系數(shù)。由式（3）可看出流冰撞擊力與結(jié)構(gòu)變形系數(shù)的平方根呈反比關(guān)系。

（3）整體冰蓋層由于溫度急劇變化引起膨脹力對抗冰平臺產(chǎn)生的擠壓力

這種情況發(fā)生在巨大冰源包圍抗冰平臺，平臺周圍處于冰層覆蓋狀態(tài)時，海冰由于溫度劇變膨脹擠壓抗冰平臺殼體，但是這種情況通常只出現(xiàn)在封凍海區(qū)，一般情況下不會發(fā)生。

根據(jù)以上關(guān)于冰載荷的理論分析，可初步得出抗冰平臺結(jié)構(gòu)強度評估的技術(shù)路線，如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)強度評估技術(shù)路線

2.3.2 波浪作用下抗冰平臺的運動特性分析

（1）抗冰平臺橫搖周期計算

設(shè)計平臺時，應(yīng)注意平臺橫搖及升沉的固有周期小于3 s，避開海浪主能量頻率，使得海上平臺表現(xiàn)出良好的隨波運動特性。海上平臺自由橫搖運動方程如下：

式中：Iv為虛慣性距，Iv=I+0.5I；W為平臺重力，為穩(wěn)距，在角度很小的情況下，sinθ≈θ，從而可求得平臺橫搖的固有頻率f0和自由橫搖周期T0：

平臺升沉運動周期約為橫搖周期的1/2，故設(shè)計時可主要考慮橫搖運動。

（2）抗冰平臺的姿態(tài)計算

對于通常的海洋平臺，波浪作用力中流體粘性的影響相對較小，對于運動和荷載的計算可以忽略。因此，可以應(yīng)用基于此假定的勢流理論計算該抗冰平臺在波浪激勵下的姿態(tài)。該方法已在數(shù)值計算中得到廣泛應(yīng)用，并為實驗結(jié)果所驗證。

勢流理論假設(shè)流體為不可壓縮、無粘性和無旋的，主要可以根據(jù)對時間項的不同處理方法分為頻域方法和時域方法兩大類。

為了降低完全時域分析的復(fù)雜性和計算難度，通常采用頻域與時域的組合分析方法。系統(tǒng)在靜態(tài)力和低頻力下的運動響應(yīng)用時域方法，而波頻運動響應(yīng)用頻域方法，分別進行求解。最后將波頻運動響應(yīng)的結(jié)果與靜態(tài)運動和低頻運動響應(yīng)的結(jié)果進行疊加即可。

3 結(jié)論

我國已經(jīng)基本掌握了海上抗冰平臺系統(tǒng)的設(shè)計原理、使用環(huán)境和性能，因此研究內(nèi)容的確定是有依據(jù)的。國內(nèi)多家單位具有一定的海洋環(huán)境自動監(jiān)測儀器的設(shè)計基礎(chǔ)和經(jīng)驗，能夠承擔本文論述各項關(guān)鍵技術(shù)的研究和分析計算，同時具有良好的實驗?zāi)芰Γ茉谘芯窟^程中根據(jù)需要設(shè)計模擬實驗裝置和性能檢測裝置，因此海上錨定抗冰環(huán)境監(jiān)測平臺可以進行技術(shù)研究與工程樣機研制工作。

[1]孫湘平.中國近海區(qū)域海洋[M].北京：海洋出版社，2008：295.

[2]康壽嶺.中國海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展[J].氣象水文海洋儀器，1999，01：1-4.

[3]高照杰，段夢蘭，李嘯，等.灘、淺海固定設(shè)施冰載荷的研究[J].石油學(xué)報，2001，22(5)：68-74.

[4]徐洪祥.不同錐體結(jié)構(gòu)抗冰性的計算研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[5]任貴永，孟昭瑛，安國亭.海洋大型導(dǎo)航浮標研究[J].海洋學(xué)報，1993，15(4)：118-119.

Research on the Marine Anchored Ice-Resistant Environmental Monitoring Platform

FENG Yue-yong1,ZHANG Qian1,LI Hu-lin1,ZHOU Da1,KANG Jian-jun1,MIAO Jian-bo2, YANG Chao2,LI Gui-min2
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China; 2.Qinhuangdao Marine Environmental Monitoring Center Station,State Oceanic Administration,Qinhuangdao 066000,Hebei Province,China

Anchored offshore environmental monitoring platform is a basic means for long-term,fixeddimensional and real-time observation on the marine environment,and also important technical equipment for marine environmental monitoring.Capable of achieving unattended all-weather,all-day observation in the icefree sea areas,it can not only observe the environment parameters near sea surface,but also observe the environmental parameters of underwater profile.The lack of environmental monitoring data in winter icing water over a long period has affected the continuity of ocean observation and marine data to some extent,and it has a significant impact on human activities such as early warning,scientific research and production,national defense construction and ocean development.This paper puts forward the problem of the lack of marine environmental monitoring data during winter ice period in China.Through theoretical analysis and structural design calculation of the working load of the ice-resistant platform,it can provide the basis for the structural design and mooring system design of the platform,and the prototype is developed for the offshore relative fixed ice-resistant platform. It is of significance to obtain the continuous real-time data of the sea ice period and ice-free period,which is beneficial for the industrialization of the offshore ice-resistant platform.

marine science;ice-resistant;monitoring;offshore platform

P715

A

1003-2029（2017）03-0057-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.011

2017-04-28

馮月永(1975-)，男，高級工程師，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測/觀測資料浮標的技術(shù)研究工作。E-mail:fengyueyong@vip.sina.com