喻旭明，王菁，杜宇，胡靈斌

（1.中廣核新能源控股（深圳）有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，上海 200032）

0 引言

隨著近年海上能源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，海上風(fēng)電安裝作業(yè)任務(wù)不斷加大。為滿足海上風(fēng)電施工現(xiàn)場(chǎng)的起吊安裝要求，常改造坐底船應(yīng)用于風(fēng)電工程中的風(fēng)機(jī)安裝，有效解決了自升式安裝船數(shù)量不足的問(wèn)題?！叭焦?”即為中交三航局改造過(guò)的半潛式坐底式安裝平臺(tái)[1]，在中廣核岱山4號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組安裝作業(yè)施工中，多次發(fā)生淘空、傾斜、滑移等事故，不僅嚴(yán)重影響施工生產(chǎn)時(shí)效和施工安全，還造成較大經(jīng)濟(jì)損失。為避免或最大限度減少此類(lèi)事故的發(fā)生，本文從“三航工5”坐底安裝平臺(tái)的自身結(jié)構(gòu)形狀出發(fā)，結(jié)合中廣核岱山4號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)軟弱海床地質(zhì)特點(diǎn)，以及當(dāng)?shù)仫L(fēng)、浪、流特性，分析研究坐底安裝平臺(tái)淘空、滑移的成因，并提出針對(duì)性的預(yù)防措施保證施工安全作業(yè)。

1 工程概況

“三航工5”在船舶設(shè)計(jì)階段結(jié)合江蘇海域環(huán)境條件，主要針對(duì)粉性土、砂性土海床進(jìn)行了坐底穩(wěn)性的計(jì)算，假定船體坐底不入泥，重點(diǎn)考慮坐底后基床沖刷導(dǎo)致的接地面積減少，采用的抗傾覆、抗滑移安全系數(shù)分別為1.6與1.4[2]。但由于岱山風(fēng)場(chǎng)海域?yàn)闃O軟弱的淤泥質(zhì)海床，海床條件差異會(huì)導(dǎo)致坐底穩(wěn)性的計(jì)算相對(duì)于船舶設(shè)計(jì)階段的計(jì)算出現(xiàn)變化。

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)岱山風(fēng)場(chǎng)的地勘資料，風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)址表層為淤泥層，其厚度高達(dá)十余至數(shù)十米。淤泥不排水抗剪強(qiáng)度cu為8 kPa，水下浮容重γ為6.6 kN/m3。

1.2 環(huán)境荷載

由于岱山風(fēng)場(chǎng)海域的波浪以短波為主，長(zhǎng)峰波及規(guī)則涌浪不明顯。作業(yè)工況條件下有義波高設(shè)置為0.8 m，譜峰周期3 s。海流流速按照施工組織設(shè)計(jì)中提供的最大海流流速數(shù)據(jù)2.24 m/s來(lái)考慮。施工作業(yè)考慮6級(jí)風(fēng)，風(fēng)速穩(wěn)定，為13.8m/s。

波浪計(jì)算采用基于邊界元法（BEM）的波浪勢(shì)流水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，算得3 h穩(wěn)定隨機(jī)海況的最大波浪力為353 t；波浪與海流作用在小結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的荷載采用莫里森方程進(jìn)行處理，計(jì)算得到橫流條件下，海流流速疊加波浪水質(zhì)點(diǎn)速度在橫流條件下的船舶拖曳力為212 t，順流條件下為269 t；風(fēng)荷載的計(jì)算采用原船設(shè)計(jì)單位提供的值，對(duì)應(yīng)6級(jí)風(fēng)況條件，風(fēng)荷載為33 t。

2 坐底穩(wěn)性分析

根據(jù)坐底船坐底施工時(shí)地基的實(shí)際破壞模式及相關(guān)規(guī)范，坐底穩(wěn)性主要考慮地基承載能力、抗傾覆穩(wěn)定性與抗滑移穩(wěn)定性。

2.1 地基承載能力

坐底安裝平臺(tái)在進(jìn)行下沉坐底作業(yè)時(shí)，在相應(yīng)工況的環(huán)境載荷和重力載荷作用下，其對(duì)海床地基的應(yīng)力應(yīng)小于地基承載能力，并應(yīng)防止過(guò)大的不均勻沉陷。

1）對(duì)一般黏性土，根據(jù)CCS[2]推薦，可采用API[3]中不排水分析公式計(jì)算：

式中：Q為地基破壞時(shí)的最大垂向力；cu為土壤的不排水剪切強(qiáng)度；Nc為無(wú)因次常數(shù)，取5.14；γ為土的總的單位重；D為基礎(chǔ)埋置深度；A′為根據(jù)載荷偏心確定的基礎(chǔ)的有效面積；Kc為考慮載荷傾斜、基礎(chǔ)形狀、埋置深度、基底傾斜、土表面傾斜的修正系數(shù)。

2）對(duì)很軟的淤泥海床，也可使用DNV[4]中的不排水分析公式：

式中：Nc為無(wú)因次常數(shù)，取5.14；cu為土壤的不排水剪切強(qiáng)度；dca、sca、ica分別為深度因子、形狀因子、傾斜因子，無(wú)量綱。

3）對(duì)于砂土，參考API[3]中的排水分析，如式（3）所示：

式中：Q′為地基破壞時(shí)的最大垂向力；c′為摩爾包絡(luò)線的有效凝聚力截距；Nc、Nq、Nγ為承載力因數(shù)，Nc=（Nq-1）cot φ′，Nq表達(dá)式為[exp（πtan φ′）]·[tan2（45°+φ′/2）]，Nγ可近似為2（Nq+1）tan φ′；φ′為摩爾包絡(luò)線的有效摩擦角；γ′為單位有效重量；B′為基礎(chǔ)最小橫向尺寸；A′為根據(jù)載荷偏心確定的基礎(chǔ)有效面積；Kc、Kq、Kγ為考慮載荷傾斜、基礎(chǔ)形狀、埋置深度、基底傾斜、土表面傾斜的修正系數(shù)。

4）DNV[4]中完全排水條件下的計(jì)算公式如下所示：

式中：c為土體的黏結(jié)力；φ為土體內(nèi)摩擦角；dγ、dq為深度因子，無(wú)量綱；sγ、sq為形狀因子；iγ、iq為荷載傾斜因子。

用式（1）和式（2）計(jì)算淤泥質(zhì)海床下，不同深度處地基極限承載力，并繪制兩者變化關(guān)系曲線，根據(jù)平臺(tái)底面受到的基底壓力，即可找出對(duì)應(yīng)的土層深度，如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)承載強(qiáng)度qu隨入泥深度變化關(guān)系曲線Fig.1 The relationship curve of the designed bearing strength quvaried with the penetration depth

2.2 抗傾覆穩(wěn)定性

平臺(tái)坐底時(shí)的抗傾穩(wěn)性用抗傾安全系數(shù)kq來(lái)衡準(zhǔn)，可按式（5）計(jì)算：

式中：Mk為考慮了平臺(tái)重量、平臺(tái)水下部分浮力和海床對(duì)平臺(tái)的垂直支持力等作用后的抗傾覆力矩；Mq為風(fēng)、浪、流對(duì)平臺(tái)最不利情況的合成傾覆力矩。

參照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[2]第3篇第2章第5節(jié)對(duì)于坐底式平臺(tái)的要求，抗傾安全系數(shù)kq在正常作業(yè)工況下不應(yīng)小于1.6；在風(fēng)暴自存工況下不應(yīng)小于1.4。

2.3 抗滑移穩(wěn)定性

平臺(tái)坐底時(shí)的抗滑穩(wěn)性用抗滑安全系數(shù)kh來(lái)衡準(zhǔn)，可按下式計(jì)算：

式中：Fk為包括土壤的黏聚力、摩擦力、被動(dòng)土壓力的總和；Fh為風(fēng)、浪、流對(duì)平臺(tái)最不利的合成水平力。

參照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[2]第3篇第2章第5節(jié)對(duì)于坐底式平臺(tái)的要求，抗滑安全系數(shù)Fh在正常作業(yè)工況下不應(yīng)小于1.4；在風(fēng)暴自存工況下不應(yīng)小于1.2。

水閘、擋土墻和橋臺(tái)等在使用期間，會(huì)受到較大的水平荷載（土壓力、水壓力等），其基礎(chǔ)（底板）易發(fā)生水平滑移?；A(chǔ)（底板）與地基土間的接觸面上的垂直壓應(yīng)力p及切應(yīng)力的臨界狀態(tài)的關(guān)系適用于庫(kù)倫定理[5]及下列關(guān)系式：

式中：τ為基礎(chǔ)（底板）單位面積上的抗滑阻力（抗剪強(qiáng)度）；p為垂直壓應(yīng)力；φ0為基礎(chǔ)（底板）與地基土間的摩擦角；c0為基礎(chǔ)（底板）與地基土間的黏著力（附著力）。

而摩擦系數(shù)f=tan φ0是抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算中的關(guān)鍵數(shù)值?；啄Σ料禂?shù)的近似值可在《水工建筑物》[6]或GB 5007—2001《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]等文獻(xiàn)中查到。我國(guó)對(duì)基底摩擦系數(shù)的測(cè)定十分重視，曾多次進(jìn)行工地摩擦試驗(yàn)，不論現(xiàn)場(chǎng)澆制或是預(yù)制試塊，當(dāng)受力破壞時(shí)，滑裂面都是在地基土中發(fā)生，而不是在接觸面發(fā)生?；衙婊境驶⌒?，當(dāng)垂直壓應(yīng)力p較小時(shí)，其弧面上游小于下游；垂直壓應(yīng)力p較大時(shí)，弧面則中部較大，如圖2所示。

圖2 滑裂面形狀與垂直壓應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relationship between the shape of the sliding surface and the vertical pressure

同時(shí)，對(duì)比工地摩擦試驗(yàn)與地基土室內(nèi)直剪試驗(yàn)資料，兩者存在一定聯(lián)系。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，并不是沿接觸面滑動(dòng)，而是底板底面帶動(dòng)一薄層土一起滑動(dòng)，所以其抗滑穩(wěn)定程度與地基土的內(nèi)摩擦角和凝聚力有關(guān)[5]。

目前通常參照API[3]規(guī)范和DNV[4]規(guī)范計(jì)算坐底式安裝平臺(tái)的抗滑移穩(wěn)性。

1）參考API[3]規(guī)范中關(guān)于淺基礎(chǔ)抗滑力的推薦算法：

①不排水分析

式中：A為考慮沖刷后的基礎(chǔ)與地面的接觸面積，m2。

②排水分析

2）DNV[4]規(guī)范中對(duì)淺埋基礎(chǔ)抗滑力的推薦算法：

不同于API規(guī)范，DNV在計(jì)算抗滑力時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)物受到的側(cè)向阻力，如式（10）所示。

式中：RE為結(jié)構(gòu)物埋入土體中的側(cè)向面積引起的土阻力，可理解為被動(dòng)土壓力EP與主動(dòng)土壓力EA之差，對(duì)正常固結(jié)土，當(dāng)γz＞2cu時(shí)，可認(rèn)為EPEA=4cu；RB為結(jié)構(gòu)物端部受到的阻力，在不同土質(zhì)條件下有不同計(jì)算方法。

①不排水分析

②排水分析

式中：Fv為豎向應(yīng)力；a為結(jié)構(gòu)物與土接觸面之間摩阻力的折減系數(shù)。

3）為評(píng)估被動(dòng)土壓力對(duì)抗滑阻力的貢獻(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)物側(cè)面受到的土壓力用朗肯公式計(jì)算，而對(duì)結(jié)構(gòu)物底部受到的水平阻力仍按式（8）計(jì)算。

圖3為以上3種不同計(jì)算方法算得的淤泥質(zhì)海床下抗滑力隨入泥深度的變化規(guī)律。

圖3 抗滑力隨入泥深度變化關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curve of sliding resistance varied with the penetration depth

由圖3可以看出，入泥深度小于0.3 m前，由于船底入土面積不斷增加，算得抗滑力隨面積變化較大，當(dāng)入土深度達(dá)到0.3 m后，抗滑力增加趨勢(shì)變緩。在入泥深度較小的情況下，3種計(jì)算方法算得結(jié)果比較接近，API計(jì)算結(jié)果與深度無(wú)關(guān)，和DNV計(jì)算結(jié)果較相近，采用朗肯土壓力公式計(jì)算被動(dòng)土壓力的方法計(jì)算結(jié)果偏差較大，不建議采用。

在缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)的工程條件下，DNV[4]采用局部安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)調(diào)整荷載系數(shù)和材料系數(shù)取得適用于相應(yīng)工況的的特征值，獲得盡可能接近的目標(biāo)安全等級(jí)，從而得到按這些系數(shù)和特征值表示的特殊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。參考DNV第8章，對(duì)于材料強(qiáng)度，規(guī)定計(jì)算抗滑移采用的土體剪切強(qiáng)度折減系數(shù)不小于計(jì)算地基承載能力的折減系數(shù)；對(duì)于荷載，校核地基承載能力時(shí)，采用可變荷載的最大值，而校核抗滑力時(shí)采用可變荷載最小值。

在校核地基承載能力時(shí)，針對(duì)不同的土質(zhì)選取不同的強(qiáng)度折減系數(shù)，對(duì)于黏土，強(qiáng)度折減系數(shù)為1.3，對(duì)于砂土則選取較低的值，為1.2。此外，在設(shè)計(jì)計(jì)算工況中，當(dāng)存在或確定采用預(yù)壓荷載處理地基時(shí)，土體強(qiáng)度折減系數(shù)可選取較低的值[4]，這是因?yàn)轭A(yù)壓荷載消除了某些土體剪切強(qiáng)度的不確定變化，在這種狀態(tài)下，土體折減強(qiáng)度需考慮循環(huán)加載影響、基面結(jié)構(gòu)貫入土體引起的局部重塑效應(yīng)等不確定因素。

此外，在設(shè)計(jì)計(jì)算工況中，當(dāng)存在或確定采用預(yù)壓荷載處理地基時(shí)，材料折減系數(shù)可選取較低的值[4]，這是因?yàn)轭A(yù)壓荷載消除了某些土體剪切強(qiáng)度的不確定變化，在這種狀態(tài)下，土體折減強(qiáng)度需考慮循環(huán)加載影響、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)貫入土體引起的局部重塑效應(yīng)等不確定因素。

3“三航工5”坐底安裝平臺(tái)穩(wěn)性分析

由于“三航工5”船底不規(guī)則性，不同的坐底方式使得船底入土面積差別較大，從而對(duì)地基穩(wěn)性計(jì)算有較大影響。本文主要考慮兩種極端坐底方式。

1）傾斜坐底（靜橫傾）：假定最初船體一半船底面積接觸海床，船舶落地后因外底斜升角0.9°而形成靜橫傾，船底不入泥，見(jiàn)圖4（a）；

2）垂直坐底：假定船舶在海底淤泥中不發(fā)生明顯橫傾，而是左右舷均勻破土。保持此姿態(tài)均勻下沉入泥狀態(tài)，見(jiàn)圖4（b）。

圖4 船舶坐底方式Fig.4 The bottom-supported mode of ship

3.1 坐底工況下估算入泥深度

針對(duì)平臺(tái)坐底作業(yè)，不考慮波流荷載影響，僅根據(jù)坐底時(shí)壓載量和地質(zhì)參數(shù)，按照地基承載力極限平衡狀態(tài)，預(yù)估船底入泥深度。

根據(jù)計(jì)算，靜橫傾狀態(tài)下船底無(wú)需入泥；垂直坐底狀態(tài)下，算得不同壓載量下入泥深度如表1所示。由表中可知，壓載量越大，對(duì)應(yīng)坐底平臺(tái)入泥深度越大。

表1 不同壓載量下船舶入泥深度Table 1 The penetration depths of ship under different pressure loads

3.2 安裝作業(yè)工況下平臺(tái)地基穩(wěn)性驗(yàn)算

1）抗傾覆穩(wěn)性

對(duì)作業(yè)工況抗傾覆穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算中考慮抗傾覆力矩的貢獻(xiàn)僅來(lái)自于船舶的濕重，不考慮吸附力[8]的貢獻(xiàn)，算得船舶的抗傾覆安全系數(shù)為1.73，滿足CCS規(guī)范[2]規(guī)定。

2）抗滑移穩(wěn)性

在3.1節(jié)入泥深度計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析坐底平臺(tái)穩(wěn)定性，計(jì)算平臺(tái)的抗滑阻力，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 安裝作業(yè)工況時(shí)不同壓載量下抗滑力Table 2 The anti-sliding forces under different pressure loads in the installation condition

由表2可知，靜橫傾坐底時(shí)的抗滑移安全系數(shù)1.83，滿足要求；垂直坐底時(shí)抗滑移安全系數(shù)只有在壓載量達(dá)到45 000 kN時(shí)為1.47，滿足CCS規(guī)范[2]規(guī)定的1.4的要求。

3）地基承載能力復(fù)核

根據(jù)CCS[2]第3章第2篇規(guī)定，平臺(tái)在相應(yīng)工況的環(huán)境載荷和重力載荷作用下，其海床地基應(yīng)力應(yīng)小于地基承載能力，并應(yīng)防止過(guò)大的不均勻沉陷。在典型海區(qū)的海底地質(zhì)條件，海床泥表面土體極易在水流作用下產(chǎn)生物理遷移，進(jìn)而導(dǎo)致海底與船底的接觸條件發(fā)生改變。具體而言，當(dāng)水流因船舶的存在產(chǎn)生繞射時(shí)，將帶起海底泥沙的流動(dòng)，產(chǎn)生船舶周界的掏空現(xiàn)象（泥沙局部流失），實(shí)質(zhì)減小了海底對(duì)船舶的支撐面積，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)變化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致船舶構(gòu)件開(kāi)裂破壞甚至船體梁斷裂[9-10]。

在安裝風(fēng)機(jī)的作業(yè)工況下，坐底平臺(tái)所受外荷載增加了吊機(jī)吊重力矩，基底壓力明顯增大，此時(shí)承載力安全系數(shù)均明顯降低，不再滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算，在作業(yè)安裝工況下，考慮最不利吊重力矩Mcrane-x為8 000 kN·m時(shí)，不同壓載量下地基承載力結(jié)果如表3所示。

表3 安裝作業(yè)工況時(shí)不同壓載量下地基承載力Table 3 The bearing capacity of foundation under different pressure loads in the installation condition

為保證坐底船不會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降[11]，可通過(guò)減少壓艙水的手段來(lái)保持地基承載能力[7]。經(jīng)驗(yàn)算，考慮最不利吊重力矩Mcrane-x為8 000 kN·m時(shí)，對(duì)于初始?jí)狠d量為45 000 kN的工況，將壓載水卸載至25 000 kN時(shí)，垂直坐底工況下的承載力安全系數(shù)方可達(dá)到1.0。

4 結(jié)論與建議

本文依托中廣核岱山海電工程，分析“三航工5”半潛式坐底安裝平臺(tái)在軟黏土施工時(shí)地基穩(wěn)性影響因素與破壞機(jī)理，并對(duì)施工安全作業(yè)提出具體建議，為其他類(lèi)似平臺(tái)施工提供參考，主要結(jié)論如下：

1）淤泥質(zhì)海床計(jì)算坐底穩(wěn)性時(shí)，需考慮船舶坐底時(shí)的姿態(tài)以及帶來(lái)的入泥深度、接地面積的變化。

2）坐底船在極軟弱的淤泥質(zhì)海床條件下進(jìn)行抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，推薦采用API規(guī)范或DNV規(guī)范中不排水條件下的計(jì)算方法，土的強(qiáng)度指標(biāo)采用不排水抗剪強(qiáng)度。

3）依靠坐底平臺(tái)自身能力，其入泥深度十分有限。當(dāng)坐底平臺(tái)在安裝作業(yè)時(shí)，外荷載的增加會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)基礎(chǔ)失穩(wěn)，通過(guò)在船舶坐底時(shí)增加定量的壓載水的手段，就位穩(wěn)定后，平臺(tái)安裝作業(yè)時(shí)再卸載增加的壓載水，以保證平臺(tái)不會(huì)發(fā)生不均勻沉降。

除了基本的坐底穩(wěn)性計(jì)算以外，在淤泥質(zhì)海床條件下進(jìn)行海上風(fēng)電坐底安裝還建議考慮以下因素：

1）充分考慮安裝荷載、風(fēng)浪流條件、潮位變化等因素造成軟黏土地基變形的可能性，作業(yè)過(guò)程中對(duì)船體姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2） 參考其他坐底式平臺(tái)，在平臺(tái)底部增加一定數(shù)量的抗滑短樁，或在平臺(tái)底部設(shè)置墊層等，也可提高平臺(tái)的抗滑能力。

3）增加平臺(tái)基底壓力，能顯著提高平臺(tái)的抗滑能力。