杜宇，王菁，謝錦波，王晨旭

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.天津大學(xué)，天津 300072）

1 研究背景

船舶坐底作業(yè)通常只適用于近海淺水海域。理論上坐底作業(yè)時(shí)，由于坐落于海床，在環(huán)境荷載作用和采取必要措施的條件下依然可以保持穩(wěn)定，因此適合于海上風(fēng)電安裝這類(lèi)對(duì)安裝條件要求較為苛刻的船舶海上施工。練學(xué)標(biāo)[1]總結(jié)了將半潛駁改造成坐底船在潮間帶進(jìn)行風(fēng)機(jī)坐底安裝的技術(shù)要點(diǎn)和安全措施。本文以不具有坐底平臺(tái)入級(jí)符號(hào)的“三航工5”半潛駁（照片見(jiàn)圖1、參數(shù)見(jiàn)表1）在某海上風(fēng)電場(chǎng)施工項(xiàng)目中采用坐底施工方式作業(yè)進(jìn)行了分析，梳理了坐底作業(yè)的全過(guò)程，提出可供參考的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)作業(yè)可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出應(yīng)對(duì)策略。

圖1 “三航工5”半潛駁Fig.1 The semi-submersible barge Sanhang Gong 5

表1 “三航工5”參數(shù)表Table 1 Parameters of Sanhang Gong 5

2 海上風(fēng)場(chǎng)環(huán)境條件及坐底作業(yè)過(guò)程分析

2.1 海上風(fēng)場(chǎng)環(huán)境條件

該風(fēng)場(chǎng)位于我國(guó)浙江沿海海域，最大風(fēng)機(jī)機(jī)位水深約為13 m。場(chǎng)區(qū)100 m、 95 m、 90 m、50 m 高度年平均風(fēng)速分別為7.5 m/s、 7.5 m/s、7.4 m/s、 6.9 m/s。海域潮差較大，最高潮位與最低潮位之差可達(dá)6.62 m。風(fēng)場(chǎng)海域波浪以小浪級(jí)和輕浪級(jí)波浪出現(xiàn)最多，全年波浪海況的有義波高取值在0.1耀1.25 m 區(qū)間的頻次最高。風(fēng)場(chǎng)海域的潮流為正規(guī)半日潮、呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式，漲、落潮流主軸走向十分接近，其夾角約為150毅，最大流速約2.3 m/s。海床表層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度達(dá)23~31 m。

2.2 坐底作業(yè)過(guò)程分析

“三航工5”拖航吃水狀態(tài)下遷移至作業(yè)海域后錨泊定位，通過(guò)調(diào)整壓載水進(jìn)行下潛坐落于海床，再增加一定量的壓載水使船舶能夠穩(wěn)定于海床上。因此，對(duì)船舶操作過(guò)程涉及4 個(gè)技術(shù)問(wèn)題：1）半潛穩(wěn)性；2） 下潛/上浮過(guò)程中的錨固定位；3）坐底穩(wěn)性；4）船舶強(qiáng)度。

對(duì)于1）半潛穩(wěn)性，“三航工5”在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了半潛工況下的強(qiáng)度和穩(wěn)性計(jì)算，連同半潛操作手冊(cè)獲得了中國(guó)船級(jí)社認(rèn)可，因此嚴(yán)格按照半潛操作流程進(jìn)行操作即可滿(mǎn)足半潛穩(wěn)性和強(qiáng)度要求。對(duì)于4）船舶強(qiáng)度方面，可采用船舶行業(yè)通用的分析方法和手段進(jìn)行，與船舶普通浮況相比，船舶下潛和坐底階段的強(qiáng)度分析僅為結(jié)構(gòu)模型邊界條件的區(qū)別，由于本文篇幅限制不做討論。本文僅對(duì)2）下潛/上浮過(guò)程中的錨固定位和3）坐底穩(wěn)性結(jié)合海上風(fēng)場(chǎng)條件進(jìn)行個(gè)案化分析。

3 “三航工5”坐底作業(yè)分析

3.1 錨固定位

在“三航工5”下潛/上浮過(guò)程中，采用八字錨系泊的方式進(jìn)行錨固定位，抵御環(huán)境荷載。由于不同形狀的半潛駁有所區(qū)別，“三航工5”的錨泊系統(tǒng)如果按照常規(guī)的舾裝數(shù)配置，可能無(wú)法滿(mǎn)足下潛/上浮過(guò)程中的錨固定位要求，存在走錨風(fēng)險(xiǎn)。所以根據(jù)舾裝數(shù)（3 138.5）實(shí)船配置艏錨2 口，為海軍錨，每口重量10 t。另外船尾配置艉錨2 口，與艏錨規(guī)格相同。船首又另配斯貝克錨1 口，重8.7 t，如圖2 所示。

圖2 “三航工5”錨泊示意圖Fig.2 Anchoring of Sanhang Gong 5

“三航工5”下潛操作過(guò)程中為避免漂移，選擇在適宜的風(fēng)浪環(huán)境條件下進(jìn)行，并始終保持八字系泊形態(tài)（圖2）?！叭焦?”下潛過(guò)程中，隨著吃水的逐漸增加受海流作用的船體浸沒(méi)表面積也不斷增加。由于船舶所受的海流力與海流的流速平方成正比（式（1），拖曳力系數(shù)參考Munson 的相關(guān)教材[2]），當(dāng)海流較大時(shí)“三航工5”在不同吃水條件下所受到的海流力差異較大（表2）。

式中：籽為海水密度；A 為迎流面積；V 為海流流速。

表2 “三航工5”順流海流力Table 2 Current load of Sanhang Gong 5 under head sea condition

由于作業(yè)風(fēng)場(chǎng)為淤泥底質(zhì)條件，“三航工5”所采用的海軍無(wú)桿錨的抓地力與錨重比值大概為3頤1[3]。當(dāng)流速達(dá)到2.3 m/s、吃水接近12 m 時(shí)，海流力將達(dá)到200 t。順流條件下，船首方向2 口無(wú)桿海軍錨和1 口斯貝克錨同時(shí)起作用可提供沿海流方向的抓地力不足70 t，遠(yuǎn)小于海流力，此時(shí)“三航工5”將出現(xiàn)走錨，影響施工安全。

為應(yīng)對(duì)走錨風(fēng)險(xiǎn)，可行的辦法是嚴(yán)格限制作業(yè)時(shí)的海水流速，尋找合適的作業(yè)窗口。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)“三航工5”嚴(yán)格順流下潛作業(yè)時(shí)，流速限制應(yīng)在1.3 m/s 以下。由于下潛作業(yè)持續(xù)時(shí)間較短（約1.5 h），尋找流速較低的作業(yè)窗口是可行的（如平潮期和停潮期）。

3.2 坐底穩(wěn)性

當(dāng)船舶坐落海床之后，環(huán)境荷載作用于船體將迫使船舶出現(xiàn)傾斜與平移的趨勢(shì)，形成傾覆力矩和滑移力。船舶依靠海床的支撐抵消傾覆力矩、依靠船底與海床之間的摩擦力來(lái)抵消滑移力，使得船舶穩(wěn)定于海床的能力就是坐底穩(wěn)性。中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[4]規(guī)定了在坐底穩(wěn)性中需要考慮的3 個(gè)技術(shù)指標(biāo)：抗傾覆穩(wěn)性、抗滑移穩(wěn)性和地基承載力，并考慮海底沖刷的影響，可作為“三航工5”坐底的相關(guān)計(jì)算參考。

在計(jì)算坐底穩(wěn)性時(shí)需要考慮風(fēng)、浪、流的共同作用。從抗傾覆和抗滑移2 項(xiàng)坐底穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)說(shuō)，最為不利的風(fēng)浪流組合是當(dāng)三者沿同一方向橫向?qū)Α叭焦?”入射。“三航工5”在下潛過(guò)程中，由于錨固定位船舶時(shí)需要嚴(yán)格順流作業(yè)，考慮該風(fēng)場(chǎng)的海流方向較為一致，最大的漲落潮流流向夾角的余角為30毅，因此實(shí)際坐底時(shí)海流方向不會(huì)橫向入射。在計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為嚴(yán)格按照順流下潛作業(yè)的“三航工5”，最不利的海流方向?yàn)檠卮L(zhǎng)偏30毅方向（圖2）。

計(jì)算環(huán)境荷載時(shí)，風(fēng)和流荷載可認(rèn)為是定常荷載，海水流速2.3 m/s、風(fēng)速（采用6 級(jí)風(fēng)的數(shù)據(jù)）13.8 m/s。波浪力的計(jì)算采用基于邊界元法的水動(dòng)力計(jì)算：首先通過(guò)邊界元法計(jì)算波浪力傳遞函數(shù)TransF（圖3），通過(guò)式（2）計(jì)算得到波浪力譜SR（棕）（圖4）。

其中：S（棕）為波浪譜（圖5）。對(duì)于淺水波條件的隨機(jī)涌浪，可選取PM 譜。

3 h 隨機(jī)海況的最大波浪力可采用計(jì)算對(duì)應(yīng)某一超越概率琢的波浪力的方法（式（3））得到。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，選取有義波高1 m 的隨機(jī)波計(jì)算波浪力。經(jīng)計(jì)算，對(duì)應(yīng)12 m 吃水、橫浪條件下（圖2）的最大波浪力為353 t。

其中：m0為SR（棕）的零階矩。

圖3 波浪力傳遞函數(shù)Fig.3 Wave force transfer function

圖4 波浪力譜Fig.4 Wave force spectrum

圖5 波浪譜Fig.5 Wave spectrum

坐底穩(wěn)性的抗力計(jì)算需要考慮船底海床接觸面積的掏空。對(duì)于樁式結(jié)構(gòu)物的沖刷研究表明，沖刷深度會(huì)隨著雷諾數(shù)的增大而增大[5]。但大尺度結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沖刷相對(duì)較為復(fù)雜，并且同時(shí)需要關(guān)注沖刷導(dǎo)致的底部掏空。王仲捷[6]針對(duì)坐底式鉆井平臺(tái)的沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明不同的波流入射角度所引起的流線(xiàn)區(qū)別會(huì)導(dǎo)致沖刷掏空出現(xiàn)較大差別，其試驗(yàn)測(cè)出最大掏空面積比例為15%。由此認(rèn)為中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中規(guī)定的20%掏空面積是足夠保守的，可適用于“三航工5”坐底穩(wěn)性的抗力計(jì)算。

在抗傾覆穩(wěn)性計(jì)算中，不考慮任何海床的有利作用（如吸附力）[2]，抗傾覆彎矩完全由船舶自身重力來(lái)平衡。計(jì)算結(jié)果表明，6 級(jí)風(fēng)況、流速2.3 m/s、有義波高1 m 的隨機(jī)波浪海況下傾覆力矩為29 837 t·m?？紤]船底20%面積掏空、超加壓載水為3 000 t 時(shí)，抗傾覆力矩約為51 637 t·m，可以滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求。

在抗滑移穩(wěn)性計(jì)算中，抗滑移力的計(jì)算需要考慮結(jié)構(gòu)-土相互作用，是目前業(yè)界計(jì)算方法差異較大的部分。針對(duì)淤泥底質(zhì)條件，目前業(yè)界使用較多的是API 方法[7]（式（4））和DNV 方法[8]（式（5））。DNV 方法與API 方法的主要區(qū)別在于DNV 方法考慮了一定的被動(dòng)土壓力。

式中：c 為土的不排水抗剪強(qiáng)度；A 為平臺(tái)坐底面積；AS為船體埋深部分所形成的側(cè)向投影面積。由于“三航工5”的船底具有一定傾角（0.9毅），因此當(dāng)其垂直坐底時(shí)，入泥深度隨著超加壓載水量發(fā)生變化，進(jìn)而船底的坐底面積會(huì)發(fā)生變化，最終影響抗滑移力（圖6）。采用抗傾覆穩(wěn)性計(jì)算相同的環(huán)境條件，得到滑移力為574 t，按照規(guī)范要求的安全系數(shù)1.4 進(jìn)行復(fù)核，若采用API 方法計(jì)算抗滑移力，超加壓載水量需達(dá)到4 500 t。

當(dāng)“三航工5”坐底吊裝作業(yè)時(shí)，吊機(jī)吊重力矩使得基底最大壓力有所增加，當(dāng)超加壓載水為4 500 t 時(shí)，將無(wú)法滿(mǎn)足地基承載力的要求。為保證坐底船不產(chǎn)生非均勻沉降，可通過(guò)減少壓載水的手段來(lái)保持地基承載能力。經(jīng)驗(yàn)算，考慮最不利吊重力矩為8 000 kN·m 時(shí)，對(duì)于初始?jí)狠d量為4 500 t 的工況，壓載水需卸載至2 500 t 以保證滿(mǎn)足地基承載力的要求。此時(shí)，由于超加壓載水4 500 t 所形成的入泥深度不會(huì)隨著壓載水的卸載而發(fā)生變化（即海床變形不會(huì)回彈），抗滑移力保持不變。同時(shí)，壓載水卸載至2 500 t 時(shí)，抗傾覆力矩約為43 030 t·m，安全系數(shù)為1.44。

4 結(jié)語(yǔ)

1）“三航工5”在設(shè)計(jì)階段已進(jìn)行半潛工況的計(jì)算，在實(shí)船作業(yè)過(guò)程中，嚴(yán)格按照半潛操作手冊(cè)進(jìn)行操作可滿(mǎn)足穩(wěn)性和強(qiáng)度指標(biāo)，無(wú)需進(jìn)行個(gè)案分析。

2）從風(fēng)場(chǎng)淤泥底質(zhì)條件以及所配錨的抓力系數(shù)角度分析，證明了“三航工5”在下潛、上浮過(guò)程中存在走錨風(fēng)險(xiǎn)?；谧鳂I(yè)安全考慮，必須采用限制作業(yè)流速條件的方式進(jìn)行操作，即流速限制在1.3 m/s 以?xún)?nèi)，選擇平潮或停潮期間進(jìn)行下潛、上浮，可避免走錨發(fā)生。

3）當(dāng)“三航工5”坐底后，其抗傾覆穩(wěn)性完全由其自身重量提供，3 000 t 超壓載水即可以滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求。然而，計(jì)算表明船舶超加壓載水量需提高至4 500 t 才能滿(mǎn)足抗滑移穩(wěn)性的要求。但超壓載水量增加至4 500 t 之后，無(wú)法滿(mǎn)足地基承載力的要求，因此需采用預(yù)壓載4 500 t后將超加壓載水減小至2 500 t 的方法來(lái)滿(mǎn)足地基承載力的要求。