練繼建，劉 瀟，郭耀華，王海軍1,

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北邯鄲 056038；3.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350）

關(guān)鍵字：三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)；拖航阻力；吃水深度；波流耦合；浮運特性

引言

國際可再生能源機構(gòu)（IRENA）[1]的最新數(shù)據(jù)顯示，從2010 年到2019 年，可再生能源在產(chǎn)能擴張中所占的份額不斷上升，于2019 年達到72 %。全球風(fēng)能理事會(GWEC)2020 年4 月16 日發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中顯示[2]，全球風(fēng)電裝機容量在2019 年達到了650.8 GW，較去年增加了59.7 GW。截至2020年底，全球海上風(fēng)電累計裝機容量達32.5 GW，全球共有162 個海上風(fēng)電場已經(jīng)投入使用。

我國對于氣浮結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，別社安等[3-6]研究了三筒系纜平臺的漂浮穩(wěn)性，提出了在拖航過程中，實浮結(jié)構(gòu)和氣浮結(jié)構(gòu)浮力的變化差異可以通過氣浮力折減系數(shù)來換算，并將理論分析結(jié)合模型試驗和現(xiàn)場原型拖航對結(jié)構(gòu)的靜穩(wěn)性、小傾角穩(wěn)性和拖航運動特性進行了分析。丁紅巖、張浦陽等[7-13]通過大量的現(xiàn)場拖航試驗及模型試驗對多筒氣浮結(jié)構(gòu)和帶有分艙的復(fù)合筒型基礎(chǔ)進行了分析，主要分析了氣浮結(jié)構(gòu)拖航穩(wěn)性與拖航速度、吃水深度、拖纜繩長度、龍須角、初始傾角和波浪要素等因素之間的關(guān)系。唐友剛、張積樂等[14]對由六個獨立的大直徑圓筒和上部裙板組成的氣浮人工島基礎(chǔ)的拖航穩(wěn)性和運動特性進行了分析，該人工島的氣浮拖航通過向六個圓筒內(nèi)打氣來實現(xiàn)。劉憲慶[15]以理論計算與模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對在波浪下氣浮筒型基礎(chǔ)的響應(yīng)進行研究，為在實際項目中快速安裝筒型基礎(chǔ)提供參考和依據(jù)。閔巧玲[16]將數(shù)值模擬與模型試驗的結(jié)果進行對比，對在靜水中復(fù)合筒型基礎(chǔ)的運動特性進行了分析。

隨著三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的應(yīng)用越來越廣泛，對三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的浮運特性研究十分必要。本文結(jié)合數(shù)值模擬的手段分析不同吃水深度、水流速度以及規(guī)則波要素對三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)浮運期穩(wěn)性的影響。

1 吃水深度對基礎(chǔ)浮運特性的影響

1.1 模型設(shè)計

試驗?zāi)Ｐ鸵凿撡|(zhì)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)為原型，每個筒直徑20 m，筒高20 m，每兩個筒軸線距離44 m。試驗?zāi)Ｐ偷撞客膊捎糜袡C玻璃材質(zhì)以便觀察，上部導(dǎo)管架采用pvc 管來代替，模型比尺為1：40，滿足重力相似準則。

根據(jù)某海上風(fēng)電場海洋水文實測數(shù)據(jù)，選取波浪高度2.5 cm，周期1.26 s（波浪方向為逆浪），拖航速度為0.21 m/s 作為邊界條件，分析三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在不同的吃水深度下，浮運過程中所受的拖纜力、產(chǎn)生的縱搖角、垂向加速度以及各艙室內(nèi)氣壓的變化，拖航實驗工況如下表1 所示。

表1 實驗工況表

1.2 試驗結(jié)果分析

通過調(diào)節(jié)模型三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)內(nèi)部水氣比進而調(diào)節(jié)三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)吃水深度，根據(jù)實驗工況表2 進行模擬，提取模型運動狀態(tài)達到穩(wěn)定后三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)拖纜力、縱搖角以及各艙室內(nèi)氣壓的結(jié)果，見下圖1、2、3。

圖1 吃水深度對基礎(chǔ)拖纜力的影響

1）吃水深度對基礎(chǔ)拖纜力的影響

2）吃水深度對基礎(chǔ)縱搖角的影響

3）吃水深度對基礎(chǔ)艙壓的影響

從圖1 中可以看出，隨著吃水深度的增加，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下濕表面積越大，在浮運過程中所受到的阻力越大，因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的拖纜力不斷增大，并且起始階段所受到的沖擊力逐漸增大；從圖2 中可以得出，隨著吃水深度的不斷增大，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)所能提供的回復(fù)力臂越大，因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在浮運過程中晃動程度不斷減弱，所產(chǎn)生的縱搖角不斷減?。划?dāng)吃水從6 m 增加到10 m 的過程中，縱搖角的波動范圍從-0.86°～0.51° 減小至-0.72°～0.33°，但吃水從10 m 增加到14 m 時，縱搖角的波動范圍從-0.72°～0.33°減小至-0.71°～0.13°，說明三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)縱搖角的降低幅度隨吃水的不斷增加而逐漸減小。三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)具有對稱性，因此2 號艙和3 號艙的氣壓值基本相同，故選取2號艙進行分析，從圖3 中可以看出，隨著吃水深度的不斷增加，艙室內(nèi)的氣壓不斷減小。

圖2 吃水深度對基礎(chǔ)縱搖角的影響

圖3 吃水深度對基礎(chǔ)艙壓的影響

2 波流耦合作用對基礎(chǔ)浮運特性的影響

由于試驗在波流水槽內(nèi)進行，波浪方向只能取0°、180°進行拖航分析，但是在實際拖航過程中，拖航方向往往與波浪方向存在一定的夾角，因此運用Moses 軟件對波流耦合作用進行補充研究。

2.1 Moses 模型的建立

建立原型三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)Moses 模型并進行分艙，如圖4 所示，調(diào)節(jié)水與氣的比例，進而改變Moses 中模型的吃水，模型水氣比及艙室內(nèi)外吃水?dāng)?shù)值如下表2 所示。

表2 Moses 中原型三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

圖4 原型三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)分艙示意圖

為了在Moses 軟件中對三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)進行時域下的拖航分析，在模型中將系纜繩一端施加一個固定的拖纜力來模擬三筒導(dǎo)管架的拖航過程。出于對拖航的合理性和安全性的考慮，采用Y 型拖纜進行拖航，增設(shè)龍須纜，龍須纜長度為31.11 m，兩根龍須纜之間的夾角為90°，拖纜點設(shè)置在距離水面2 m 處。為考慮三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)內(nèi)部氣壓關(guān)系，為模擬三筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)筒內(nèi)氣壓的變化，在各個筒底開孔，水可從該孔進出。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為研究波流耦合作用對三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)拖航過程的影響，選取波浪周期8 s，平均波高為1 m 的波浪為分析對象，波浪方向分別取0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°進行分析，在分析結(jié)果中提取三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)橫（縱）搖角幅值、垂蕩位移以及垂向加速度幅值的變化，如圖5、6所示。

圖5 波浪方向?qū)Y(jié)構(gòu)橫（縱）搖角幅值的影響

1）波浪方向?qū)Y(jié)構(gòu)橫（縱）搖角幅值的影響

2）波浪方向?qū)Υ故幬灰萍按瓜蚣铀俣鹊挠绊?/p>

由圖5 可知，在波浪周期和波浪高度不變的情況下，隨著波浪角度從0°變化至180°，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在拖航過程中所產(chǎn)生橫搖角的幅值先增大后減小，縱搖角幅值先減小后增大，在波浪方向為60°時最??；從圖6 中可以得出，當(dāng)波浪方向從0°變化至180°時，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的垂蕩位移和垂向加速度均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，分別在波浪方向為0°和135°時出現(xiàn)極大值，在波浪方向為45°、60°和180°時出現(xiàn)極小值。從以上三張圖中可以看出，在外界條件允許的情況下，可以選取波浪方向為60°進行拖航，拖航過程較為安全，同時應(yīng)盡量避免在波浪方向為0°、90°進行拖航，拖航過程較為危險。

圖6 波浪方向?qū)Υ故幬灰萍按瓜蚣铀俣鹊挠绊?/p>

3 結(jié)語

本文通過實驗研究了三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)的在不同吃水深度下的拖纜力、運動特性以及艙室氣壓，并運用數(shù)模補充分析了波流耦合作用對基礎(chǔ)浮運特性的影響，可得出以下結(jié)論：

1）隨著吃水深度的增加，三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)在浮運過程中的所受到的拖纜力不斷增大，所產(chǎn)生的縱搖角不斷減小，各艙室內(nèi)的氣壓也逐漸減小，說明吃水深度的增加會提高拖航穩(wěn)定性但也會增大拖航阻力。

2）波浪方向為60°時，拖航過程中三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)所產(chǎn)生的縱（橫）搖角、垂蕩位移以及垂向加速度均相對較小，拖航過程較為安全。在外界條件允許的情況下，可以選取波浪方向為60°進行拖航。當(dāng)波浪方向為0°、90°時拖航過程中三筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)所產(chǎn)生的橫（縱）搖角、垂蕩位移以及垂向加速度相對較大，基礎(chǔ)穩(wěn)定性較差，拖航過程較為危險，應(yīng)盡量避免。