喻 飛，甘 樂，段 斐*，陳俊生，朱春生，練繼建，劉 潤

（1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010；2.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；3.天津大學(xué)，天津 300072）

風(fēng)能作為清潔可再生能源，成為近年來發(fā)展最快的新能源之一。海風(fēng)與陸風(fēng)不同，海上風(fēng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地，海上風(fēng)電遠(yuǎn)離人群，又不占用耕地，發(fā)展空間巨大，完全有能力擔(dān)任綠色可再生電力主力軍角色。大力發(fā)展海上風(fēng)電，戰(zhàn)略價(jià)值巨大。近年來海上風(fēng)電正在世界各地飛速發(fā)展。海上風(fēng)機(jī)建設(shè)中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最常見的是樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)及近年來發(fā)展較快的筒形基礎(chǔ)。負(fù)壓吸力筒型基礎(chǔ)以其剛度大、抗傾覆能力強(qiáng)及總體造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)被大量地運(yùn)用于受臺(tái)風(fēng)影響及巖層埋深較淺的海上風(fēng)電場(chǎng)[1-2]。但筒型基礎(chǔ)體型較大、重量較大，底部筒裙分倉板等均為薄壁結(jié)構(gòu)，無法直接承受筒型基礎(chǔ)的大重量，因此無法放置在平板駁上直接運(yùn)輸，只能通過浮運(yùn)方式進(jìn)行運(yùn)輸。筒型基礎(chǔ)底部筒裙為開口結(jié)構(gòu)，浮運(yùn)過程中的穩(wěn)定性和抗傾覆能力弱于船舶或海工等閉口結(jié)構(gòu)型式[3-4]，因此需要大型輔助裝備對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)。由于筒型基礎(chǔ)為新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，目前并不存在一種成熟的浮運(yùn)裝置[5-6]。因此需要研究一種針對(duì)海上風(fēng)電負(fù)壓吸力筒型基礎(chǔ)，能夠?yàn)槠涮峁┳銐蚍€(wěn)性，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸?shù)母∵\(yùn)裝備及其運(yùn)輸方法。

1 海上風(fēng)電吸力筒型基礎(chǔ)與浮運(yùn)裝備

海上風(fēng)電六邊形筒型基礎(chǔ)如圖1所示?；A(chǔ)主體為上部全鋼結(jié)構(gòu)+下部鋼包混凝土六邊形筒體的復(fù)合結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)筒裙為六邊形開口結(jié)構(gòu)，筒裙高度14 m，筒裙邊對(duì)邊的距離為32 m，筒裙厚度0.3 m。筒裙內(nèi)部設(shè)計(jì)有六邊形的內(nèi)艙板，六邊形內(nèi)艙板和外筒壁之間設(shè)計(jì)有6塊分艙板，為整個(gè)筒裙加強(qiáng)支撐、提高剛度。筒裙艙室因此分割為7個(gè)獨(dú)立艙室，為筒裙提供支撐、增強(qiáng)剛度。安裝時(shí)將首先利用基礎(chǔ)自重產(chǎn)生一定下沉量，同時(shí)筒裙內(nèi)部氣體被海底泥面封閉在筒裙內(nèi)部。自沉結(jié)束后將筒裙內(nèi)部氣體抽走形成負(fù)壓，基礎(chǔ)在負(fù)壓作用下繼續(xù)下沉，直至整個(gè)筒裙嵌入到泥面內(nèi)部。筒裙頂部設(shè)計(jì)由徑向梁與環(huán)向梁構(gòu)成的筒頂梁系，以增強(qiáng)筒頂剛度。筒頂梁系上部設(shè)計(jì)有單柱和斜撐，單柱-斜撐-筒頂梁系形成聯(lián)合受力體系，以更好地傳遞頂部彎矩。

圖1 海上風(fēng)電六邊形筒型基礎(chǔ)

筒型基礎(chǔ)的浮式運(yùn)輸通過浮運(yùn)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。浮運(yùn)平臺(tái)長88.2 m，寬65 m，型深6 m，設(shè)計(jì)吃水3.5 m，將圓形筒裙完全包裹夾持，如圖2所示。如此筒型基礎(chǔ)和浮運(yùn)平臺(tái)在運(yùn)輸過程中形成運(yùn)動(dòng)整體，基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)，尤其是對(duì)傾覆起關(guān)鍵作用的縱搖、橫搖，將傳遞給浮運(yùn)平臺(tái)，兩者共同運(yùn)動(dòng)。利用浮運(yùn)平臺(tái)的大水線面為基礎(chǔ)在運(yùn)輸過程中提供足夠穩(wěn)性。

圖2 浮運(yùn)平臺(tái)對(duì)圓形筒型基礎(chǔ)完全包裹夾持

由圖3和圖4可知，浮運(yùn)平臺(tái)由2個(gè)浮體模塊拼裝而成，1個(gè)為嵌入型模塊（淺色）、1個(gè)為被嵌入型模塊（深色）。浮運(yùn)平臺(tái)是組裝式非自航浮運(yùn)平臺(tái)，為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，提前在船廠進(jìn)行制造，制造完成后托運(yùn)至筒型基礎(chǔ)制造現(xiàn)場(chǎng)。浮運(yùn)平臺(tái)拼裝時(shí)，在2個(gè)模塊接觸面附近的甲板上，利用2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)將嵌入型模塊導(dǎo)向限位條沿被嵌入型模塊導(dǎo)向限位槽向前拉動(dòng)，使嵌入型模塊前端與基礎(chǔ)筒裙緊密接觸，拼裝到位后將筒裙完全包裹匹配，2個(gè)模塊被縱向拉緊固定，2個(gè)浮體模塊與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接成能共同運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式。浮運(yùn)平臺(tái)將筒型基礎(chǔ)夾持完成后，由拖船拖至場(chǎng)區(qū)安裝位置，如圖5所示。

圖3 浮運(yùn)平臺(tái)嵌入型模塊（淺色）和被嵌入型模塊（深色）的拼接方式

圖4 浮運(yùn)平臺(tái)兩模塊組合完成圖

圖5 浮運(yùn)平臺(tái)和筒型基礎(chǔ)拖航示意圖

2 基礎(chǔ)浮運(yùn)靜穩(wěn)性分析

浮運(yùn)平臺(tái)和筒型基礎(chǔ)作為一個(gè)整體，其主要參數(shù)見表1。整體坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)建立在筒裙底部，X軸指向航行前進(jìn)方向，Z軸豎直向上，整體坐標(biāo)系如圖6所示，浮運(yùn)平臺(tái)和基礎(chǔ)靜穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

表1 浮運(yùn)平臺(tái)和基礎(chǔ)整體主要參數(shù)

圖6 整體坐標(biāo)系說明圖

從圖7所示的結(jié)果中可以看出，一方面可以得到浮運(yùn)平臺(tái)和基礎(chǔ)的初穩(wěn)性高度為159.53 m，滿足交通運(yùn)輸部海事局關(guān)于《海上移動(dòng)平臺(tái)法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》及中國船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中“自由液面修正后初穩(wěn)性高不少于0.15 m”的要求；另一方面，從圖7所示中可以看出，回復(fù)力曲線和風(fēng)傾曲線在第二交點(diǎn)處，復(fù)原力矩曲線下的面積與風(fēng)傾力矩的面積比為17.6，滿足交通運(yùn)輸部海事局關(guān)于《海上移動(dòng)平臺(tái)法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》及中國船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》中“復(fù)原力矩曲線至第二交點(diǎn)或進(jìn)水角（取小者）以下的面積至少應(yīng)比風(fēng)壓傾側(cè)力矩至同一限定角下的面積大40%”的要求。綜上所述，穩(wěn)性校核結(jié)果表明，浮運(yùn)平臺(tái)帶基礎(chǔ)滿足穩(wěn)性校核的規(guī)范要求。

圖7 穩(wěn)性校核曲線

3 基礎(chǔ)浮運(yùn)時(shí)域計(jì)算及運(yùn)動(dòng)特性分析

以廣東珠海桂山海域?yàn)槔?，從?中可以看出，桂山海域全年出現(xiàn)概率最大的波浪周期為2～4 s，小于2 s周期的波浪累計(jì)頻率僅為1%。最大波高為2.0～2.5 m，對(duì)應(yīng)譜峰周期為10～11 s，但概率極小，該海域全年波高基本在2 m以下、2 m以上的概率僅0.01%。

表2 桂山海域有效波高與譜峰周期（Hs-Tp）聯(lián)合概率分布表（全年） %

建立浮運(yùn)平臺(tái)與筒形基礎(chǔ)的動(dòng)穩(wěn)性分析模型，選取拖航作業(yè)典型的海況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算條件為：風(fēng)、浪同向。波浪譜為JONSWAP譜。計(jì)算有效波高分別取1、2和3 m，波浪譜峰周期取10 s，為浮式系統(tǒng)固有周期，此時(shí)為最不利工況。按照蒲式風(fēng)級(jí)表波浪對(duì)應(yīng)的風(fēng)速分別取15、21和27節(jié)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)際拖航工程經(jīng)驗(yàn)，航速取2 m/s。表3至表5給出了浮運(yùn)過程中各自由度的計(jì)算值。從表中的計(jì)算結(jié)果可以看出，縱搖在順浪0°下的響應(yīng)最大，在表3至表5中分別為1.003°、2.114°和3.411°；橫搖在橫浪90°下的響應(yīng)最大，在表3至表5中分別為1.679°、2.524°和2.920°，可見浮運(yùn)平臺(tái)具有良好的水動(dòng)力學(xué)性能，各工況下最大的縱橫搖角均控制在規(guī)范要求的4°范圍以內(nèi)，能夠保障安全拖航作業(yè)。

表3 有效波高1 m譜峰周期10 s風(fēng)速15節(jié)下的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 有效波高2 m譜峰周期10 s風(fēng)速21節(jié)下的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5 有效波高3 m譜峰周期10 s風(fēng)速27節(jié)下的計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)筒型基礎(chǔ)不適合直接干拖運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，提出了一種能夠?yàn)橥残突A(chǔ)提供足夠穩(wěn)性、實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸?shù)母∵\(yùn)裝備及其運(yùn)輸方法。建立了浮運(yùn)平臺(tái)與筒形基礎(chǔ)的動(dòng)穩(wěn)性分析模型，選取拖航作業(yè)典型的海況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)際拖航工程經(jīng)驗(yàn)，航速取2 m/s。計(jì)算結(jié)果顯示，浮運(yùn)平臺(tái)具有良好的水動(dòng)力學(xué)性能，縱搖在順浪下的響應(yīng)最大、橫搖在橫浪下的響應(yīng)最大，浮運(yùn)平臺(tái)具有良好的水動(dòng)力學(xué)性能，各工況下最大的縱橫搖角均控制在規(guī)范要求的4°范圍以內(nèi)、能夠保障安全拖航作業(yè)。