收稿日期：2021-12-03

基金項目：黃河水利科學研究院科技發(fā)展基金專項項目（黃科發(fā)202106）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項項目

（HKY-JBYW-2021-09）

通信作者：賈 楠（1987—），女，博士、助理研究員，主要從事海洋結(jié)構(gòu)及巖土工程方面的研究。jnantiwte@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1482 文章編號：0254-0096（2023）04-0253-06

摘 要：針對深遠海能源開發(fā)所處環(huán)境復雜惡劣的問題，提出一種可自浮拖航的六筒型綜合平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。針對結(jié)構(gòu)的自浮拖航過程，采用模型試驗的方法對航速和吃水對其拖航過程中的各艙艙壓、橫縱搖傾角度以及拖航阻力的影響進行研究。結(jié)果表明：隨著航速的增加，筒型基礎(chǔ)的艙壓變化增大，在實際拖航過程中應注意對艙壓變化較大的艙室進行補氣調(diào)平，保證足夠的拖航穩(wěn)定性；不同航速和吃水下的筒型基礎(chǔ)浮運過程的橫縱搖角均在-3°～1°范圍內(nèi)波動；拖航阻力受航速和吃水的影響較為明顯，在相同吃水下，航速從0.3 m/s增加到0.4 m/s時，對應的拖航阻力平均值約增大1倍。

關(guān)鍵詞：航速；吃水；復合筒型基礎(chǔ)；靜水拖航

中圖分類號：TV92 """"""""" 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟和科學技術(shù)的高速發(fā)展，人類對海洋資源的開發(fā)日益加強，特別是海上風資源、水產(chǎn)資源與油氣資源［1］。中國海上環(huán)境環(huán)境條件復雜，承受著風、海浪、海流、潮汐、地震等載荷的威脅，惡劣的海洋環(huán)境對工作平臺（風力機基礎(chǔ)、采油平臺等）提出嚴峻考驗［2］。目前，海上風電及油氣開發(fā)中主要開發(fā)設(shè)備分固定式平臺和移動式平臺2種，其中，固定式平臺主要包括導管架式平臺、水泥樁式平臺、人工島等；移動式平臺主要包括自升式平臺、坐底式平臺、柱穩(wěn)式平臺等［3］。

針對深遠海環(huán)境復雜惡劣的問題，本文提出一種可自浮拖航的六筒型綜合平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并對航速及吃水對六筒型基礎(chǔ)靜水拖航過程影響開展研究。多名學者已展開氣浮基礎(chǔ)的研究工作：丁紅巖等［4-10］對多筒氣浮結(jié)構(gòu)及帶有分艙的復合筒型基礎(chǔ)進行了大量的現(xiàn)場拖航試驗及模型試驗，主要分析了航速、吃水、系纜長度、龍須角、初始傾角和波浪要素等對氣浮結(jié)構(gòu)拖航穩(wěn)性的影響；張積樂［11］研究了氣浮人工島基礎(chǔ)的波浪拖航穩(wěn)性和運動響應，該人工島由6個獨立的大直徑圓筒和上部裙板組成，通過向6個圓筒內(nèi)部打氣來實現(xiàn)海上氣浮拖航；劉憲慶［12］通過理論計算、模型試驗和數(shù)值模擬的方式探討氣浮筒型基礎(chǔ)在波浪下的響應，為筒型基礎(chǔ)的快速施工以及筒型基礎(chǔ)作為海上結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的推廣和應用提供了參考和依據(jù)；閔巧玲［13］通過模型試驗及數(shù)值模擬分析了復合筒型基礎(chǔ)的靜水拖航特性，建立不同波浪周期及浪向下的基礎(chǔ)響應水動力數(shù)據(jù)庫。

本文提出適用于邊際油田復雜環(huán)境的可用于自浮拖航的筒型基礎(chǔ)，隨后通過模型試驗對筒型基礎(chǔ)在拖航過程中動態(tài)響應受航速和吃水的影響進行詳細分析，以期為工程實踐提供參考。

1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，六筒型綜合平臺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點為：基礎(chǔ)中空頂蓋原型直徑為35 m，筒高9.975 m，7個大小相等的小圓將頂蓋劃分為7個區(qū)域，其中邊緣的6個圓對應頂蓋下的6

個艙室，艙室直徑為11.6 m，頂蓋上部連接弧形過渡段，如圖2所示，相應的風力機或井口平臺可被安裝于過渡段的頂部。

2 試驗模型及試驗工況

2.1 試驗模型

采用1∶35比例進行試驗模型制作，制作材料為有機玻璃，實際工程中筒壁為鋼筒壁，因縮尺之后壁厚太薄，所以除壁厚不相似外，試驗模型結(jié)構(gòu)的其他部分均保證外部尺寸與外形相似。模型基本尺寸見表1。

2.2 傳感器布置

基礎(chǔ)各艙室定義見圖3，其中1號艙室為前艙，4號艙室為后艙，2～6號艙室為邊艙。在各艙室上方開一個直徑8 mm圓孔，并通過氣閥、軟管與7通氣排相連，總管處設(shè)置穩(wěn)定的雙向氣泵可提供穩(wěn)定的氣壓力，另在各艙室氣孔旁再開一個8 mm圓孔，通過軟管與氣壓力傳感器相連，傳感器接入動態(tài)采集系統(tǒng)，可通過系統(tǒng)進行信號采集及信號處理，并時刻檢測各氣艙內(nèi)部的氣壓變化。為測量基礎(chǔ)模型在不同吃水下的運動特性，在模型頂部中心處布置一個陀螺儀，采樣頻率為200 Hz，拖航阻力通過拉力傳感器進行監(jiān)測，氣、水壓力傳感器采樣頻率為40 Hz。

2.3 試驗工況

如圖4所示，試驗在長80 m，寬2 m的波流水槽中進行。試驗水深控制為40 cm，試驗段前后配備貫流泵及控制系統(tǒng)等造流穩(wěn)流設(shè)備，可制造所需的穩(wěn)定均勻流速。由于試驗水池長度有限，不能采用在靜水中拖動的方式進行試驗，因此采用恒定流系柱試驗法。將基礎(chǔ)通過拖纜固定在上游的懸空支架上，支架與水槽剛性連接。

通過施加反方向的水流流速來模擬結(jié)構(gòu)在靜水中的拖航航速，拖航示意圖以及試驗布置如圖5所示。試驗過程中拖纜點固定在圓筒頂蓋下方10 cm處，兩拖纜點的圓心角為60°；連接的龍須纜長35 cm，夾角為90°；兩龍須纜會合后系纜于支架上。試驗前通過調(diào)節(jié)艙室內(nèi)氣水比例，并通過向艙室內(nèi)補氣使結(jié)構(gòu)保持在同一吃水。各試驗組次設(shè)置如表2所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 對各艙艙壓的影響分析

圖6為不同航速以及不同吃水下基礎(chǔ)各艙艙壓的時程曲線。截取各通道數(shù)據(jù)穩(wěn)定后的艙壓時程曲線各50 s進行對比分析，圖6中氣壓均已換算為相應壓力水頭。由圖6可知，基礎(chǔ)在相同航速下各艙艙壓都只有小幅波動，說明基礎(chǔ)在拖航運輸過程中能保持良好的穩(wěn)定性，與此同時，不同的航速對艙壓的影響十分明顯，1號前艙內(nèi)的氣壓在不同工況下的變化均最大，這是因為前艙位于迎流迎浪側(cè)，受外液面波動的影響較大。各艙艙壓隨航速的增大呈增大趨勢，位于對稱位置的2號和6號艙、3號和5號艙具有相似的艙壓變化規(guī)律，其均值基本接近初始狀態(tài)下的艙壓；在相同吃水，不同航速工況下的基礎(chǔ)各艙艙壓均在1 cm水頭范圍內(nèi)波動。同時隨著吃水的增加，各艙的艙壓均值（或初始艙壓）降低。這是因為壁厚不相似，導致壁厚產(chǎn)生的浮力不可忽略，吃水越大壁厚產(chǎn)生的浮力越大，氣浮力越小。

c. 吃水20 cm

3.2 對橫縱搖傾角的影響分析

圖7～圖9為不同航速下基礎(chǔ)拖航過程中橫搖和縱搖時程曲線和統(tǒng)計值，截取各自由度傾角穩(wěn)定后的橫縱搖時程曲線各50 s進行對比分析。由圖7～圖9可知，隨著航速的增大，橫搖和縱搖角增大，且在相同工況下，根據(jù)各工況統(tǒng)計值可看出，基礎(chǔ)的縱搖角幅值均大于橫搖角幅值，橫搖及縱搖角在?3°～1°之間擺動，滿足海上結(jié)構(gòu)物拖航過程中傾角小于5°的要求［14］。根據(jù)圖7中縱搖標準差可知，當基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的吃水較淺時，航速的增加會明顯增大基礎(chǔ)縱搖的波動，在實際工程應選擇合適的吃水和航速。

3.3 對拖航阻力的影響分析

圖10～圖12為不同航速以及不同吃水下筒型基礎(chǔ)拖航過程中拖航阻力的時程曲線及統(tǒng)計值。由圖10～圖12可知，航速和吃水對基礎(chǔ)拖航阻力的影響明顯，隨著航速和吃水

的增加，拖航阻力的平均值和最大值均明顯增加。在相同吃水下，0.4 m/s航速下的平均拖航阻力為0.3 m/s航速下的2倍。

如圖13為不同吃水下，不同航速對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)拖航阻力影響的統(tǒng)計值對比圖。由圖13可知，在相同航速下，隨著吃水的增加拖航阻力呈增大趨勢，這是由于吃水的增加會增大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的迎流面積，增大了流體對結(jié)構(gòu)的黏滯作用，從而使拖航阻力明顯增大。

4 結(jié) 論

本文提出一種適用于邊際油田復雜海洋環(huán)境的六筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并對不同航速和不同吃水工況下的基礎(chǔ)浮運拖航過程中的艙壓、橫縱搖角以及拖航阻力響應進行研究，主要結(jié)論如下：

1）隨著航速的增加，筒型基礎(chǔ)的艙壓變化增大，1號艙壓的變化最大，在實際拖航過程中應注意對該艙進行補氣調(diào)平，以保證基礎(chǔ)具有足夠的拖航穩(wěn)定性。

2）在拖航過程中，不同航速和吃水下的筒型基礎(chǔ)的橫縱搖角均在-3°～1°范圍內(nèi)波動，滿足規(guī)范對海上結(jié)構(gòu)物拖航過程中傾角的要求。

3）拖航阻力受航速和吃水的影響較為明顯，相同吃水下，航速從0.3 m/s增加到0.4 m/s時，對應的拖航阻力平均值約增大1倍。

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EXPERIMENTAL RESEARCH ON INFLUENCE OF SPEED AND

DRAFT ON TOWING PROCESS OF SIX-BUCKET

FOUNDATION IN STILL WATER

Wang Daoguang1，Zhao Xing2，Jia Nan3，4，Zhang Puyang4

（1. CNOOC Energy Technology amp; Services-Oil Production Services Co.， Tianjin 300450， China；

2. Yellow River Institute of Hydraulic Research， YRCC， Zhengzhou 450003， China；

3. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering， Ministry of Transport， Tianjin 300456， China；

4. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin 300072， China）

Abstract：Aiming at the complex and bad environment of offshore energy development， this paper proposes a six-bucket foundation structure that can be used for self-floating towing. The model test method is used to explore the influence of towing speed and draft on the response of the towing motion for bucket foundation during the towing process. The results show that， with the increase of towing speed， the change of the cabin pressure of the foundation increases. In the actual towing process， attention should be paid to the air supply and leveling of the tanks with large tank pressurechange to ensure sufficient towing stability. The roll angle of the floatation process at different speeds and draughts fluctuates within 3°. The towline force is significantly affected by the speed and draught. Under the same draught， when the towing speed increases from 0.3 m/s to 0.4 m/s， the average value of the towing resistance is approximately doubled.

Keywords：towing speed； draught； bucket foundation； still water towing