船舶拖錨對(duì)海底電纜埋深的影響

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(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510660；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著我國(guó)海洋航運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，錨害對(duì)海底電纜的影響程度越來(lái)越嚴(yán)重，其中拖錨過(guò)程中船錨對(duì)海纜的鉤掛是錨害事故的主要原因[1- 2]。為保護(hù)海底電纜，常用措施是將其埋設(shè)至海床以下一定深度來(lái)避免錨害[3- 4]。而海纜埋深主要取決于船錨嚙土深度，為確定海底電纜敷設(shè)的最佳埋深，需準(zhǔn)確了解拖錨過(guò)程中船錨的運(yùn)動(dòng)軌跡。SaUrwalt[5]通過(guò)理論模型并輔以模型試驗(yàn)，研究了船錨在軟泥中的抓底運(yùn)動(dòng)軌跡，但研究成果并不適用于砂土海床。國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者采用理論模型、模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等方法研究了砂土條件下船錨抓底時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式，并分析了錨的重量、幾何形狀對(duì)嚙土深度和抓力的影響[6- 11]，但未考慮船錨初始埋深對(duì)拖錨運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，未提出船舶拖錨最大嚙土深度和影響范圍的簡(jiǎn)便計(jì)算方法。

在借鑒國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)工程船舶常用的大抓力錨，采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模型相結(jié)合的研究方法開(kāi)展砂土條件下拖錨嚙土深度及影響范圍的分析，對(duì)工程中確定海底電纜的最佳埋深具有重要指導(dǎo)意義。

1 砂土條件下的拖錨試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同質(zhì)量的大抓力錨在拖錨過(guò)程中的最大嚙土深度及影響范圍，在砂土條件下設(shè)計(jì)了拖錨試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

本次試驗(yàn)的模型錨采用大抓力錨，共設(shè)計(jì)制作3種尺寸，從大到小質(zhì)量依次為73.00、25.30和4.70 kg。

圖2 模型試驗(yàn)錨

試驗(yàn)選用中砂，飽和容重為20.5 kg/m3，內(nèi)摩擦角為33.3°，孔隙比為0.61，相對(duì)密度為0.68。

試驗(yàn)時(shí)由拖錨機(jī)將船錨以一定速度向前拖動(dòng)，在錨桿及錨冠上固定傾角儀，用來(lái)計(jì)算錨爪的嚙土深度，并與錨的水平向位移進(jìn)行比較。針對(duì)砂土條件，共進(jìn)行了9組大抓力錨的拖錨試驗(yàn)。見(jiàn)表1。

表1 拖錨試驗(yàn)方案

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

大抓力錨在砂土中的最大嚙土深度見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，在拖錨起始階段，隨著船錨的水平向移動(dòng)，爪尖的豎向位移不斷增加，直到達(dá)到最大嚙土深度。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同尺寸船錨的最大嚙土深度基本相同，和初始埋深沒(méi)有直接關(guān)系，并且最大嚙土深度隨著船錨尺寸的增加而成線性增加。

圖3 砂土大抓力錨錨爪嚙土軌跡

2 拖錨深度及影響范圍的確定

2.1 拖錨的最大嚙土深度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，拖錨的最大嚙土深度與船錨尺寸存在線性關(guān)系，將兩者之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 拖錨最大嚙土深度與船錨尺寸的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，船錨拖錨過(guò)程中最大嚙土深度與錨爪長(zhǎng)度和錨冠高度之和成線性關(guān)系，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，錨桿的桿端在拖錨過(guò)程中始終處于土面附近，因此，可以認(rèn)為船錨的最大嚙土深度H僅與錨爪長(zhǎng)度和錨冠高度之和h及錨爪最大張角α有關(guān)，由此推導(dǎo)出船錨的最大嚙土深度為

H= sinα×h

(1)

式中：H為船錨的最大嚙土深度；α為錨爪的最大張角，其中大抓力錨α=35°；h為錨爪長(zhǎng)度和錨冠長(zhǎng)度之和。將式(1)所得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，可以得到如圖5所示對(duì)比結(jié)果。

圖5 拖錨最大嚙土深度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，驗(yàn)證了理論公式在砂土條件下的正確性。

2.2 拖錨的影響范圍

船錨在拖曳過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生較大的影響，周圍土體會(huì)產(chǎn)生明顯的隆起變形。為了解拖錨的影響范圍，對(duì)船錨的拖曳軌跡進(jìn)行相關(guān)分析，具體見(jiàn)圖6。

圖6 砂土拖錨軌跡最大寬度

由圖6可見(jiàn)，船錨拖曳軌跡的最大寬度均與錨冠的寬度成線性關(guān)系，對(duì)拖曳軌跡的最大寬度采用最小二乘法進(jìn)行擬合，具體公式為

B軌跡=1.132×b錨冠+19.63

(2)

式中：B軌跡為拖錨軌跡寬度；b錨冠為錨冠寬度。將式(2)所得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，可以得到如圖7所示對(duì)比結(jié)果。

圖7 拖錨軌跡寬度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖7可見(jiàn)，擬合公式與實(shí)測(cè)值擬合程度較好，驗(yàn)證了擬合公式在砂土條件下應(yīng)用的正確性。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬方法及模型

利用CEL有限元方法模擬拖錨過(guò)程，計(jì)算模型為三維有限元模型，包括船錨、海床地基。船錨模型采用73.00 kg模型大抓力錨，其幾何尺寸與試驗(yàn)?zāi)Ｐ突疽恢?，錨模型如圖8所示。

圖8 船錨模型示意

土體模型為三維歐拉可變形實(shí)體單元，模型長(zhǎng)3.0 m、寬1.4 m、高1.0 m，模型下部0.6 m范圍內(nèi)為土體，上部0.4 m范圍為空單元，參與拖錨過(guò)程中土體隆起的計(jì)算，模型示意如圖9所示。

圖9 土體模型示意

在有限元計(jì)算中，土體的參數(shù)主要有密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力及剪脹角。砂土物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 砂土物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值分析結(jié)果論證

3.2.1 73.00 kg大抓力錨計(jì)算結(jié)果

砂土拖錨計(jì)算以73.00 kg大抓力錨為例給出了豎直向的位移云圖，分析了拖錨過(guò)程中錨形態(tài)變化、移動(dòng)軌跡和錨爪的最終嚙土深度。從計(jì)算結(jié)果可以看出，錨的運(yùn)動(dòng)可以分為3個(gè)階段，即姿態(tài)調(diào)整階段、嚙土階段和穩(wěn)定階段。見(jiàn)圖10。

圖10 大抓力錨錨爪嚙土過(guò)程

在開(kāi)始階段，錨爪接觸土面，在水平拖拽力的作用下，錨冠逐漸翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)達(dá)到平衡，此階段表現(xiàn)為錨爪部分入土，錨冠脫離土面。第二階段為嚙土階段，此階段錨冠和錨爪的嚙土深度隨著拖錨的距離增加不斷增加，而且錨爪的嚙土深度增加速率比錨冠的嚙土深度速率大，表現(xiàn)為錨的轉(zhuǎn)角增加，最終達(dá)到35°最大轉(zhuǎn)角。最后為穩(wěn)定階段，當(dāng)錨爪嚙土深度達(dá)到34.9 cm時(shí)，隨著拖錨距離的增加，錨爪的嚙土深度和錨的轉(zhuǎn)角可以認(rèn)為保持為常數(shù)，即錨達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

船錨的最終嚙土深度為34.9 cm，與模型試驗(yàn)及理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

3.2.2 原尺寸船錨計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬比較，驗(yàn)證了模型的合理性及適用性。運(yùn)用此模型對(duì)名義重量為495 kg的AC- 14[12]原尺寸大抓力錨(錨爪長(zhǎng)度和錨冠高度之和為101.2 cm，最大張角為35°)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析大抓力錨拖錨軌跡和錨爪嚙土深度規(guī)律，計(jì)算模型見(jiàn)圖11。

圖11 原型尺寸大抓力錨計(jì)算模型

從計(jì)算結(jié)果可以看出，大力錨嚙土過(guò)程可以分為3個(gè)階段，即姿態(tài)調(diào)整階段、嚙土階段和穩(wěn)定階段。見(jiàn)圖12。

圖12 原尺寸大抓力錨嚙土過(guò)程

原尺寸大抓力錨在拖曳過(guò)程中的行為與模型錨基本一致，達(dá)到最大張角35°后，最大嚙土深度為64.24 cm。該尺寸船錨最大嚙土深度的理論計(jì)算結(jié)果為58.05 cm，計(jì)算結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

1)利用模型試驗(yàn)研究了船錨尺寸對(duì)拖錨影響范圍和最終嚙土深度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著船錨尺寸的增大，船錨的最終嚙土深度和影響范圍隨之線性增加。

2)之前學(xué)者在船錨抓底過(guò)程的研究中未考慮船錨初始埋深對(duì)拖錨運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，卻未對(duì)此進(jìn)行過(guò)解釋，本文利用模型試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了船錨的初始埋深對(duì)拖錨的最終嚙土深度和影響范圍基本沒(méi)有影響。

3)利用CEL技術(shù)開(kāi)發(fā)了模擬拖錨過(guò)程的數(shù)值模擬方法，數(shù)值計(jì)算得到船錨嚙土深度與模型試驗(yàn)得到的結(jié)果具有較好的一致性。

4)提出了船舶拖錨最終嚙土深度和影響范圍的計(jì)算方法，便于在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中確定海底電纜的最小埋設(shè)深度。

5)現(xiàn)階段的文獻(xiàn)缺乏針對(duì)粘性土中船錨最終嚙土深度的研究，船錨在海底軟粘土或分層土中最終嚙土深度的計(jì)算方法仍有待進(jìn)一步研究。

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