淺談如何通過有限元數(shù)值仿真研究預(yù)防船舶拋錨對水下管線的損害

馬勁

摘 要：在水下管道中，穿越航道的那一部分管道面臨的風(fēng)險主要來源于過往該航道的船舶主動或被動的拋錨。一旦管道發(fā)生破損、泄露，將對經(jīng)濟造成難以估量的損失，對環(huán)境的破壞更是無法想象。因此，水下管道抗錨害分析己成為一個亟待解決的重要課題。建立“河底基床-管道-錨-水-空氣”和“河底基床-管道-錨-水-空氣-錨鏈-船舶”三維流固耦合和固體侵切有限元計算模型，對船舶拋錨、拖錨、撞擊和侵切對水下管道的損傷行為進行數(shù)值仿真；根據(jù)錨害分析，研究管道的防護措施，并分析和研究水下管道防護措施的有效性和可靠性，可為水下管道抗錨害設(shè)計提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：水下管道 抗錨害 拋石防護 有限元數(shù)值仿真研究

1.船舶拋錨對水下管道的損害分析

錨害主要包括落錨的直接沖擊和拖錨的侵切破壞，包括錨與水、錨與土、錨與管道、管道與土體的相互作用。落錨過程中，錨在重力、浮力和河水阻力的作用下下落，最終與河底發(fā)生碰撞，并與河底基床產(chǎn)生沖擊和侵切；拖錨過程中，錨與河底基床發(fā)生侵切，有可能穿過回填土，鉤、刺管道，造成傷害。

（1）落錨撞擊

落錨撞擊破壞力與錨的速度有關(guān)，而錨速又與水深和水體阻力有關(guān)，在小深不太大時，錨的重力大于錨的浮力、阻力之和，處于加速階段，此時，水深越大，錨的碰撞速度越大，破壞力越大；當(dāng)水深很大時，錨的速度增加到一定程度時，水的阻力進一步增大，水的阻力、浮力與重力達到平衡狀態(tài)，錨的速度達到最大值。因此，評估落錨時的最大破壞力采取最大水深。

（2）拖錨航行

當(dāng)船舶主動或被動拋錨時，落錨首先在河床上貫穿一定的垂直距離，貫穿深度取決于錨的重量、形狀、水深及土壤的特性。在貫穿過程中主動力主要包括錨的重力，阻力包括作用在錨下端的土壤承載力和側(cè)面的土壤摩擦力。拖錨時，錨力和錨的運動軌跡主要處決于土的抗剪強度。拖錨計算時，先計算錨貫入土壤深度，再計算在該貫入深度下拖錨時錨的運動軌跡，通過錨鉤與管道的最小距離來評估管道在拖錨工況下的安全性。

研究管道在拖錨工況下的安全性，需計算拖錨情況下錨最低的運動軌跡。錨的運動軌跡，與水位、錨鏈長度和土壤特性有關(guān)，當(dāng)土壤特性確定時，水位越低，錨鏈越長，錨抬升的角度越小，抬升的速度越慢，錨的運動軌跡越低；反之，水位越高，錨鏈越短，錨抬升的角度越大，抬升的速度越快，錨的運動軌跡越高。因此，拖錨計算時，取最低通航水位。

2.錨害的數(shù)值仿真模型建立

目前，在國內(nèi)外對于水下管道錨害損傷的數(shù)值模擬研究中，主要采用物理模型和數(shù)學(xué)計算。

物理模型按一定的相似準(zhǔn)則，建立相應(yīng)比例的物理實驗?zāi)Ｐ脱芯垮^害。該法比較直觀，但由于錨與水的相互作用十分復(fù)雜，特別是水的阻力過程，難以用單一的相似準(zhǔn)則來模擬，相應(yīng)的實驗材料也以找到；土體的侵切行為更加復(fù)雜，與土體的性狀、錨的形狀密切相關(guān)，很難找到滿足比尺實驗的材料，即便找到了，代價也十分巨大和昂貴，且精度有限。

數(shù)學(xué)計算目前主要彈簧法和有限元法。彈簧法彈簧法只能模擬彈簧所處位置處的變形情況，而無法對接觸力方向的變化進行模擬，無法考慮到錨與水的作用，無法計算錨在土體內(nèi)的侵切行為，也無法反映錨與管道的碰撞過程，計算精度十分有限。目前，國內(nèi)外運用有限元法計算錨害的研究主要集中于計算錨與管道的碰撞和接觸行為，而對于錨與水的流固耦合過程、錨與管道接觸前的狀態(tài)及接觸過程與土體侵切的數(shù)值過程仿真還極少。

錨害是流固耦合、固體侵切的大位移、大變形和大應(yīng)變的幾何非性性、材料非線性和接觸非線性動力響應(yīng)過程，計算十分復(fù)雜。目前國內(nèi)外相關(guān)的數(shù)值研究較少，本文在搜集國內(nèi)外相關(guān)數(shù)值計算方法和理論的基礎(chǔ)上，對大型數(shù)值計算平臺進行二次開發(fā)，編寫計算插件，運用拉格朗日法和歐拉法相結(jié)合的方法，建立“河底基床-管道-錨-水-空氣”和“河底基床-管道-錨-水-空氣-錨鏈-船舶”三維流固耦合和固體侵切有限元計算模型，對船舶拋錨、拖錨、撞擊和侵切對水下管道的損傷行為進行數(shù)值仿真，考慮材料非線性、幾何非線性及接觸界面非線性等因素對水下管道結(jié)構(gòu)損傷變形的影響，也考慮了不同土壤特性、撞擊速度、錨自身形狀、尺寸、重力和管道埋設(shè)深度對管道撞擊塑性變形的影響，分析和研究了錨與空氣、錨與水、錨與土壤、錨與管道、錨與錨鏈的相互作用，求解了管道在錨害中的應(yīng)力和變形。

錨在水中受到浮力、重力外，還受到水體阻力，水體阻力與錨運動速度和流場狀態(tài)有關(guān)，水體阻力由單元流固耦合進行時程計算。錨體貫入河底基床及侵切土體時，河底基床土體發(fā)生大應(yīng)變，如采用拉格朗日網(wǎng)格，網(wǎng)絡(luò)隨質(zhì)點移動，網(wǎng)格大變形時，計算將產(chǎn)生奇點，求解無法進行，這是計算的難點和重點。由于歐拉網(wǎng)格固定，質(zhì)點可以網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流動。為解決土體的大應(yīng)變和侵切的計算，本文模型引入拉格朗日方法的同時，也引入歐拉網(wǎng)格，彼此之間既互相獨立又相互聯(lián)系，使整個模型既保留拉格朗日法的高效，又有效解決了大變形計算問題。拉格朗日方法和歐拉法的相互耦合，為土體的大應(yīng)變和錨土侵切計算提供了新的思路。

根據(jù)管道的河底地質(zhì)層空間分布、水深和錨特征等，等比例建立三維有限元計算模型。落錨分析時，建立“河底基床-管道-錨-水-空氣”三維有限元計算模型。拖錨侵切分析時，建立“河底基床-管道-錨-水-空氣-錨鏈-船舶”三維有限元計算模型。

3.錨害防護措施的數(shù)值仿真分析

水下管道頂部僅回填開挖土?xí)r，落錨沖擊下，錨會貫穿管頂回填土，與管道發(fā)生碰撞，并會引起混凝土配重層的破壞和鋼管局部的凹陷變形；拖錨航行時，錨鉤存在鉤掛水下管道的可能；為了防止水下管道被落錨沖擊變形，防止管道不被拖錨鉤掛，須對水下管道采取工程措施加以保護。目前國內(nèi)水下管道多采用在頂部拋設(shè)碎石層和塊石層進行防護，拋石厚度直接關(guān)系到工程投資和對管道的防護效果，因此，拋石厚度的選擇是防護設(shè)計的重點。水下管道工程防護設(shè)計時可預(yù)設(shè)多組拋石厚度組合，運用數(shù)值仿真技術(shù)分別驗算其對錨害的防護效果，從其中選取落錨時管道與錨不發(fā)生接觸，且不被落錨沖擊變形，拖錨航行時不被錨鉤鉤掛的拋石防護方案。

4.結(jié)語

綜上所述，在建立等比例的物理實驗?zāi)Ｐ脱芯垮^害代價巨大、昂貴且精度有限的情況下，通過建立“河底基床-管道-錨-水-空氣-船舶”三維流固耦合和固體侵切有限元計算模型，對船舶拋錨、拖錨、撞擊和侵切對水下管道的損傷行為進行數(shù)值仿真，求解了管道在錨害中的應(yīng)力和變形，為錨害的設(shè)計與防護提供技術(shù)依據(jù)和參考，在實際工程中具有良好的應(yīng)用效果。

參考文獻：

[1]JTJ311-97，廣東省沿河航道通航標(biāo)準(zhǔn)[S].廣州：廣東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2014.

[2]GB/T 546-2016，霍爾錨[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[3]李慶，馬坤明，王鳳蓮，等.穿越航道的河底管道保護設(shè)計抗錨害分析研究[J].中國造船，2013（A01）：54-56.