變水深地形下建設(shè)平臺(tái)系泊系統(tǒng)模型試驗(yàn)

丁愛兵， 汪學(xué)鋒， 柳存根， 徐勝文

（上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)海洋空間和資源開發(fā)利用的需求日益增長(zhǎng)，各種各樣的海洋工程裝備越來越受到人們的重視。其中，建設(shè)平臺(tái)作為一種重要的海洋浮式結(jié)構(gòu)物［1］，主要布置在島礁附近，其不僅可作為浮動(dòng)式碼頭支撐島礁建設(shè)，還可作為多用途海上綜合保障平臺(tái)，為島礁提供旅游基地、物資補(bǔ)給、環(huán)境檢測(cè)、信息樞紐等多種功能，給島礁生產(chǎn)與生活提供全面保障［2］。

系泊系統(tǒng)是影響海洋浮式結(jié)構(gòu)物安全可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)［3］，特別是對(duì)于布置于近島礁水域的建設(shè)平臺(tái)，面臨著極淺水、變水深非對(duì)稱地形等環(huán)境條件，其系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證更為重要［4］，水池模型試驗(yàn)是其中一種必要的驗(yàn)證手段。

系泊系統(tǒng)水池模型試驗(yàn)研究國內(nèi)已經(jīng)有了大量的研究工作，開展了多型深海平臺(tái)系泊系統(tǒng)和纜索的線性與非線性動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法［5］與試驗(yàn)技術(shù)的研究，分析了不同環(huán)境載荷下［6］的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊受力［7］情況。但相關(guān)試驗(yàn)［8］多數(shù)是針對(duì)深水系泊系統(tǒng)［9］，針對(duì)近島礁極淺水環(huán)境下的系泊試驗(yàn)研究還較少，同時(shí)也未涉及海底非對(duì)稱變水深的地形影響［10］。

本文針對(duì)近島礁地形條件下建設(shè)平臺(tái)的系泊系統(tǒng)開展水池模型試驗(yàn)研究，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，研究其在不同風(fēng)、浪環(huán)境作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)力響應(yīng)以及系泊受力情況等，為最終系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和工程應(yīng)用提供支撐。

目標(biāo)建設(shè)平臺(tái)擬布置于近島礁附近，通過棧橋與島礁相連，其系泊系統(tǒng)既需要在工作海況下最大限度控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，以滿足平臺(tái)作業(yè)要求；同時(shí)也需要在臺(tái)風(fēng)海況下控制錨鏈張力及平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，以保證平臺(tái)自身、系泊系統(tǒng)等的安全性。通過本次試驗(yàn)，需要獲得不同海況中平臺(tái)在所設(shè)計(jì)的系泊系統(tǒng)作用下的錨鏈?zhǔn)芰瓦\(yùn)動(dòng)情況。通過對(duì)數(shù)據(jù)的比較分析，為系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化提供初步的方案。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

本次試驗(yàn)除了需要按照相似準(zhǔn)則加工制作平臺(tái)模型、系泊系統(tǒng)模型外，還需要精確模擬平臺(tái)所處的地形環(huán)境條件以及風(fēng)浪流環(huán)境條件。

1.1 相似原理

海洋平臺(tái)在波浪中模型和實(shí)體的兩個(gè)系統(tǒng)需要滿足3個(gè)相似條件：幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似［11］。在模型試驗(yàn)中通常保持弗勞德數(shù)和斯特羅哈數(shù)相等，即

式中：v，L，T分別為特征速度、特征線尺度和周期；下標(biāo)m和s分別表示模型和實(shí)體。綜合考慮平臺(tái)尺寸和試驗(yàn)水池的尺度及試驗(yàn)?zāi)芰?，模型縮尺比選為1∶36。

1.2 平臺(tái)模型

本試驗(yàn)研究對(duì)象島礁建設(shè)平臺(tái)為駁船式海洋平臺(tái)，相關(guān)主尺度模型值和實(shí)驗(yàn)值分別如表1所示，總布置圖如圖1所示。

表1 建設(shè)平臺(tái)主要參數(shù)

圖1 島礁建設(shè)平臺(tái)總布置圖

1.3 地形模擬

本次試驗(yàn)對(duì)象島礁建設(shè)平臺(tái)布置在近島礁附近，水深10～15 m，平臺(tái)兩側(cè)水深變化較大，海底地形不平坦。為簡(jiǎn)化研究，試驗(yàn)中對(duì)海底地形地貌進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖2所示，將海底地形簡(jiǎn)化為不同斜率的二維斜坡處理，平臺(tái)中心位置水深為10 m。

圖2 平臺(tái)布置位置海底地形簡(jiǎn)化圖（m）

試驗(yàn)中，對(duì)海底地形的模擬，將在原水池假底的基礎(chǔ)上增加模擬斜坡的斜坡假底，如圖3所示，為模擬圖2中15～50 m水深地形的裝置，制作9個(gè)2.5 m×4.5 m的斜坡拼裝而成，斜坡角度可調(diào)節(jié)范圍為1°～4°。通過對(duì)海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，該部分坡度約2°，同理制作類似裝置模擬圖2中其他部分水深不同坡度的地形。

圖3 地形模擬裝置示意圖

1.4 系泊模型

島礁建設(shè)平臺(tái)采用傳統(tǒng)的懸鏈線系泊方式［12］，由于平臺(tái)兩側(cè)水深相差較大，設(shè)計(jì)時(shí)采用非對(duì)稱系泊，如圖4所示，深水側(cè)和近岸側(cè)錨鏈參數(shù)各不相同［13］。同時(shí)，考慮其系泊系統(tǒng)需同時(shí)滿足工作海況下工作船旁靠和臺(tái)風(fēng)海況下抗臺(tái)安全性要求，設(shè)計(jì)時(shí)分為工作海況和臺(tái)風(fēng)海況兩個(gè)情況［14］，工作海況采用8點(diǎn)系泊（圖4中1～8號(hào)），臺(tái)風(fēng)海況在平臺(tái)兩邊各增加2組抗臺(tái)風(fēng)錨（圖4中9～16號(hào)）。

圖4 系泊系統(tǒng)布置示意圖

試驗(yàn)中共需要制作16根系泊纜，分為4組，其物理屬性見表2。其中9～16號(hào)抗臺(tái)風(fēng)錨鏈工作海況下處于解脫狀態(tài)。

表2 系泊纜物理屬性

1.5 環(huán)境模擬

由于平臺(tái)部署于淺水水域，試驗(yàn)中不考慮流的影響，環(huán)境模擬主要包括風(fēng)和波浪的模擬。風(fēng)的模擬采用定常風(fēng)，通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來模擬不同海上風(fēng)況［15］。不規(guī)則波浪的模擬采用Jonswap譜，gamma值取2.0，由于平臺(tái)靠近島礁，本試驗(yàn)僅研究由深海到岸邊的風(fēng)浪，即橫浪對(duì)系泊性能的影響。試驗(yàn)中，所模擬的風(fēng)、浪均同向，單個(gè)波浪造波時(shí)間不小于30 min（對(duì)應(yīng)實(shí)際3 h），具體模擬的風(fēng)浪海況參數(shù)如表3所示。同時(shí)，為分析波浪周期對(duì)系泊性能的影響，在部分海況下增加了波浪譜峰周期6.5 s和9 s的試驗(yàn)。

表3 系泊試驗(yàn)風(fēng)浪環(huán)境參數(shù)

2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)主要包括：平臺(tái)自身特性試驗(yàn)、靜水試驗(yàn)和風(fēng)浪試驗(yàn)。平臺(tái)自身特性試驗(yàn)主要包括平臺(tái)重心位置及慣量調(diào)整、無系泊的平臺(tái)橫搖、縱搖、垂蕩衰減試驗(yàn)等；靜水試驗(yàn)包括平臺(tái)運(yùn)動(dòng)衰減試驗(yàn)和系統(tǒng)水平剛度試驗(yàn)；風(fēng)浪試驗(yàn)主要測(cè)量平臺(tái)不同風(fēng)浪環(huán)境條件下平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)情況和系泊受力情況，圖5所示為風(fēng)浪試驗(yàn)實(shí)際照片。

圖5 系泊系統(tǒng)風(fēng)浪試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)完成后，首先對(duì)靜水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到了平臺(tái)在不同系泊系統(tǒng)作用下的六自由度靜水衰減特性和系泊系統(tǒng)的水平剛度。如圖6所示為建設(shè)平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)海況下使用16根錨鏈時(shí)的橫搖衰減曲線，由圖可知，此時(shí)平臺(tái)的固有橫搖周期為5.8 s。

圖6 平臺(tái)在16根錨鏈作用下橫搖衰減曲線

通過對(duì)工作海況下風(fēng)浪試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，得到表4所示結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在有義波高1m、譜峰周期4.32 s的波浪下，建設(shè)平臺(tái)采用圖4中8根懸鏈線系泊（預(yù)張力40 t），此時(shí)平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)和最大系泊力受地形和風(fēng)的影響均不是很大，最大橫搖在3°左右，最大橫蕩在3 m左右，最大瞬間系泊張力均出現(xiàn)在6號(hào)錨鏈上。

表4 工作海況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊力測(cè)量結(jié)果

通過對(duì)臺(tái)風(fēng)海況下風(fēng)浪試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，不難發(fā)現(xiàn)，在有義波高3 m譜峰周期7.48 s波浪、風(fēng)速36 m/s、斜坡假底的條件下，平臺(tái)采用圖4中所設(shè)計(jì)的16根懸鏈線系泊，預(yù)張力10 t時(shí)，平臺(tái)最大橫搖13°，最大橫蕩5.32 m，最大瞬間系泊力出現(xiàn)在15號(hào)錨鏈上，最大受力為114.4 t，最小安全系數(shù)2.88，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

本次試驗(yàn)中，還開展了相同海況和地形條件下不同預(yù)張力對(duì)系泊性能的影響研究。在有義波高3 m譜峰周期7.48 s波浪、風(fēng)速36 m/s、考慮斜坡假底的條件下，平臺(tái)僅利用圖4中1～8號(hào)錨鏈定位，預(yù)張力40 t時(shí)，最大橫蕩11.17 m，最大系泊力172.2 t；預(yù)張力20 t時(shí)，最大橫蕩14.4 m，最大系泊力155.79 t；預(yù)張力10 t時(shí)，最大橫蕩16.24 m，最大系泊力133.63 t。由此可見，預(yù)張力對(duì)懸鏈線系泊系統(tǒng)的性能影響較大，同等情況下，預(yù)張力越大，運(yùn)動(dòng)越小，系泊力則較大。

同時(shí)試驗(yàn)還研究了波浪譜峰周期對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。在波浪有義波高3 m、風(fēng)速36 m/s、斜坡假底的條件下，平臺(tái)采用圖4中所設(shè)計(jì)的16根懸鏈線系泊，預(yù)張力10 t，譜峰周期6.5 s時(shí)，最大橫搖15.11°；譜峰周期7.48 s時(shí)，最大橫搖13°；譜峰周期9 s時(shí)，最大橫搖10.47°。由此可見，譜峰周期越接近平臺(tái)固有橫搖周期5.8 s，橫搖運(yùn)動(dòng)越大。因此，在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量使固有頻率避開波浪譜峰周期。

4 結(jié) 論

本文以極淺水變水深環(huán)境條件下的建設(shè)平臺(tái)為對(duì)象，進(jìn)行系泊系統(tǒng)水池模型試驗(yàn)研究，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理得到以下結(jié)論：

（1）無論是工作海況還是臺(tái)風(fēng)海況，平臺(tái)的最大系泊力均小于錨鏈的設(shè)計(jì)破斷載荷，最小安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）對(duì)于懸鏈線系泊，預(yù)張力對(duì)系泊性能的影響較大。

（3）在進(jìn)行系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于六自由度運(yùn)動(dòng)中最需要控制的部分，應(yīng)優(yōu)先考慮使其固有頻率避開平臺(tái)布置區(qū)域的波浪譜峰周期。

上述結(jié)論不僅為系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)建設(shè)平臺(tái)的布置安裝也具有一定的工程指導(dǎo)價(jià)值。