混凝土聯(lián)鎖塊軟體排抗拖錨穩(wěn)定性試驗(yàn)及改進(jìn)

曹 波，張亮亮，聶衛(wèi)平，別社安，郭自強(qiáng)，劉云波

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510663；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海底電纜越來越普遍，船舶的錨泊活動(dòng)對海底電纜造成的危害和安全威脅也增多[1-3]。因此，在近海域的海底電纜需要進(jìn)行保護(hù)，以防止船舶拋錨和拖錨對其造成損害[4]。在硬質(zhì)海床上，海底電纜不便于采用埋設(shè)保護(hù)方案，采用混凝土聯(lián)鎖塊軟體排覆蓋技術(shù)是保護(hù)硬質(zhì)海底電纜免受海流和船錨影響的一種方法[5-7]?；炷谅?lián)鎖塊軟體排覆蓋在海底電纜上，一方面可以阻止海流（包括波浪）直接對電纜的作用；另一方面可以避免落錨時(shí)對電纜的直接沖擊作用；再有如果混凝土聯(lián)鎖塊軟體排的形式得當(dāng)，也可能避免拖錨時(shí)對電纜的拖帶作用。

混凝土聯(lián)鎖塊軟體排是用繩索將規(guī)則擺放的混凝土塊體連接成整體的柔性結(jié)構(gòu)，其整體性、適應(yīng)變形能力、透水性均很好。傳統(tǒng)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排的混凝土塊體之間有空隙，當(dāng)覆蓋在電纜上，或海底局部不平整時(shí)，局部混凝土塊體之間的空隙會(huì)較大，這樣有可能存在拖錨的錨尖通過混凝土塊體之間的空隙時(shí)掛住聯(lián)鎖塊，帶動(dòng)軟體排和電纜整體運(yùn)動(dòng)。另外，傳統(tǒng)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排的外邊界部位很容易被拖錨的錨爪鉤掛住，使軟體排和電纜失穩(wěn)及受損。

可見，采用傳統(tǒng)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排來覆蓋保護(hù)海底電纜，其抗拖錨穩(wěn)定性還存在諸多問題和不確定性，基于此，開展了試驗(yàn)研究。采用多種尺度的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排、多種重量規(guī)格的霍爾錨和大抓力錨，進(jìn)行拖錨試驗(yàn)，觀察拖錨過程中錨爪鉤掛軟體排的方式、形態(tài)及演變過程，探究錨爪鉤掛軟體排的因素，進(jìn)而對混凝土聯(lián)鎖塊軟體排的形狀和形式進(jìn)行改進(jìn)，提高軟體排的抗拖錨穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模型錨

船舶常使用的錨類型[8]為霍爾錨[9]（全球船舶市場上約80 %的船舶選用霍爾錨）和大抓力錨，大抓力錨中最為常見的是AC-14 大抓力錨[10]。本研究中選取這兩種錨進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)GB/T546-2016《霍爾錨》和 CB/T 3972-2005《AC-14 大抓力錨》的相關(guān)規(guī)定制作出相應(yīng)比尺的試驗(yàn)錨。三種霍爾錨和三種大抓力錨的模型如圖1 和圖2 所示，模型錨參數(shù)如表1 和表2 所示，表中符號參數(shù)詳見上述規(guī)范。按 1:4 的長度比尺，原型錨重300 kg 至4 800 kg，若按1:5 的長度比尺，則原型錨重600 kg 至9 500 kg。

圖1 模型霍爾錨

表1 模型霍爾錨參數(shù)

表2 模型AC-14 錨參數(shù)

表3 模型錨與原型錨的質(zhì)量對應(yīng)關(guān)系

圖2 模型AC-14 錨

圖3 混凝土聯(lián)鎖塊軟體排模型

表4 混凝土聯(lián)鎖塊參數(shù)

1.3 電纜和保護(hù)套管模型

工程中硬質(zhì)海底上的電纜一般外包鑄鐵保護(hù)套管，如圖4 所示，其直徑為460 mm，按1:4 的試驗(yàn)比尺可得模型套管的直徑為115 mm，為模擬工程中電纜和保護(hù)套管柔軟可變形的特點(diǎn)，試驗(yàn)中用直徑為115 mm 的SUS304 包塑不銹鋼波紋管作為保護(hù)套管。電纜模型采用鋼絲繩。

圖4 海底電纜的鑄鐵保護(hù)套管示意圖

對于抗拖錨穩(wěn)定性試驗(yàn)，電纜及保護(hù)套管對聯(lián)鎖塊軟體排穩(wěn)定性影響最為主要的因素是保護(hù)套管的外徑，因此模型試驗(yàn)主要針對管線幾何尺寸進(jìn)行模擬，而對模型海纜和保護(hù)套管的材質(zhì)等不進(jìn)行過多的考慮。

1.4 試驗(yàn)場地和拖錨裝置

為模擬硬質(zhì)海底，試驗(yàn)在水泥地面上進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校瑢⒋┯袖摻z繩的波紋管放置在水泥地面上，在波紋管上放置混凝土聯(lián)鎖塊軟體排，如圖5 所示。

圖5 海底電纜上覆蓋混凝土聯(lián)鎖塊軟體排模型

拖錨裝置由定滑輪、卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩等組成，裝置示意圖如圖6 所示。

圖6 抗拖錨試驗(yàn)示意圖

1.5 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)擬探究不同種類、不同質(zhì)量、不同初始位置開始的拖錨對軟體排的作用，觀察軟體排及電纜的穩(wěn)定性。使用兩種類型、各三種質(zhì)量的模型錨進(jìn)行拖錨試驗(yàn)。

船錨的初始位置設(shè)計(jì)了兩種：一種是船錨落在距排體遠(yuǎn)處開始拖動(dòng)，另一種是船錨落在軟體排上開始拖動(dòng)。

每組拖錨試驗(yàn)的具體過程分為三個(gè)階段：

1）拖錨準(zhǔn)備

將海纜模型置于試驗(yàn)場地，并標(biāo)記初始位置；將模型軟體排覆蓋于海纜模型上，將模型錨放置于指定位置，記錄混凝土軟體排和模型錨的初始位置；將卷揚(yáng)機(jī)、鋼索、卸扣與錨依次連接，啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)使鋼索接近拉直；架設(shè)攝影設(shè)備，記錄拖錨過程。

2）拖錨試驗(yàn)

啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)拖動(dòng)模型錨，同時(shí)開始錄像，觀察錨體在場地上的拖動(dòng)過程，以及與混凝土軟體排作用后的運(yùn)動(dòng)過程及形態(tài)。如果錨體越過了軟體排，或者鉤掛住了軟體排并使其產(chǎn)生較大的滑移，則停止拖錨。

（3）拖錨后恢復(fù)

拖錨結(jié)束后，將海纜模型、混凝土軟體排和模型錨恢復(fù)至初始記錄位置。

2 軟體排的抗拖錨穩(wěn)定性試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

從拖錨試驗(yàn)現(xiàn)象中可以看出，當(dāng)錨從距排體較遠(yuǎn)處開始拖動(dòng)時(shí)，各種重量的錨幾乎都無法通過軟體排，錨爪在軟體排邊沿鉤掛住混凝土塊體，拖帶著軟體排及電纜產(chǎn)生位移，如圖7（a）和圖8（a）所示。

當(dāng)錨爪鉤掛住軟體排后，全部的拖纜力就作用在軟體排上。起抵抗作用的力是軟體排和電纜保護(hù)套管與海底的摩擦力，工程中單塊軟體排的水下重力約50 kN，混凝土塊與巖質(zhì)海底的摩擦系數(shù)為 0.5～0.65（本試驗(yàn)中實(shí)測的摩擦系數(shù)為0.49～0.54），則摩擦抵抗力約為30 kN，較大船錨的拖纜力遠(yuǎn)大于30 kN，因此當(dāng)錨爪鉤掛住軟體排后，除小型漁船外，一般的工程船和商船均會(huì)拖帶著軟體排及電纜產(chǎn)生位移。

當(dāng)錨落在軟體排上，從排體上開始拖動(dòng)時(shí)，存在著錨爪鉤掛混凝土聯(lián)鎖塊縫隙的問題，而一旦錨爪鉤掛后無法脫離，錨依然會(huì)帶著軟體排及管線發(fā)生位移，如圖7（b）和圖8（b）所示。特別是由于電纜保護(hù)套管隆起高度較大，使得該位置處表面塊體間距加大，很容易被錨爪鉤掛。

圖7 霍爾錨鉤掛現(xiàn)象

圖8 AC-14 錨鉤掛現(xiàn)象

由于AC-14 大抓力錨的錨爪端部較薄且?guī)Ъ饨?，相較于霍爾錨，AC-14 大抓力錨更易鉤掛軟體排，且鉤掛后更不易擺脫。

2.2 問題分析

1）邊沿鉤掛

如圖9 所示，在硬質(zhì)海底上，當(dāng)錨體以錨爪張開的形態(tài)接觸軟體排的邊沿塊體時(shí)，由于塊體是直立面，錨爪尖受到阻力，錨脛角增大至最大值，錨爪與錨桿卡死。如果此時(shí)水平拖錨力大于摩擦抗力，錨爪就會(huì)鉤掛著排體滑動(dòng)。此情況下錨爪很難從鉤掛狀態(tài)解脫。

圖9 錨爪邊沿鉤掛示意圖

產(chǎn)生邊沿鉤掛的主要原因是混凝土塊體是直立面，錨爪尖難以從硬質(zhì)海底面上移到軟體排的混凝土塊體頂面上。

2）縫隙鉤掛

如圖10 所示，當(dāng)錨爪尖在軟體排的混凝土塊體頂面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果塊體間隙較大，錨爪尖嵌入其中時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生鉤掛現(xiàn)象。如在電纜保護(hù)套管的頂部，按工程尺度，混凝土塊體頂面的最大間隙可達(dá)100 mm，這種情況下錨爪尖就極易嵌入其中，嵌入后也難以從鉤掛狀態(tài)解脫。

圖10 錨爪縫隙鉤掛示意圖

產(chǎn)生縫隙鉤掛的主要原因一是軟體排變形后，混凝土塊體間的頂面間隙過大，二是間隙側(cè)的混凝土塊體是直立面，錨爪尖難以從間隙內(nèi)上移出來。

當(dāng)?shù)匦尾黄秸?，?dǎo)致相鄰混凝土塊體間有高差時(shí)（工程中可達(dá)50 mm），也容易使錨爪鉤掛住。

3 軟體排優(yōu)化

3.1 改進(jìn)思路

針對傳統(tǒng)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排易被錨爪鉤掛的問題，從以下幾方面對其進(jìn)行改進(jìn)：

1）將邊沿的混凝土塊做成斜坡面，使錨爪能滑上排體，以解決錨爪鉤掛邊沿塊體的問題；

2）對混凝土塊的邊角進(jìn)行削角處理，使錨爪易于滑過塊體間隙，同時(shí)也降低了高差的影響；

3）采用不同厚度的混凝土塊組合成軟體排，以適應(yīng)地面和管線高度的變化，減少塊體間隙寬度和高差。

綜合上述三方面的改進(jìn)，新的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排示意圖如圖11 所示。

圖11 改進(jìn)的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排示意圖

3.2 改進(jìn)后的試驗(yàn)效果

按上述改進(jìn)思路制作的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D12 所示。

圖12 改進(jìn)后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

進(jìn)行拖錨試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，重量合適的錨體，錨爪不再鉤掛軟體排的邊沿塊體，錨爪能夠通過邊沿塊體的斜坡面滑移至塊體頂面，如圖13（a）所示。錨爪也能滑過塊體間隙，如圖13（b）所示。

圖13 拖錨滑過軟體排

3.3 其它問題

通過上述的改進(jìn)，使拖錨能夠滑過覆蓋在海底電纜上的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排成為可能，但在下述情況下，仍然會(huì)產(chǎn)生鉤掛或軟體排與電纜整體滑移：

1）當(dāng)錨體的重量過大時(shí)，由于錨爪和混凝土聯(lián)鎖塊之間的摩擦力大，仍然會(huì)帶動(dòng)軟體排和電纜一起滑動(dòng)，此時(shí)就需要增大軟體排的整體重量。通過建立錨體運(yùn)動(dòng)和軟體排的受力模型，可對此問題進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2）當(dāng)海底地面不平整時(shí)，邊沿混凝土塊體同地面之間會(huì)有間隙，此時(shí)也會(huì)影響到錨爪從邊沿斜坡面滑移至塊體頂面而出現(xiàn)鉤掛現(xiàn)象。

4 結(jié)語

1）在硬質(zhì)海底上采用傳統(tǒng)的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排覆蓋在海底電纜上，當(dāng)船錨拖過時(shí)，各種形式和重量的錨幾乎都無法通過軟體排，錨爪易在軟體排邊沿鉤掛住混凝土塊體，或在塊體間隙處鉤掛住混凝土塊體，拖帶著軟體排及電纜產(chǎn)生位移。

2）將邊沿的混凝土塊做成斜坡面、對混凝土塊的邊角進(jìn)行削角處理、采用不同厚度的混凝土塊組合成軟體排，這些改進(jìn)使拖錨能夠滑過覆蓋在海底電纜上的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排成為可能。

3）對于改進(jìn)的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排，當(dāng)海底地面不平整、或錨體重量過大時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生鉤掛或帶動(dòng)軟體排與電纜整體滑移。

致謝：非常感謝王智超和胡欣雨在試驗(yàn)中提出的良好建議和所做的辛苦工作！