大抓力錨和吸力錨在CALM型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的應(yīng)用

閆宏生， 苑 恒， 李懷亮， 于文太， 孟祥偉

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300252)

0 引 言

隨著我國(guó)開(kāi)發(fā)海洋步伐的穩(wěn)步推進(jìn)，越來(lái)越多的海洋固定式平臺(tái)、浮動(dòng)式平臺(tái)和單點(diǎn)系泊系統(tǒng)不斷地在我國(guó)渤海、南海投入使用，各種形式的系泊基礎(chǔ)在海洋工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。懸鏈錨腿系泊(Catenary Anchor Leg Mooring，CALM)型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊方式靠錨鏈或鋼纜附加一定配重，以此提供恢復(fù)力。系泊所用錨鏈的一端附著在海底，此時(shí)系泊基礎(chǔ)主要承受橫向水平載荷。但是在極端海況下，系泊基礎(chǔ)可能會(huì)與錨鏈產(chǎn)生一定的夾角，使其承受較大的垂向載荷。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例普遍使用大抓力拖曳錨和打入式錨樁兩種形式，但近年來(lái)吸力錨因具有安裝施工方便、可重復(fù)利用及可承受較大垂向載荷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究和使用。因此，對(duì)系泊形式進(jìn)行計(jì)算比較和分析對(duì)海上重大工程項(xiàng)目施工前的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。

當(dāng)前，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大抓力錨和吸力錨在實(shí)際生產(chǎn)工程應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究。蔣治強(qiáng)[1]在不同的底質(zhì)條件下對(duì)新型大抓力錨的抓力系數(shù)進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析錨鏈鋪臥在海底土壤上對(duì)錨抓底性能的影響。尚謹(jǐn)[2]對(duì)大抓力錨的強(qiáng)度和疲勞特性進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化錨桿形狀，并對(duì)延長(zhǎng)錨的疲勞壽命提出合理建議。陳峰等[3]基于砂土和黏土中的室內(nèi)模型試驗(yàn)采用能量法創(chuàng)建拖曳錨落深的理論計(jì)算方法，開(kāi)展數(shù)值模擬分析，對(duì)不同土質(zhì)條件中的下落深度進(jìn)行研究。徐偉等[4]分別用理論計(jì)算方法和基于耦合歐拉拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL)算法的有限元數(shù)值分析方法，得出常用大抓力錨嚙土深度和影響范圍，并通過(guò)砂土中的拖錨試驗(yàn)確定海底錨鏈或線纜的最佳埋設(shè)深度。秦春蕾[5]對(duì)砂土地基貫入過(guò)程中吸力大小和初始埋深對(duì)整體沉貫效果的影響進(jìn)行分析，得到吸力錨筒負(fù)壓值、初始埋深與沉貫速度的關(guān)系。金書(shū)成等[6]利用三維有限元模型，依靠極限平衡解法推導(dǎo)吸力錨筒在飽和砂土條件下極限水平承載力的計(jì)算公式。李大勇等[7]分析吸力錨筒的靜力平衡條件，獲得滿足沉貫的最小吸力值，運(yùn)用Hencky應(yīng)力方程推導(dǎo)錨筒內(nèi)外側(cè)土體間有效應(yīng)力表達(dá)式。李颯等[8]運(yùn)用ANSYS建立深海吸力錨錨鏈與海底土壤相互作用模型，改變錨固點(diǎn)的埋深、土體強(qiáng)度等自變量，得到出土點(diǎn)載荷與系泊點(diǎn)載荷的比值隨自變量的變化情況。馮婷婷等[9]應(yīng)用有限元軟件Abaqus，編制Python腳本程序，實(shí)現(xiàn)不跟蹤循環(huán)載荷即可模擬吸力錨在軟土中受循環(huán)載荷作用而逐漸累積變形至最終失穩(wěn)過(guò)程的擬動(dòng)力算法。張大朋等[10]運(yùn)用OrcaFlex 軟件對(duì)吸力錨下放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得到吸力錨在順浪和橫浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

本文在國(guó)內(nèi)外研究規(guī)范的基礎(chǔ)上，針對(duì)大抓力拖曳錨和吸力錨兩種系泊基礎(chǔ)進(jìn)行研究，分析各自的適用環(huán)境條件和規(guī)律，總結(jié)其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣勢(shì)，對(duì)其使用特點(diǎn)加以比較，利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Visual Basic設(shè)計(jì)研發(fā)輔助分析設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)算例驗(yàn)證可靠性。

1 系泊機(jī)理分析

1.1 大抓力錨

大抓力拖曳錨是常用的最古老的系泊基礎(chǔ)形式之一，在船舶與海洋工程暫時(shí)或永久系泊等方面有著廣泛的應(yīng)用。大抓力錨的拋錨形式為穿透海底土壤后拖行埋置，可以選擇局部或全部穿入海床土壤中，由錨爪前土壤阻力產(chǎn)生抓力，并以抓重比(或抓力系數(shù))來(lái)表征其錨固特性。拖入式埋置錨抵御大的水平負(fù)載能力較強(qiáng)，但對(duì)于抵御較大垂直負(fù)載則略顯不足。因此，與錨爪相連的錨鏈須保證足夠的長(zhǎng)度，盡可能滿足錨鏈在連接處與海底土壤平面相切。

在CALM型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，通常采用大抓力錨作為系泊基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用大抓力錨時(shí)，需要解決以下問(wèn)題：

(1) 錨固阻力與安裝線張力的關(guān)系；

(2) 安裝程序步驟以及海底土壤固結(jié)和循環(huán)加載影響；

(3) 錨的最小安裝張力。

如圖1所示：設(shè)定特征錨固阻力RC是安裝錨固阻力Ri與預(yù)計(jì)安裝后固結(jié)和循環(huán)加載時(shí)的阻力(ΔRcons和ΔRcy)總和；在下沉點(diǎn)處阻力增加了可能的海底摩擦ΔRfric。在錨固階段，假設(shè)海床土壤上的錨鏈長(zhǎng)度為L(zhǎng)S，當(dāng)LS>0時(shí)，RC的求解表達(dá)式為

RC=Ri+ΔRcons+ΔRcy+ΔRfric

(1)

假設(shè)目標(biāo)安裝線張力Ti得到充分的測(cè)量和記錄，然后將預(yù)阻力ΔRcons、ΔRcy、ΔRfric和Ri相加，得到所需的特征錨固阻力RC即為接地點(diǎn)所需的最小安裝張力Tmin，可得表達(dá)式如下：

Ti=Tmin-μW′lLS,i

(2)

式中：μ為海底土壤的摩擦因數(shù)；W′l為單位長(zhǎng)度的接觸海床的錨鏈所受重力大??；LS,i為錨鏈與海床的實(shí)際接觸長(zhǎng)度。

由式(1)和式(2)可知，Ri取決于LS,i和線張力的正確評(píng)估。若LS,i>LS，則Tmin必須相應(yīng)增加，使得轉(zhuǎn)移至下沉點(diǎn)的負(fù)載等于該點(diǎn)的Ti。

注：zi為大抓力錨錨固狀態(tài)的穿透深度圖1 大抓力錨錨固狀態(tài)受力分析示例

在觸地點(diǎn)處的設(shè)計(jì)線張力Td是計(jì)算出的2個(gè)特征線張力分量TC-mean和TC-dyn與其各自的局部安全因數(shù)gmean、gdyn的乘積之和。同樣地，設(shè)計(jì)錨固阻力在計(jì)算中也須附上局部安全因數(shù)的考量，即

Td=TC-meangmean+TC-dyngdyn

(3)

Rd=Ri+(ΔRcons+ΔRcy+ΔRfric)/gm

(4)

式中：TC-mean為預(yù)張力的特征平均線張力，受環(huán)境狀態(tài)和環(huán)境平均負(fù)荷的影響；TC-dyn為特征動(dòng)態(tài)線張力，張力數(shù)值的增加由振蕩低頻和波頻效應(yīng)引起；gm為錨固阻力局部安全因數(shù)。

Tmin的具體數(shù)值將在很大程度上決定安裝大抓力錨過(guò)程中巖土工程的安全性。在錨固期間海床上的錨鏈長(zhǎng)度LS,i可能與錨設(shè)計(jì)計(jì)算中假設(shè)的長(zhǎng)度LS不同，在海床沒(méi)有隆起的情況下，Tmin可由式(5)計(jì)算得到：

Tmin=Td+μW′lLS,igm,i-
(ΔRcons+ΔRcy+ΔRfric)/gm

(5)

式中：gm,i為海床局部安全因數(shù)。ΔRcons的數(shù)值與土壤固結(jié)因子有關(guān)。計(jì)算過(guò)程中所需的海底土壤摩擦因數(shù)μ和土壤固結(jié)因子兩項(xiàng)參數(shù)可通過(guò)查表(見(jiàn)表1和表2)方式進(jìn)行數(shù)值選取。土壤敏感性這一自變量的值等于土壤不排水抗剪強(qiáng)度與重塑的不排水抗剪強(qiáng)度的比值，其數(shù)值與土壤試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)。

表1 海底土壤摩擦因數(shù)μ參考表

表2 土壤固結(jié)因子參考表

1.2 吸力錨

吸力錨形狀近似于一個(gè)頂部密封、底部開(kāi)口的圓筒，由其側(cè)面的土壤阻力和摩擦力產(chǎn)生抓力，主要用于黏土型底質(zhì)，也可用于細(xì)沙或顆粒層，能同時(shí)承受錨鏈水平和垂向載荷。吸力錨筒設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單、安裝較方便、安裝時(shí)間較短，在深海錨固基礎(chǔ)中得到廣泛的應(yīng)用，已成功應(yīng)用于多種海洋工程結(jié)構(gòu)物。

如圖2所示，與大抓力錨拖入埋置土壤安裝拋錨形式不同，吸力錨在安裝時(shí),利用其自重加上壓載使錨筒保持豎直下沉貫入海床土壤一段距離,而后以封閉管口和抽水等形式降低錨筒內(nèi)部的壓力,使錨筒內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差，從而在頂部產(chǎn)生持續(xù)向下的力并超過(guò)海床土壤的阻力，保持吸力錨沉貫至錨筒內(nèi)頂部與海床土壤相接觸停止，穩(wěn)定后錨筒內(nèi)外壓強(qiáng)會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，吸力錨完成安裝并保持錨固狀態(tài)，由錨筒內(nèi)外側(cè)壁的土壤摩擦阻力和吸附力來(lái)承受水平或垂直載荷。與大抓力錨相比，吸力錨施工定位準(zhǔn)確，使其對(duì)其他海上作業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生干擾的可能性顯著降低[11]。

在實(shí)際應(yīng)用拋錨形式的對(duì)比中，吸力錨最大的優(yōu)勢(shì)在于：大抓力錨在拖曳進(jìn)土的安裝過(guò)程中須滿足與錨爪相連的錨鏈保持預(yù)張緊狀態(tài)；吸力錨系泊基礎(chǔ)則略有不同,在其安裝過(guò)程中與錨筒相連的錨鏈可保持較松弛狀態(tài)，如圖3所示，其中p點(diǎn)為錨筒與錨鏈的交接處，為負(fù)載附接點(diǎn)，當(dāng)水下錨筒安裝結(jié)束后,需要水面設(shè)備對(duì)連接錨鏈進(jìn)行張緊，使其滿足系泊所需的張力，能夠?yàn)楦∈狡脚_(tái)等海上設(shè)施提供更加有效且穩(wěn)定的系泊。

圖2 吸力錨的安裝過(guò)程

圖3 吸力錨的錨泊線布置

(6)

循環(huán)加載因子Ucy的取值取決于吸力錨失效的等效循環(huán)次數(shù)Neqv。由此確定的在邊墻穿透之前完整的不排水循環(huán)剪切強(qiáng)度τf,cy,D=Ucysu,D用作參考循環(huán)強(qiáng)度，用于確定相應(yīng)的三軸壓縮循環(huán)剪切強(qiáng)度τf,cy,C=CCτf,cy,D和三軸延伸循環(huán)剪切強(qiáng)度τf,cy,E=CEτf,cy,D。這些強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)換比率CC、CE和不排水抗剪強(qiáng)度su,D的值隨特定海床土壤位置變化而改變，并且理想錨固位置應(yīng)基于來(lái)自實(shí)際場(chǎng)地的海底土壤樣本充分的試驗(yàn)結(jié)果得出。

由于沿邊墻的垂直剪應(yīng)力與土壓力之間的耦合，以及錨底部的水平剪切應(yīng)力和反向承載力，得到的水平和垂直錨固阻力分量Rh=Tpcos(αp)和Rv=Tpsin(αp)，其中在水深zp處的線張力失效(此處假設(shè)錨的水下重量W′包括在Rv中)，通過(guò)令由土壤反作用力產(chǎn)生圍繞邊墻端部中心水平處作用于錨的合成力矩Msoil為零來(lái)找到負(fù)載附接點(diǎn)的最佳深度zp：

Msoil=Tpcos(αp)(H-zp)-Tpsin(αp)xp

(7)

式中：Tp為在負(fù)載附接點(diǎn)處施加與水平方向所夾為αp的加載角度方向的線張力；H為吸力錨邊墻高度；xp為從錨的垂直中心線至負(fù)載附接點(diǎn)的水平距離。

當(dāng)吸力錨失效模式是無(wú)旋轉(zhuǎn)的純平移時(shí)，通常可以實(shí)現(xiàn)取得穿透阻力Qtot：

Qtot=Qside+Qtip=
Awallαsu,D,av+(Ncsu,tip,av+γ′H)Atip

(8)

式中：Qside為吸力錨筒側(cè)壁提供的阻力；Qtip為吸力錨筒頂部提供的阻力；Awall為吸力錨內(nèi)外邊墻面積；α為剪切強(qiáng)度系數(shù)(通常假設(shè)為黏土敏感性的倒數(shù))；su,tip,av=(τf,cy,C+τf,cy,D+τf,cy,E)/3，為平均不排水剪切強(qiáng)度；γ′為土壤有效容重；Atip為端部面積。

2 計(jì)算分析流程及軟件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算流程的程序框架

根據(jù)理論計(jì)算原理，分別繪制大抓力錨和吸力錨兩種計(jì)算流程程序框架，如圖4和圖5所示。

圖4 大抓力錨計(jì)算程序流程圖

圖5 吸力錨計(jì)算程序流程圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)上述理論，編制“CALM型單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件”。該軟件可用于系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)的選擇應(yīng)用和安全性校核。輸入相應(yīng)備選錨的成品型號(hào)、土壤和風(fēng)浪等其他環(huán)境參數(shù)，模擬計(jì)算得出理論承載力、錨鏈張力等可靠性數(shù)值并一鍵生成導(dǎo)出詳細(xì)的工程報(bào)表，以供對(duì)比選擇。軟件計(jì)算程序主界面如圖6和圖7所示。

圖6 大抓力錨計(jì)算程序主界面

圖7 吸力錨計(jì)算程序主界面

3 算例分析

以同種特定海洋環(huán)境條件下分別應(yīng)用大抓力錨和吸力錨為例呈現(xiàn)CALM算例進(jìn)行分析。由計(jì)算可知，水面端位置的錨鏈在該處風(fēng)浪流等外部環(huán)境條件作用下，錨鏈負(fù)載附接點(diǎn)處所需承受的預(yù)張力為1 017 kN。水深為20.7 m，海底土壤為細(xì)質(zhì)砂土，其環(huán)境條件主要參數(shù)如表3所示，其中特別注意選取無(wú)明顯分層、海床坡度角為0°的土壤，兼顧大抓力錨和吸力錨的基本錨固安裝要求。算例驗(yàn)證過(guò)程中計(jì)算所需確定的各項(xiàng)運(yùn)算因數(shù)如表4所示。

表3 土壤環(huán)境條件主要參數(shù)對(duì)照表

表4 算例驗(yàn)證各項(xiàng)運(yùn)算因數(shù)對(duì)照表

在對(duì)大抓力錨和吸力錨兩種錨的選擇上，不僅需要考慮錨自身的固有參數(shù)，而且需要考慮錨鏈和負(fù)載所施加的角度等特定環(huán)境下的參數(shù)，如表5和表6所示。在所設(shè)計(jì)的計(jì)算軟件程序的協(xié)助下，根據(jù)這些參數(shù)可直接進(jìn)行代入求解。

借助計(jì)算輔助軟件程序分別進(jìn)行算例參數(shù)的輸入，輸出相應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表7和表8所示，同時(shí)可根據(jù)需要一鍵生成算例計(jì)算報(bào)表，其中涵蓋所有輸入輸出項(xiàng)，并以Excel表格文檔的形式導(dǎo)出，更加直觀便于比較。

表5 大抓力錨參數(shù)

表6 吸力錨參數(shù)

表7 大抓力錨算例結(jié)果 kN

表8 吸力錨算例結(jié)果

由上述算例驗(yàn)證過(guò)程可知：在實(shí)際應(yīng)用安全穩(wěn)定性對(duì)比中，大抓力錨需要計(jì)算驗(yàn)證錨鏈設(shè)計(jì)線預(yù)張力Td小于錨的設(shè)計(jì)錨固阻力Rd，方可確定在該土壤環(huán)境下大抓力錨不會(huì)出現(xiàn)錨鏈將錨爪從土壤中帶出的走錨事故，而后通過(guò)計(jì)算確定最小安裝張力可以滿足工程需要的能力范圍即可考慮投入應(yīng)用；吸力錨需要通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，首先保證其端部所受土壤產(chǎn)生水平合成力矩Msoil趨近于零，從而保證土壤相對(duì)于吸力錨筒穩(wěn)定不因力矩失衡而破壞或產(chǎn)生滑移，防止走錨事故發(fā)生，而后通過(guò)計(jì)算得出吸力錨穿透阻力Qtot以及允許負(fù)壓和必要負(fù)壓。

4 結(jié) 論

單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中系泊基礎(chǔ)形式的選擇對(duì)于海上工程項(xiàng)目的平穩(wěn)推進(jìn)有著重要的作用。對(duì)大抓力錨和吸力錨系泊機(jī)理進(jìn)行概括梳理，應(yīng)用計(jì)算輔助程序進(jìn)行實(shí)際工程算例計(jì)算驗(yàn)證分析，并進(jìn)行安裝過(guò)程詳解和計(jì)算結(jié)果的比較，結(jié)果表明：

大抓力錨和吸力錨在如上相同海洋土壤環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試：大抓力錨的錨鏈線張力和錨固阻力均超過(guò)環(huán)境工況下預(yù)張力1 017 kN；吸力錨的穿透阻力為3 591.500 kN，顯著優(yōu)于大抓力錨的錨固阻力1 502.499 kN。因此，在海床土壤條件允許的情況下，與大抓力錨相比，選擇吸力錨進(jìn)行錨泊會(huì)有更佳的安全穩(wěn)定性，且吸力錨對(duì)筒內(nèi)負(fù)壓的求解結(jié)果可以允許在實(shí)際安裝施工過(guò)程中采用負(fù)壓下沉，加快施工進(jìn)度，加速錨泊系統(tǒng)穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用海洋工況環(huán)境中，大抓力錨對(duì)海底土壤的顆粒大小有較為廣泛的適用性，但在有明顯分層的土壤環(huán)境中使用大抓力錨有較大的走錨風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用拋錨形式對(duì)比中，大抓力錨較為傳統(tǒng)的安裝方式?jīng)Q定了大抓力錨更加便于攜帶和安裝，適用于大型船舶的海上臨時(shí)作業(yè)拋錨固定或海上大型工程項(xiàng)目的短期錨固，能在保證穩(wěn)定的情況下有效降低作業(yè)難度，自有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

與大抓力錨相比，在實(shí)際應(yīng)用海洋工況環(huán)境中，吸力錨對(duì)細(xì)軟土質(zhì)的適用性相對(duì)更廣泛，可以相對(duì)弱化考慮土壤分層的問(wèn)題，且錨的承載力和錨固穩(wěn)定性相對(duì)突出。但吸力錨垂直安裝的特殊拋錨形式要求海底土壤的坡度角不可超過(guò)5°，這對(duì)安裝使用技術(shù)要求更高。但是垂直安裝的方式可以保證施工定位準(zhǔn)確，對(duì)其他海上作業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生干擾的可能性顯著降低。同時(shí)與傳統(tǒng)的大抓力錨等系泊基礎(chǔ)形式相比，采用吸力錨筒還可以節(jié)約用鋼材料的量，為工程項(xiàng)目節(jié)約資金、降低制造成本，更具優(yōu)勢(shì)。