海上風(fēng)電單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)拖航浮運(yùn)特性分析

摘要：為保證單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)拖航安全性，針對(duì)實(shí)際工程中單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)制作比尺模型，采用模型試驗(yàn)的方法，對(duì)單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)浮運(yùn)特性展開研究，分析不同拖航方式對(duì)結(jié)構(gòu)的拖航特性的影響，旨在為實(shí)際工程提供指導(dǎo)性建議。研究結(jié)果表明：在實(shí)際拖航中，要合理的選擇拖攬點(diǎn)的位置和吃水深度，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)艏傾現(xiàn)象，在保證安全拖航的前提下可適當(dāng)增吃水深度增加結(jié)構(gòu)的拖航穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)；拖航；模型試驗(yàn)；浮運(yùn)特性；敏感性分析

中圖分類號(hào)：P752;TM614文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

復(fù)合筒型基礎(chǔ)在海上風(fēng)電行業(yè)中已得到廣泛使用，其制作簡單、施工方便等優(yōu)勢使其在眾多基礎(chǔ)中脫穎而出1-4]。在海上風(fēng)電平價(jià)化的大趨勢下，降低風(fēng)電基礎(chǔ)施工成本能加速海上風(fēng)電規(guī)模化的發(fā)展。將目前在實(shí)際工程中使用的單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)的混凝土“小蠻腰”過渡段轉(zhuǎn)變?yōu)殇撝Y(jié)構(gòu)，形成一種新型海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式——單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)，單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)具有自浮特性的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中可采用拖航的方式進(jìn)行運(yùn)輸，本文將對(duì)該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮運(yùn)特性展開研究。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)浮運(yùn)拖航穩(wěn)性有了一定的研究成果。Charters等5使用經(jīng)典的線性時(shí)不變系統(tǒng)理論研究淺水域?qū)?艘具有代表性的拖船航向穩(wěn)定的影響；Vladmir等6以5艘不同容量的集裝箱船為研究對(duì)象，考慮了波浪、風(fēng)以及海流方向?qū)ο到y(tǒng)的作用，將航行速度、浪向、有效波高和波峰周期進(jìn)行組合，計(jì)算了緊急情況下所需牽引力和漂移角；嚴(yán)似松等[7-8]認(rèn)為拖船、被拖物和拖纜三者之間的運(yùn)動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)的，建立了三者組合而成的拖航系統(tǒng)，分析了拖航速度、纜繩程度、壓載重量、縱傾角分別在靜水中和風(fēng)浪中對(duì)拖航系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與拖纜力的影響；丁紅巖等[9以海上測風(fēng)塔為研究對(duì)象，采用Moses軟件建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行拖航時(shí)域分析，得到不同拖纜點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)拖航的影響。

本文以實(shí)際工程中單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)為原型，通過制作比尺模型，研究拖航過程中不同拖航方式對(duì)結(jié)構(gòu)浮運(yùn)特性的影響。

1模型試驗(yàn)

1.1模型制作

本研究將實(shí)際工程中單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按比尺1：40進(jìn)行縮放，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行浮穩(wěn)性研究。模型制作材料選用PMMA有機(jī)玻璃，在滿足線性尺寸的前提上要保證模型重量、重心高度以及回轉(zhuǎn)半徑滿足比例要求，通過改變模型厚度以及增加配重的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖1。模型制作過程中提前預(yù)留孔壓計(jì)、排氣管道和拖纜點(diǎn)洞口，設(shè)置傾角儀安裝法蘭。模型與原型具體參數(shù)見表1。

1.2試驗(yàn)裝置

本次拖航試驗(yàn)在天津大學(xué)港口實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)中采用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行拖曳工作。試驗(yàn)所用測量儀器包括傾角儀、激光位移計(jì)和拉力傳感器。

本次試驗(yàn)對(duì)纜繩長度嚴(yán)格要求。樂叢歡等[10通過順浪、頂浪和4種不同的纜繩長度工況研究了纜繩長度對(duì)于氣浮拖航的影響，得出結(jié)論：纜繩長度是影響氣浮拖航的重要因素，且纜繩長度是3.2倍的平臺(tái)寬度時(shí)，平臺(tái)具有較高的耐波形和浮穩(wěn)性。本實(shí)驗(yàn)纜繩長度選擇根據(jù)此結(jié)論，將纜繩長度定位115.2 m，物理模型實(shí)驗(yàn)纜繩長度2.88m。

2拖航方式對(duì)拖航特性影響

2.1拖纜點(diǎn)位置對(duì)拖航特性影響

模型試驗(yàn)中拖纜點(diǎn)位置分為3個(gè)不同高度，分別為距模型底部10、20、30 cm，航速0.2 m/s，吃水深度設(shè)為20 cm，工況表見表2。試驗(yàn)過程中采集拖纜力、各艙室氣壓、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析研究。

2.1.1拖纜點(diǎn)位置對(duì)拖纜力的影響

結(jié)構(gòu)拖航為逆浪拖航，拖纜力時(shí)程曲線如圖2。從圖2可看出，拖航過程中，纜繩需提供一個(gè)較大的初始力為結(jié)構(gòu)提供起航初始速度，纜繩拖纜力幅值一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)起航最初階段，隨著拖纜點(diǎn)位置的升高，起航時(shí)的初始拖纜力逐漸減小，這是由于模型吃水深度不變的情況下，拖纜點(diǎn)位置在10 cm時(shí)纜繩在水面以下，需一部分力來抵消水的阻力，隨著拖纜點(diǎn)的升高，纜繩浮出水面，水的阻力消失，所以拖纜力隨之變小。停航過程中拖纜力逐漸減小至零，為消除起航和停航這兩個(gè)階段對(duì)模型運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的影響，去除起航階段20 s和停航階段10s內(nèi)拖纜力，在拖航穩(wěn)定階段取拖纜力平均值，時(shí)間跨度為50s，將拖纜力統(tǒng)計(jì)值統(tǒng)計(jì)如圖3，可見隨著拖纜點(diǎn)位置的升高，拖纜力平均值也逐漸減小但相差不大。當(dāng)拖纜點(diǎn)位置在水面以下或接觸水面時(shí)，標(biāo)置在10 cm時(shí)纜繩在水面以下，需一部分力來抵消水的阻力，隨著拖纜點(diǎn)的升高，纜繩浮出水面，水的阻力消失，所以拖纜力隨之變小。停航過程中拖纜力逐漸減小至零，為消除起航和停航這兩個(gè)階段對(duì)模型運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的影響，去除起航階段20s和停航階段10s內(nèi)拖纜力，在拖航穩(wěn)定階段取拖纜力平均值，時(shí)間跨度為35s，可見隨著拖纜點(diǎn)位置的升高，拖纜力平均值也逐漸減小但相差不大。當(dāng)拖纜點(diǎn)位置在水面以下或接觸水面時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差稍小，波動(dòng)略小，這是由于纜繩與水接觸，受到水的浮力，在拖航過程中較為穩(wěn)定。

2.1.2拖纜點(diǎn)位置對(duì)分艙氣壓的影響

不同拖纜點(diǎn)位置下拖航過程中各分倉氣壓時(shí)程曲線統(tǒng)計(jì)如圖4所示。單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，再結(jié)合各分艙氣壓時(shí)程曲線圖，可看出，2艙和6艙以及3艙和5艙氣壓基本一致，故以下研究只對(duì)1～4艙和7艙氣壓變化進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)各艙氣壓時(shí)程曲線圖定量分析繪制統(tǒng)計(jì)圖如圖5、圖6?？煽闯?，1艙氣壓與4艙氣壓變化恰好相反，這是由于拖航過程中4艙是迎浪面，1艙是背浪面。對(duì)于4艙氣壓來說，隨著拖纜點(diǎn)位置的升高氣壓值逐漸增大，這是由于拖纜點(diǎn)位置30 cm時(shí)高于筒吃水深度，拖航過程中纜繩對(duì)4艙有一個(gè)向下的壓力從而產(chǎn)生艏傾，艙室內(nèi)氣墊壓縮，導(dǎo)致艙室內(nèi)部氣壓變大。反之，4艙低于初始平面，為保持平衡，1艙就會(huì)略高于初始平面，艙室內(nèi)氣墊松弛導(dǎo)致氣壓變小，通過標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)值可清楚的看到，拖纜點(diǎn)位置30 cm時(shí)1艙、4艙氣壓波動(dòng)較為明顯。通過以上分析，2艙、3艙氣壓變化應(yīng)該與1艙、4艙變化類似，參照圖4與圖5可看到，2艙氣壓略高于1艙氣壓，這可能是由于通過真空氣泵初始調(diào)平時(shí)產(chǎn)生的氣壓誤差。7艙為中艙，氣壓標(biāo)準(zhǔn)差較小，拖航過程中較為平穩(wěn)，拖纜點(diǎn)位置30 cm時(shí)筒內(nèi)氣壓也減小了，這是由于艏傾造成7艙部分截面抬升所引起的。

2.1.3拖纜點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)縱搖角的影響

不同拖纜點(diǎn)位置工況下結(jié)構(gòu)縱搖時(shí)程曲線和縱搖統(tǒng)計(jì)值如圖7、圖8所示。由圖7和圖8可看到，拖纜點(diǎn)位于水面以下時(shí)模型艉傾角稍微大于艏傾角，拖纜點(diǎn)位置20 cm此時(shí)正好與水面接觸時(shí)，縱搖角稍微增大，當(dāng)拖纜點(diǎn)位于水面上時(shí)模型艏傾角增大，由此可知，當(dāng)拖纜點(diǎn)位置在水面以下時(shí)，模型發(fā)生微小艉傾，當(dāng)拖纜點(diǎn)位置處于水面以上時(shí)，模型拖航過程中處于艏傾狀態(tài)。

2.2吃水深度對(duì)拖航特性影響

試驗(yàn)研究4個(gè)不同吃水深度對(duì)模型拖航性能的影響，分別為吃水10、15、20、25 cm。設(shè)置拖纜點(diǎn)位置距筒底20 cm，拖航速度0.2 m/s。工況表如表3，探究吃水深度對(duì)拖航過程中纜繩拖纜力、各艙氣壓以及模型縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

2.2.1吃水深度對(duì)拖纜力的影響

不同吃水深度工況下結(jié)構(gòu)所受拖纜力時(shí)程曲線和對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)值如圖9和圖10。

從圖9和圖10可看出隨著模型吃水深度的增加，模型起航初始拖纜力越來越大，吃水10 cm時(shí)初始拖纜力只需7.1 N，當(dāng)吃水深度25 cm時(shí)，模型需22.53 N的拖纜力才可提供初始速度，而且隨著模型吃水深度的增加拖纜力平均值也越來越大，這是由于模型吃水深度越大，模型與水體接觸的面積就越大，受到水的阻力就越大，因此需更大的拖纜力來提供初始航行速度。

2.2.2吃水深度對(duì)分艙氣壓的影響

不同吃水深度工況下結(jié)構(gòu)各艙室氣壓時(shí)程曲線圖如圖11所示。

由圖11可看出拖航過程中1艙與2艙氣壓值在吃水10～20 cm時(shí)都是隨吃水深度的增加而減小，吃水深度增加到25 cm時(shí)氣壓變大，這是由于拖纜點(diǎn)固定在20 cm處，在吃水深度20 cm以下時(shí)，拖纜點(diǎn)始終處于水面以上，結(jié)合拖纜點(diǎn)位置對(duì)拖航的影響，拖纜點(diǎn)位置處于水面以上時(shí)，會(huì)使模型處于艏傾的狀態(tài)，此時(shí)艏吃水大于艉吃水，1艙會(huì)向上傾斜，吃水深度越大，傾斜越大，艙室內(nèi)氣墊越松弛，氣壓越小，當(dāng)吃水深度達(dá)到25 cm時(shí)，拖纜點(diǎn)處于水面以下，模型艉傾，這時(shí)1艙內(nèi)氣墊壓縮，氣壓變大。4艙、3艙氣壓隨吃水深度的增加逐漸減小，這是由于吃水深度增加，艙內(nèi)氣墊可壓縮空間減小，在滿足模型平衡的基礎(chǔ)上氣壓逐漸減小。從吃水10～15 cm中艙氣壓減小，之后隨吃水深度的增加中艙氣壓逐漸增大，與邊艙變化趨勢不同。

對(duì)1艙、4艙氣壓值統(tǒng)計(jì)如圖12，可見，隨著模型吃水深度的增加，氣壓標(biāo)準(zhǔn)差有小幅度的減小，可得出，模型吃水深度的增加使得模型穩(wěn)性增加，在實(shí)際拖航過程中，適當(dāng)增加筒型基礎(chǔ)的吃水深度可保證筒型基礎(chǔ)拖航過程中的穩(wěn)定性。

2.2.3吃水深度對(duì)結(jié)構(gòu)縱搖角的影響

不同吃水深度工況下結(jié)構(gòu)縱搖角時(shí)程曲線如圖13，將其

從圖13和圖14可看出，在吃水深度15 cm時(shí)模型縱搖角最小，且波動(dòng)不大。吃水深度20 cm時(shí)拖纜點(diǎn)剛好接觸水面，按之前分析，此時(shí)的縱搖角應(yīng)該相對(duì)較小，通過統(tǒng)計(jì)值分析可看出此時(shí)縱搖角最大達(dá)到1.81°，為4種不同吃水深度下縱搖角最大值，究其原因，對(duì)于模型在靜水中拖航行駛時(shí)，水平方向受到了兩個(gè)不同的力，水的阻力和拖纜力，拖纜力必定要大于水的阻力來提供模型前進(jìn)的動(dòng)力，模型受到的水阻力是一個(gè)面力，會(huì)與拖纜力形成一個(gè)彎矩使得模型發(fā)生艏傾或艉傾，當(dāng)拖纜點(diǎn)位置大于吃水深度時(shí)，必然產(chǎn)生一個(gè)使得模型艏傾的彎矩，但當(dāng)拖纜點(diǎn)位置等于或小于吃水高度時(shí)就需判定兩個(gè)力形成彎矩的方向，此時(shí)吃水深度和拖纜點(diǎn)位置同處模型20 cm處，形成一個(gè)正向彎矩使得模型發(fā)生艏傾導(dǎo)致模型艏傾角較大。吃水深度25 cm高于拖纜點(diǎn)位置，艉傾角最大值大于艏傾角最大值。

3敏感性分析

通過以上拖纜點(diǎn)高度、結(jié)構(gòu)吃水深度對(duì)拖航特性影響的分析可知，這兩種影響因素對(duì)結(jié)構(gòu)拖航性能包括拖纜力、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)都有著不同程度的影響，故本節(jié)采用敏感性分析方法計(jì)算這兩種因素對(duì)拖航性能的關(guān)聯(lián)性，以此明確這兩種因素對(duì)拖航過程的影響程度。

3.1灰色關(guān)聯(lián)度分析（gray relation analysis，GRA）

GRA是試驗(yàn)中存在較多因素時(shí)的一種統(tǒng)計(jì)分析手段，可將多個(gè)復(fù)雜的變量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的單一變量，具體計(jì)算程序見文獻(xiàn)[11]。

3.2分析結(jié)果

本節(jié)研究拖纜點(diǎn)高度P、吃水深度D兩個(gè)因素對(duì)結(jié)構(gòu)拖航運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及拖纜力的影響重要性程度。將兩個(gè)因素縱搖定量分析幅值和拖纜力平均值分別定義為序列Yp和Y，不同因素下各個(gè)工況定義為參考序列X。由于拖纜點(diǎn)計(jì)算了3種工況，故吃水深度同樣選擇3種工況，統(tǒng)一變量數(shù)量為3，最終得到參考序列X、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值序列和拖纜力平均值序列Yr和Y：

按計(jì)算程序?qū)⒖夹蛄蠿、縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值序列Yg和Y拖纜力均值序列進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化矩陣X′、Y'r和Y'：

并計(jì)算出縱搖運(yùn)動(dòng)相應(yīng)幅值以及拖纜力均值灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)Lr和L：

然后，計(jì)算出縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值和拖纜力均值灰色關(guān)聯(lián)度gr和g：

通過以上灰色關(guān)聯(lián)度分析計(jì)算可得出，單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在拖航過程中這兩種因素對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響程度：Pgt;D;對(duì)拖纜力的影響程度：Dgt;P。再結(jié)合上述分析，發(fā)現(xiàn)拖纜點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較大，對(duì)拖纜力影響較?。怀运疃葘?duì)結(jié)構(gòu)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響相對(duì)較小，對(duì)拖纜力影響相對(duì)較大。

4結(jié)論與展望

以實(shí)際工程中單柱復(fù)合筒型基礎(chǔ)為參考，制作縮尺模型，以此來研究結(jié)構(gòu)不同拖航方式對(duì)結(jié)構(gòu)浮運(yùn)特性的影響，所得主要結(jié)論如下：

1）通過結(jié)構(gòu)不同拖纜點(diǎn)位置、不同吃水深度試驗(yàn)中拖纜力分析，結(jié)構(gòu)拖航啟動(dòng)速度需一個(gè)很大的拖纜力來提供，這就要求纜繩要能承受相當(dāng)?shù)膹埩Γ瑢?shí)際工程中，纜繩的選取要考慮材料極限破斷張力，為初始張力留有余地，保證起航安全。

2）拖纜點(diǎn)位置高于結(jié)構(gòu)吃水深度時(shí)，拖纜力會(huì)和波浪力形成正彎矩使得結(jié)構(gòu)發(fā)生艏傾，結(jié)構(gòu)縱搖角較大，波動(dòng)較大，當(dāng)拖纜點(diǎn)位置低于結(jié)構(gòu)吃水深度或者與吃水深度持平時(shí)，結(jié)構(gòu)相對(duì)較穩(wěn)定；同時(shí)，通過敏感性計(jì)算分析得出，拖纜點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響較大，吃水深度對(duì)拖纜力的影響較大。實(shí)際拖航過程中要合理選取二者相對(duì)位置，確保拖航穩(wěn)定。

3）通過不同吃水深度對(duì)結(jié)構(gòu)拖航性能影響分析可看出，隨著結(jié)構(gòu)吃水深度的增加，拖纜力逐漸上升，結(jié)構(gòu)縱搖角逐漸減小，由此可知，實(shí)際拖航過程中為保證拖航穩(wěn)定性，可在保證纜繩安全拖曳前提下適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)吃水深度。

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ANALYSIS OF TOWAGE AND FLOTATION CHARACTERISTICS OFSINGLE-COLUMN COMPOSITE TUBULAR FOUNDATION FOROFFSHORE WIND POWER

Huang Shaoxing1，Xu Xinxin1，Xiao Jiandong2，Zhang Puyang3，4，Gao Yang？

（1.Three Gorges Renewables Yangjiang Power Co.，Ltd.，Yangjiang 529500，China;

2.Shanghai Investigation，Designamp;Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200335，China;

3.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Inteligent Construction and Operation，TianjinUniversity，Tianjin 300072，China;

4.School of Civil Engineering，TianjinUniversity，Tianjin 300072，China）

Abstract：To ensure the towing safety of the single-column composite bucket foundation（SCCBF），a scale model was made for theSCCBF in actual projects，and the model test was used to research the floating characteristics of the SCCBF and analyze the effects ofdifferent towing methods on the towing characteristics，aimed at providing guidance suggestions for actual projects.The research resultsshow that in actual towing，the towing point and draft must be reasonably selected to avoid the bowing phenomenon of the SCCBF.Onthe premise of ensuring safe towing，the draft can be appropriately increased to increase the towing stability of the SCCBF.

Keywords：offshore wind power;single-column composite bucket foundation;towage;modeltest;floatingcharacteristics;sensitivityanalysis