干舷高度影響筒型基礎平臺拖航試驗研究

丁紅巖 ， 劉憲慶 ， 刁景華

（1天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 200072；2天津大學建筑工程學院，天津 300072；3濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072；4海軍工程大學（天津校區），天津 300450）

1 引 言

目前，在海洋油氣開發的過程中，開發的主體設備是海洋平臺和浮式采油結構物。筒型基礎是一種新型的采油平臺基礎形式，該結構是一種上端封閉、下端開口的筒形結構[1]。該結構的優勢主要體現在靈活的安裝運輸形式和可重復利用性。相對于傳統的導管架樁基礎形式，在淺海區水深不足，大型施工機械無法通過運輸船進入施工海域時，筒型基礎可以在場地組裝，待其下水后，對其充氣，依靠其浮力，用拖輪將其拖到指定的施工地點，通過放氣自沉完成沉放施工[2]；其可重復利用性大大降低了工程成本，特別適合于我國渤海及北部灣海域邊際油田的開發。在筒型基礎拖航入海的過程中，筒型基礎的氣浮穩性是平臺運動過程中必須要考慮的首要因素。拖點位置、重心高度、浮心高度都是影響結構穩性的主要因子。

現在，國內外對氣浮結構研究比較少，已有研究主要針對結構的靜穩性的分析[3-5]，對于筒型基礎在波浪作用下的運動以及拖航研究非常少，對干舷高度的選擇還缺乏試驗依據，高的干舷使結構中心位置升高，降低結構的初穩性，低的干舷，將導致結構的抗浪性能和抗沉性能不足，并且導致結構拖航阻力的增大，所以對結構干舷高度的選取是拖航中必須要考慮的一個重要因素[6]。本文通過模型試驗分析結構的方法，通過在結構上設置壓力、拉力和加速度傳感器采集數據，分析筒型基礎不同干舷高度對結構整體性能的影響[7]。

2 試驗部分

本次試驗以吸力錨搶修平臺為原型，采用1:20比例模型（原型平臺筒直徑6.0 m、筒高7.0 m、平臺整體高度22 m）。模型為鋼質結構。試驗模型按重力和慣性力傅汝德相似定律進行相似比尺設計，為使平臺模型的重量分布與平臺原型相應地縮小，試驗模型與原型滿足總重量、重心位置以及慣性矩相似。根據平臺的重量分布，模型配有一定重量的壓載以模擬平臺上的設備重量。表1和表2分別表示模型主要尺寸和平臺結構的浮穩性參數，圖1為試驗的模型圖，圖2為模型入水圖。

圖1 1:20模型Fig.1 Model 1:20

圖2 拖航模型入水Fig.2 Model of towing in water

2.1 試驗模型相似律

模型試驗中采用的相似理論公式[8]如下:

式中:l、b和h分別為模型或原型的長、寬和高，下標m和p分別表示模型和原型。

表1 筒型基礎平臺結構參數Tab.1 Parameters of bucket foundation platform

2.2 試驗場地及儀器設備

（1）試驗在中交天津港灣工程研究院的水槽內進行，水槽長98 m，寬4 m，高2 m。水池尺寸以及平臺結構的布置滿足《波浪模型試驗規程》[9]，試驗水池設有造波機，可以制造出規則波浪和隨機波浪。

（2）拖航設備:拖車，可以控制拖航速度以及拖航距離；拖纜一端系于筒體上，另一端通過固定于拖車上的距水面10 cm高的定滑輪與拉力傳感器相連，拖纜采用鋼纜。

（3）測量設備:包括水壓力傳感器，氣壓力傳感器、水壓力傳感器、拉力傳感器、加速度傳感器、攝像系統、波浪率定系統、水溫計、以及相應的信號放大器和計算機信息采集系統。

表2 原型結構浮穩性參數Tab.2 Parameters of prototype floating stability

2.3 傳感器布置

在試驗中，采用拉力、壓力（包括氣壓力和水壓力傳感器）和加速度傳感器，拉力傳感器固定于拖車上，拖纜經過滑輪將結構模型與拉力傳感器連接；氣壓力傳感器布置在筒內頂部，水壓力傳感器布置于筒底，加速度傳感器固定于平臺頂部中間位置。傳感器布置如圖3所示，筒體編號見圖4。

圖3 結構立面及傳感器布置圖Fig.3 Vertical structure and layout of sensors

圖4 筒體編號圖Fig.4 Number of cylinders

2.4 測試組合布置方案

為了只考慮干舷高度影響對拖航的影響，所以在保證拖航速度、波浪條件和拖點位置一致的條件下，取只改變干舷高度單一因素的組合方案。參照渤海水域的波浪資料設波浪參數為:波高1.0 m，周期6 s的規則波，模型試驗取波高為5 cm,周期為1.34 s的規則波。拖航速度為2 Kn，體現在模型上為24 cm/s，1、3筒在前為系纜筒，2、4筒在后為非系纜筒，水深為10 m，體現在模型上為50 cm。

由于模型的入水后的自然干舷為8.0 cm，取模型拖航的干舷高度分別為7.5 cm，5 cm和2.5 cm，對應于原型的干舷高度為1.5 m，1 m和0.5 m，平臺的初始傾斜角度為0°，具體的拖航組合見表3。

表3 順浪/逆浪模型拖航組合表Tab.3 Combinations of towing in following and head waves

3 測試結果分析

3.1 順浪拖航

此次試驗采用計算機信息采集系統采集數據，實驗數據采用ORIGIN低通濾波處理，為了比較好地分析干舷高度的影響，取拖航穩定階段的測量參數曲線。圖5～6為順浪拖航情況下干舷高度變化時，拖航方向加速度和拖纜力的時程變化曲線，表現為脈沖變化；圖7為順浪拖航下各測試參數1/3實測峰值隨干舷變化曲線。

圖5 順浪拖纜力時程變化曲線Fig.5 Time curve of tension in following wave

圖6 順浪加速度時程變化曲線Fig.6 Time curve of acceleration in following wave

圖7 順浪0.5-1.5 m干舷高度測試參數變化曲線Fig.7 Curves of test index with freeboard 0.5-1.5 m in following wave

在順浪拖航過程中，由圖7（a）可以看出，拖航過程中加速度的變化可以分為兩個階段:由于原型結構拖航的系纜點在距筒頂0.8 m處，第一階段為干舷高度（0.5～1.0 m）低于系纜點，可稱之為后傾拖航；第二階段為干舷高度（1.0～1.5 m）高于系纜點的位置，可稱之為前傾拖航。

在后傾拖航階段，在三個方向上的加速度呈增加趨勢，增幅分別為66%、106%和76%，并且在X方向（縱蕩）和Z方向（垂蕩）的加速度明顯大于Y方向（橫蕩）上的幅值，并且都在干舷高度為1.0 m處取得幅值；在前傾拖航階段，隨著干舷升高，三個方向上加速度呈線性遞減的趨勢，在Z方向有最大降幅為43%；從圖7（b）和（c）可以看出，在后傾拖航階段，系纜筒即1#和3#筒的氣壓幅值明顯小于2#和4#筒的幅值，也間接地證明了在干舷低于系纜點時為后傾拖航，氣壓力變化幅值最大發生在4#筒，增加了2.7 kPa，在前傾拖航階段，筒內氣壓變化劇烈，最大的氣壓變化也是發生在4#筒內，最大變化幅值為3.6 kPa，無論是前傾還是后傾拖航，筒底水壓的變化都是隨著干舷的增加而遞減的，并且系纜筒的幅值也是小于非系纜筒的幅值。

從圖9可以看出，拖纜力在頂浪拖航的過程中，拖纜力呈現脈沖變化，這是因為，在拖車速度恒定且不大的情況下，開始結構速度小于拖車，當拖纜被拉直時結構受到拖纜拉力，瞬時值將比較大，這樣結構會有一個較大的瞬時加速度，結構速度將超過拖車速度，拖纜恢復到松弛狀態，沒有拉力，而且由于阻力作用結構此后將減速，當速度減到小于拖車速度后，拖纜又被拉直，進而又對結構作用一個瞬時力，所以結構將以脈沖形式作用的；從圖7（c）可以看出，拖纜力隨著干舷高度從0.5～1.5 m變化，也呈現和加速度相同的變化趨勢，后傾拖航的拖纜力明顯大于前傾拖航的拖纜力，這與實際情況是相符合的。

3.2 逆浪拖航

圖8～10為逆浪拖航情況下干舷高度變化時，拖航方向加速度和拖纜力的時程變化曲線。

圖8 逆浪拖纜力時程變化曲線Fig.8 Time curve of tension in head wave

圖9 逆浪加速度時程變化曲線Fig.9 Time curve of acceleration in head wave

圖10 逆浪0.5-1.5 m干舷高度測試參數變化曲線Fig.10 Curves of test index with freeboard 0.5-1.5 m in head wave

相比于順浪拖航，逆浪拖航的氣壓/水壓和加速度變化明顯地相對穩定，這說明逆浪狀態下拖航波浪能夠平穩地作用在結構上。從圖10（a）可以看出，在逆浪拖航過程中，后傾拖航階段，在X方向上和Y方向上的加速度變化呈增大趨勢，兩者的升幅分別為28%和16%，干舷的增加對橫蕩方向的影響較小；在前傾拖航階段，X方向變化幅度很平緩，而Y方向變化幅度橫蕩明顯，降幅為3%，而在干舷高度從0.5 m增加到1.5 m的過程中，垂蕩方向加速度保持穩定狀態，受到干舷的變化影響不大，還可以得到，在橫蕩方向上的加速度幅值明顯大于其余兩個方向上的幅值，說明在拖航中，筒在Y方向上的漂移明顯。從圖10（b）和（c）可以看出，在后傾逆浪拖航中，筒內氣壓力和筒底水壓力的變化明顯地小于前傾拖航的變化，這與順浪拖航的結果是相同的；從圖12可以看出，逆浪拖航過程中，拖纜力變化為三角函數分布，表明在拖航中，拖纜一直處于被拉直狀態，隨著波浪的變化而變化，而不同于順浪拖航的脈沖式變化；從圖10（d）的逆浪拖纜力的變化可以看出，隨著干舷高度從0.5～1.5 m變化，后傾拖航時隨著干舷增大拖纜力降低，前傾拖航時隨著干舷增大而增加，這是因為逆浪后傾拖航中，干舷越低，吃水越大，迎浪面積小；在前傾拖航中，干舷越高，迎浪面積越大，所以拖纜力成增大趨勢。

3.3 順浪拖航與逆浪拖航比較分析

對比分析順浪拖航和逆浪拖航兩種情況，干舷高度和系纜點的位置的關系影響對拖航的影響是必須重視的。

干舷高度低于系纜點時，對加速度而言，隨著干舷的增加，三個方向加速度呈增加趨勢，X方向最大增幅為66%，Y方向加速度最大增幅為106%，Z方向加速度幅值可增加76%，三個方向的最大增幅都發生在順浪拖航階段；對于拖纜力而言，順浪拖航中，拖纜力是隨著干舷增加而增加的，逆浪拖航時，拖纜力是隨著干舷的增加而減小的，這是因為順浪中，后傾拖航使得受波面積增加，逆浪時，后傾拖航使得受波面積降低。

干舷高度高于系纜點時，對加速度而言，隨著干舷的增大，都呈下降的趨勢變化，X方向、Y方向和Z方向的最大降幅分別為34%、37%和37%，且都發生在順浪拖航階段；對于拖纜力而言，順浪拖航隨著干舷的增加拖纜力增加，逆浪拖航隨著干舷的增加拖纜力降低，這是因為順浪中，前傾拖航使得受波面積減小，波浪力降低，逆浪時，前傾拖航使得受波面積降低。

4 結 論

本文通過模型試驗對順浪、逆浪時筒型基礎隨著干舷高度變化的各個測量參數進行了分析，得到如下結論:

（1）在波浪不大，航速穩定，干舷高度不小于0.5 m的情況下，結構在拖航過程中不發生漏氣和傾倒現象，說明拖航是安全的，結構能夠滿足拖航要求；

（2）干舷高度的選擇受到系纜點位置、筒內氣塞高度和水塞高度的影響，在干舷高度高于系纜點位置的前提下，干舷高度不能大于平臺的自然入水干舷高度，考慮必須有一定的水塞高度，對于該平臺取干舷為1.0 m進行拖航；

（3）無論是順浪拖航還是逆浪拖航，后傾拖航的穩定性和耐波性明顯優于前傾拖航，在后傾拖航中水壓力和氣壓力的變化幅度都是較小的，在前傾拖航中水壓力和氣壓力變化幅度較大；

（4）拖纜力在順浪和逆浪拖航中由于波浪作用方式的改變，呈現不同的時程變化趨勢，順浪拖航為脈沖變化，逆浪拖航為三角函數形式變化。

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