近島礁淺水環境下浮式平臺系泊系統設計研究

丁 軍，程小明，田 超，張 凱，吳 波（中國船舶科學研究中心，江蘇 無 錫214082）

近島礁淺水環境下浮式平臺系泊系統設計研究

丁 軍，程小明，田 超，張 凱，吳 波
（中國船舶科學研究中心，江蘇 無 錫214082）

基于有限水深格林函數、Morison公式和時域耦合動力分析方法，以一近島礁半潛式生產生活平臺為研究對象，分析了傳統系泊方式（懸鏈線式和張緊式）和樁柱式系泊方式下平臺的運動和系泊系統動力響應。結果表明，通常應用在中深水海域的傳統系泊方式，在近島礁淺水環境下使用時會出現一系列的問題，且進一步優化的空間較小。而文中提出的新型樁柱式系泊系統，很好地解決了傳統系泊方式在淺水中存在的問題，且使得船舶的停靠變得更加便利。該文中的分析結果可為平臺的水池模型試驗和淺水環境下浮式平臺系泊系統的進一步設計提供參考。

浮式平臺；近島礁；淺水；系泊系統；樁柱式系泊

0 引 言

在我國海洋島礁周邊往往都環繞著寬度數百到數千米、水深很淺的珊瑚礁盤（圖1），這些礁盤不僅具有豐富的漁業和旅游資源，而且發揮著消波、護島的重要作用。為開發海洋資源，可以在島礁附近布設各種浮體結構物作為海洋開發、漁業生產、環境旅游等綜合保障基地，這種近島礁浮式平臺具有如下幾個顯著優點：1）避免大量土方機械的長距離輸運及后勤保障，成本低；2）對生態環境、礁盤和海島陸地形態幾乎沒有影響；3）現場施工周期短，可實現快速布放；4）可利用我國造船大國的優勢，浮式平臺的設計、建造和運營都不存在難點；5）可實現模塊化組裝，布置和使用靈活等。

圖1 典型島礁及其海底地形Fig.1 Typical islands and side elevation of reef flat

對于島礁附近的浮式平臺，需要通過系泊系統長期系泊于作業地點，而不能像船舶一樣，在遇到惡劣海況時可以避航，且浮式平臺在生產作業時要求平臺具有低幅運動特性，在生存工況下要求平臺安全可靠，因此在設計浮式結構物時，正確確定其系泊系統，保證平臺在作業工況和生存工況下運動響應及系泊纜張力等參數在合理的范圍內十分重要。

目前對于浮式平臺及其系泊系統的水動力特性，國內外學者作了大量的研究。Kim等[1，2]研究了平臺系泊系統耦合的時域分析方法，分析平臺運動響應及其系泊系統的動力特性；Arcandra等[3]提出應用非線性桿元法對聚酯纖維材料系泊纜進行分析，考慮系泊纜的大變形和非線性應力—應變特性，并舉例對平臺系統進行時域耦合動態分析。王磊等[4]對一艘動力定位船舶二階低頻慢漂力進行了模型試驗，對系泊系統中最為關心的二階低頻慢漂力進行了研究；史琪琪、袁夢、周素蓮、童波等[5-8]通過時域分析方法對深水半潛式平臺系泊系統水動力性能進行了探索，得出了一些有益的結論；肖龍飛等[9]通過數值模擬和模型試驗的方法研究了160kDWT FPSO在極淺水中運動的安全性。本文將基于三維勢流理論和時域耦合動力分析方法，以一近島礁半潛式生產生活平臺為研究對象，分析不同系泊系統下，該平臺在環境力作用下的運動和系泊纜張力響應，為平臺在淺水環境下系泊系統的設計及水池模型試驗提供參考。

1 基本理論

1.1 Morison公式

對于浮式平臺中的撐桿結構，當D/λ＜0.2時稱為小直徑管柱結構，目前通常采用Morison公式來計算，其單位長度上桿件所受波浪力可表示為：

式中：D為桿件的特征直徑，uf為垂直桿件方向的流體質點速度，us為垂直桿件方向結構自身的運動速度，A為桿件截面面積，ρ為流體的密度，Cm為慣性力系數，Cd為阻力系數。

1.2 有限水深格林函數

島礁附近的水深一般較淺，位于淺水中的浮體所受水動力和載荷響應與深水中的存在較大差別，因此需要應用有限水深格林函數法求解浮體在波浪中的受力和響應。

對于浮式平臺的本體結構，按照線性勢流理論，結構物周圍的總速度勢可表示為：

對于無航速的浮式結構物，速度U=0，則上式可表示為Φ（x，y，z，t）=Φt（x，y，z，t），Φt（x，y，z，t）由入射勢φI、繞射勢φD和輻射勢φR組成。

根據線性波浪理論，入射勢可表示成：

繞射勢φD和輻射勢φR應滿足以下幾個邊界條件即定解條件：1）拉普拉斯方程；2）自由表面條件；3）底部條件，由于為有限水深，應滿足物面條件，輻射勢為（式中：nj和φj分別為單位復速度的j模式運動輻射勢），繞射勢為遠方輻射條件。

設p（x，y，z）為流場內任一點，q（ξ，η，ζ）為點源所在位置。則滿足拉普拉斯方程以及物面條件之外的所有邊界條件的三維有限水深格林函數的積分形式為：

流域內各點速度勢可表示為物面S上的點源分布形式：

物體所受波浪力則由波浪壓力在物面上的積分求得：

其中：波浪壓力P可由已知的速度勢及線性化的Bernoulli方程得出：

2 計算模型

2.1 浮式平臺主要參數

以一島礁生產生活平臺為研究對象，該浮式平臺主要由上部平臺、中間立柱、下部浮筒和橫撐組成，其主要參數如表1，平臺示意圖見圖2。

圖2 浮式平臺Fig.2 Floating platform

2.2 環境參數

該平臺的功能定位是島礁建設保障平臺，集物資儲存、能源補給、人員居住等功能于一體，平臺將主要布置在水深為10 m左右的礁盤內側或瀉湖內，根據已有的調研資料，選定平臺自存工況下的環境條件如表2所示（由于布置在瀉湖內或礁盤內側，海流的流速較小，計算時暫不考慮）。

表1 平臺主尺度Tab.1 Main dimensions of platform

表2 環境條件Tab.2 Environmental condition

2.3 計算方法及校核參數

平臺及錨泊系統的耦合運動分析在時域中進行，平臺所受的環境載荷包括一階和二階波浪力以及風力，其中風力包含有平均風力和脈動風力兩部分。

由于平臺近島礁布置，可以證明[10]，當波浪由遠方深水區傳播至島礁附近淺水區時，波浪的方向將逐漸垂直于岸線。同時，一般對于浮式平臺而言，當風浪流在同一直線上時將在錨泊線上產生最大的張力。因此本文計算中將主要考慮90°和60°兩個方向（90°方向即波浪和風沿著平臺寬度方向傳播，見圖2）。

由于平臺的功能定位為島礁生產生活保障平臺，因此文中的校核參數主要從平臺的功能性和安全性考慮，主要包括：觸底（P1~P4分別代表浮筒基線處四個角點）、氣隙（P5~P8分別代表濕甲板四個角點）、運動響應（包括橫蕩、縱蕩和橫搖）和錨泊系統（包括系泊纜張力、防撞墊壓力和系泊樁受力等）。

表3 觸底和氣隙校核點位置Tab.3 Points position of contact and air gap check

3 懸鏈線式系泊和張緊式系泊

對于半潛式海洋平臺，懸鏈線式系泊和張緊式系泊是最常見的系泊方式。但這兩種系泊方式通常應用在中、深水海域，在如此淺的水深中還未見有應用的實例，本研究中首先考慮這兩種傳統的系泊方式，分別分析了浮式平臺懸鏈線式系泊和張緊式系泊的運動響應和動力響應，校核這兩種系泊方式在近島礁淺水環境下的適用性。圖3和圖4給出了這兩種系泊方式的示意圖，表4給出了這兩種系泊方式的主要參數。

圖5和圖6分別給出了90°方向環境力作用下，懸鏈線式系泊方案和張緊式系泊方案平臺及系泊系統的時域耦合動力分析結果。從圖中可以看出，兩種系泊方案下，平臺均出現了觸底和負氣隙現象。在初步計算結果的基礎上對這兩種系泊方案作了進一步的優化，主要從系泊纜長度、預張力、系泊纜的數目和張力傾角等方面進行優化，但都未能很好地解決平臺觸底問題，同時錨的上拔力也難以消除。計算結果表明在超淺水環境中，懸鏈線式系泊和張緊式系泊方案難以滿足有關觸底和氣隙的設計要求，且進一步優化的空間很小。

表4 系泊纜主要參數Tab.4 Main parameters of mooring lines

圖3 懸鏈線式系泊Fig.3 Catenary mooring

圖4 張緊式系泊Fig.4 Taut mooring

圖5 觸底和氣隙分析（懸鏈線式系泊）：（a）觸底分析；（b）氣隙分析Fig.5 Contact and air gap analysis(catenary mooring):(a)Contact check;(b)Air gap check

圖6 觸底和氣隙分析（張緊式系泊）：（a）觸底分析；（b）氣隙分析Fig.6 Contact and air gap analysis(taut mooring):(a)Contact check;(b)Air gap check

4 樁柱式系泊

除了懸鏈線式和張緊式系泊方案存在的上述問題，這兩種系泊方式還易受海床地形的影響和制約，同時會對船的靠泊形成干擾，需要輔助的靠泊裝置，綜合以上考慮，文中提出一種新型的樁柱式系泊方案，即在平臺的背浪側放置兩根樁柱（計算模型中采用兩根樁柱，實際工程中可采用多根），平臺通過纜繩系泊在這兩根樁柱上，同時樁柱和平臺間布置防碰墊。該系泊系統的示意圖見圖7，系泊系統具體參數見表5，具體細節如下述。

圖7 樁柱式系泊Fig.7 Pile-post mooring system

樁柱、防碰墊：在距平臺首尾各5 m處分別布置一直徑2 m高20 m的鋼筋混凝土樁柱，在與平臺接觸位置（水線、上平臺中心即距平臺基線11.35 m）處安裝直徑為4.5 m的防碰墊用于阻止平臺向樁柱一側移動；纜繩：在平臺首尾各5 m，距平臺基線9.7 m處分別布置四根160 mm直徑的聚酯纖維纜成扇形（成60°夾角）與樁柱相連，每根纜的長度15~20 m。這八根纜的作用是為了防止平臺作橫向及縱向的大幅運動，從而起到定位作用。

表5 系泊纜主要參數Tab.5 Main parameters of mooring lines

同上述系泊方案分析類似，首先校核了樁柱式系泊系統平臺的觸底和氣隙，然后進一步對浮式平臺的運動響應、系泊系統等參數進行校核，具體結果見圖8~11、表6和表7。

從圖8和表6中可以看出，在90°和60°環境力作用下，平臺均未發生觸底和負氣隙現象，在60°環境力時，平臺底部離海底最小還有0.8 m的空間，而氣隙最小也有0.3 m，說明樁柱式系泊系統很好地解決了傳統系泊方式不能控制的觸底和負氣隙現象。而平臺橫蕩和縱蕩的最大值都為1.5 m，平臺的橫搖最大值為13.6°。從數值上看，樁柱式系泊在限制二階力引起的慢漂運動的同時也約束了平臺的波頻響應，所以將平臺的整體運動響應控制在一個較小的范圍內。

圖8 橫蕩運動響應時歷曲線：（a）90°環境力；（b）60°環境力Fig.8 Time series of sway:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

圖9 防碰墊受力時歷曲線：（a）90°環境力；（b）60°環境力Fig.9 Time series of the loads acting on fender:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

圖10 系泊纜受力時歷曲線：（a）90°環境力；（b）60°環境力Fig.10 Time series of the loads acting on mooring line:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

圖11 樁柱受力時歷曲線：（a）90°環境力；（b）60°環境力Fig.11 Time series of the loads acting on pile:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

表6 平臺最大運動響應統計結果Tab.6 Statistic results of maximal motion responses for platform

表7 平臺系泊系統各部分最大受力統計結果Tab.7 Statistic results of maximal loads acting for mooring system

從圖9~11和表7中可以看出，平臺在60°環境力作用時的受力（包含一階力、二階力和風載荷）要略大于90°時，約為590 t。這主要是因為浮筒在x方向的投影面積較大而引起較大的波浪力。另外由于60°環境力作用時平臺艏艉的運動不再像90°環境力作用時具有對稱性，導致平臺艏艉系泊系統及防碰墊的受力不再均勻，最大受力明顯增大，如防碰墊所受最大壓力甚至增大了31.3%。因此60°環境力作用時是該平臺和系泊系統的危險工況。同時可以發現，60°環境力作用時，系泊纜上最大張力為240 t，安全系數為1.88，滿足相關規范要求。

5 結 論

近島礁浮式平臺作為海洋島礁開發、漁業生產、環境旅游等綜合保障基地時擁有多方面的優勢，但島礁附近的地形復雜多變，水深較淺，這些給浮式平臺系泊系統的設計帶來了很大的困難。文中基于Morison公式、有限水深三維格林函數和時域耦合動力分析方法，以一近島礁半潛式生產生活平臺為研究對象，分析了傳統系泊方式和樁柱式系泊方式下，平臺的運動和系泊系統動力響應，得到如下兩點主要結論：

（1）傳統的系泊方式，如懸鏈線式和張緊式系泊方式，通常應用在中、深水海域，當將它們擴展到近島礁淺水環境下時出現了一系列的問題，如平臺運動響應過大，從而發生觸底和負氣隙現象；平臺與錨泊系統發生共振；錨的上拔力難以消除等。當采用改變系泊纜長度、預張力、系泊纜的數目和張力傾角等優化手段時，效果并不明顯，優化的空間很小；

（2）針對傳統系泊方式存在的問題，并結合平臺停靠船的便利性，本文提出了新型的樁柱式系泊系統。該系泊系統由于不存在拖曳的系泊纜，因而不會對停靠船產生干擾，同時，從時域耦合動力分析結果來看，平臺在該系泊系統下，整體運動響應較小，不會發生觸底和負氣隙現象，且系泊系統各部分受力均滿足相關要求，較好地解決了近島礁淺水環境下浮式平臺的系泊問題，可為平臺的水池模型試驗和淺水環境下浮式平臺系泊系統的設計提供參考。

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[4]王 磊,王先福,楊建民.動力定位船舶二階低頻慢漂力模型試驗研究[J].海洋工程,2006,24(3):1-5. Wang Lei,Wang Xianfu,Yang Jianmin.Experimental research on second-order wave drift forces on a dynamically positioned ship[J].Ocean Engineering,2006,24(3):1-5.

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Investigations on mooring system design for a floating platform in shallow water near islands and reefs

DING Jun,CHENG Xiao-ming,TIAN Chao,ZHANG Kai,WU Bo
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Based on the finite water depth Green function,Morison equation and coupled dynamic analysis method,dynamic response analysis was performed for a semi-submersible platform in very shallow water with different types of mooring systems.The results show that traditional catenary or taut mooring systems,usually adopted for medium or deep water depth,will encounter a range of problems in very shallow water near islands and reefs,and the room for further optimization is very limited.But,the pile-post mooring system proposed in this paper can overcome these problems,and at the same time,makes ship docking much more convenient.The analysis results in this paper have certain guiding significance for model tests and further design of mooring systems in very shallow water.

floating platform;near islands and reefs;shallow water;mooring system;pile-post mooring

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.004

1007-7294（2015）07-0782-09

2015-02-28

國家重點基礎研究發展計劃資助（2013CB036102）；工信部高技術船舶科研項目資助工信部聯裝[2012]533

丁 軍 （1986-），男，工程師，E-mail：dingjun@cssrc.com.cn；

程小明（1957-），男，研究員，國家千人計劃專家。