近海吸力錨基礎研究現狀與展望

張寶杰

(中國海洋大學 山東 青島 266000)

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近海吸力錨基礎研究現狀與展望

張寶杰

(中國海洋大學 山東 青島 266000)

吸力錨作為現代的一種重要的基礎形式，是一種新型海洋基礎。對有關吸力錨的研究現狀進行綜述，對國內吸力錨抗拔承載力、吸力錨水平承載力、錨承特性以及穩(wěn)定性的分析進行了概況。

吸力錨；研究現狀；綜述；穩(wěn)定性

隨著海洋石油工業(yè)逐漸向深海和超深海水域發(fā)展，張力腿平臺(TLP)、立柱式平臺(Spar)、船形浮式系統(tǒng)(FPSO)、順應塔和半潛式平臺等新型海洋結構及基礎在工程中得到了廣泛應用。與淺海平臺相比，這些深水平臺的系錨荷載顯著增加，吸力式基礎平臺是近年開發(fā)出的一種新型海洋平臺，由于多種優(yōu)越性而受到重視，并引起許多研究人員的關注。

一、國內外研究現狀

吸力錨具有便于安裝和運輸、施工時間短、基礎穩(wěn)定性實現較快、便于在海上惡劣氣候的間隙施工、材料和制造成本低廉、與傳統(tǒng)基礎相比筒形基礎可以大大節(jié)約用鋼量、施工就位準確、對不同的土質有廣泛的適用性等特點。因此，在深海工程得到廣泛應用。

吸力錨技術1958年首先應用于英國，近海吸力錨的概念是20世紀60年代提出的，國內對負壓原理的研究始于20世紀70年代，80年代初才開始在工程中獲得實現，其實踐應用經歷了復雜的過程。1981年吸力錨首次成功運用于歐洲北海的GORM油田，1995年7月在渤海CFD16-1油田延長測試系統(tǒng)中，吸力錨在我國淺海首次運用并取得成功。此后，由此自然引伸、提出了吸力式基礎平臺，并在90年代在挪威海上油田首次成功應用。我國吸力錨和筒型基礎平臺在近海油田的首次工程應用，分別為1995年曹妃甸1-6兩點系泊系統(tǒng)和1999年錦州9-3油田系纜平臺。1999年NGI在美國墨西哥灣水深1500m的Diana工程施工中使用的吸力錨直徑6。5m，長30m，設計單錨靜極限拉力達1500ton。2007年世界上最大的的吸力錨安裝于波士頓近海，直徑14m，高11.5m，重156ton。吸力錨的工作水深從40m到2500m，甚至更深。

除了作為海上石油平臺的基礎外，吸力式基礎也廣泛應用于海上風力發(fā)電機組的基礎。海上風力發(fā)電開發(fā)主要集中在歐洲。歐洲海上風電研究開始于上80世紀年代，丹麥、瑞典、荷蘭、英國是最早進行海上風電開發(fā)的國家。國外海上風力發(fā)電技術己日趨成熟，而我國海上風電則相對落后。我國有著豐富的海上風能資源，東部沿海水深一的海域面積遼闊，可利用的風能資源約是陸上的3倍，隨著海上風電場技術的發(fā)展成熟，將來必然會成為重要的可持續(xù)能源。海上風力發(fā)電機組的基礎的成本通常為總成本的巧一，因此其基礎的設計是非常重要的。

(一)國內研究與應用

1995年，吸力錨在國內近海渤海曹妃甸工程中首次應用與設計，天津大學海洋與船舶工程系和天津海王星減振技術開發(fā)公司根據項目技術條件聯合承擔了該項目系統(tǒng)中系泊錨的設計工作。針對工程條件，首先對有可能采用的幾種錨體形式，其中包括排泥自沉錨、重力式錨、樁式錨和吸力錨進行了方案比較。認為只有吸力錨有可能較全面地適應本項工程的要求。吸力錨在我國近海工程中的首次設計和應用是基本成功的，這無疑將為它今后更廣泛的應用和發(fā)展開辟了前景。

2002年徐繼祖、王翎羽等人根據1994年以來在渤海及南海海域從事吸力描及筒型基礎平臺的設計、研究、現場實驗與監(jiān)測以及制造與安裝等系列工作的經驗，并從一個致力于近海工程開發(fā)事業(yè)的專業(yè)企業(yè)發(fā)展的角度回顧總結這些經驗，提出了筒形基礎平臺，這種平臺帶來了明顯的經濟技術效益。

2003年趙沖久、別社安等人介紹了筒形基礎和吸力錨筒兩種水上沉樁的新裝置。其中吸力錨筒靜載沉樁裝置，該裝置利用插入到海底泥土中的吸力錨筒提供沉樁力，通過樁帽和連接吸力錨筒的鋼纜具將靜壓力施加于樁頂，該裝置不存在噪聲污染和對周圍建筑物的振動破壞。另一種是筒型基礎水上打樁平臺，該裝置由筒型基礎和框架式上部平臺組成，筒型基礎可插入地基土中提供水平抗力，又可提供氣浮力使打樁平臺在水上漂浮，在上部平臺上安裝有可以在水平面上移動和可以調整角度的樁錘導向架和打樁錘，該裝置抗風浪和水流能力強，定位和移位方便快捷。這兩種水上沉樁裝置具有打樁船不具備的一些優(yōu)點，有一定的開發(fā)和推廣應用價值。

2009年苗笛對吸力錨的抗拔承載力進行了分析。通過吸力錨在粘土和砂土2種不同土質中的破壞形式，以及其受力狀態(tài)的實例分析，提出新的承載力分析方法，能夠反映一些主要的影響因素，并力求在已有基礎上能有所改進。

2011年張其一等人對深海吸力錨承載特性與穩(wěn)定性進行了研究。給出了一種精確模擬吸力錨承載能力的有限元模型。在該數值模型基礎上,利用通用有限元分析軟件ABAQUS研究系泊點位置對吸力錨極限承載力的影響，并給出深海吸力錨失穩(wěn)模式。

2013年呂建偉等人對吸力錨防腐進行了研究。采用陰極保護聯合涂層防護，陰極保護采用安裝犧牲陽極，涂層防護采用涂裝水下環(huán)氧涂料。無論是陰極保護還是涂層防護都要滿足吸力錨的設計壽命。

(二)國外研究與應用

眾所周知，我們在研究使用一種新型結構基礎是，首先考慮的是基礎的安全性，特別是在海洋這種復雜的環(huán)境之中。

Bye等對EuroPiple-16/11E平臺和SleipnerT平臺基礎設計進行的場地、模型實驗、理論模型和設計中實際應用的分析工具等進行了總結。在位于該平臺區(qū)域的現場做了實驗。實驗從1992年下半年開始到1993年下半年結束。靜拉拔實驗表明，砂土的剪脹性、排水特性和實驗時間是控制因素。受到循環(huán)載荷后，砂土會密實但靜拉拔力不降低?；A承載力的分析是基于不排水剪切強度的，用Janbu方法計算，其中的有效應力還需根據設計風暴和循環(huán)載荷產生的孔隙壓力和其消散進行修正。承載力的分析是用滑移面類型的方法進行的。

Andesren等進行了針對軟勃土中張力腿錨基礎的野外場地實驗。包括一個靜載和3個循環(huán)載荷實驗。載荷與垂直方向成10度。施加的循環(huán)載荷采用不同的加載歷史、不同的偏向和幾何特性。在實驗之前，用重力式平臺的分析方法對拉拔承載力和循環(huán)位移進行了預測。結果表明，盡管重力式平臺與吸力錨在幾何形態(tài)和加載條件等方面有較大區(qū)別，給出的預測結果與測量結果吻合得較好。

Byrne等對砂土中吸力式沉箱在循環(huán)作用下的響應進行了分析。實驗是在1g條件下采用復雜的加載設備，可以獨立控制頻率為1Hz的水平、垂向和力矩載荷?；A放在油浸的密實的土中。根據實驗結果得到了對載荷位移關系較深入的理解，在此基礎上提出了簡單的理論和數值模型。他們的實驗在1Hz以內，對于高頻率的動載，他們的理論需要檢驗。

Deng等進行了吸力式沉箱的垂向拉拔力的理論研究。在有限元分析、場地實驗和室內實驗的基礎上，得到了垂向拉拔力的半經驗的理論解，但其中的參數仍然是經驗參數。

Narasimha等進行了軟黏土中吸力錨拉拔行為的實驗研究。針對不同長徑比的錨施加短期或持續(xù)單向的靜態(tài)載荷。結果表明，吸力可以表述為位移的函數。

Takatani等研究了波浪載荷下軟薪土地基上吸力式基礎的動力響應。針對波浪作用于基礎前方時的情況進行了數值模擬。對裙深、吸力和材料參數等的影響進行了分析。計算中采用孔隙彈性模型與軟土的實際情況有差別。

二、結語

吸力錨近年來成為了一種熱門的基礎形式，它不僅可用在系泊儲油系統(tǒng)中,而且還可作為各種平臺的基礎形式。根據上述國外已有的經驗,深感對于吸力錨技術還必須作進一步的完善和提高。

[1]徐繼祖,王翎羽,陳星等.從吸力錨到筒形基礎平臺[J].中國海上油氣,2002,(2)

[2]趙沖久、別社安等.筒型基礎和吸力錨筒水上沉樁裝置[J].中國港灣建設,2003,(2)

張寶杰(1993-)，男，漢族，山東臨沂人，碩士研究生，中國海洋大學，橋梁與隧道工程。