混凝土聯鎖塊軟體排抗拖錨穩定性試驗及改進

曹 波，張亮亮，聶衛平，別社安，郭自強，劉云波

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東廣州 510663；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072）

引言

隨著海洋經濟的迅速發展，海底電纜越來越普遍，船舶的錨泊活動對海底電纜造成的危害和安全威脅也增多[1-3]。因此，在近海域的海底電纜需要進行保護，以防止船舶拋錨和拖錨對其造成損害[4]。在硬質海床上，海底電纜不便于采用埋設保護方案，采用混凝土聯鎖塊軟體排覆蓋技術是保護硬質海底電纜免受海流和船錨影響的一種方法[5-7]。混凝土聯鎖塊軟體排覆蓋在海底電纜上，一方面可以阻止海流（包括波浪）直接對電纜的作用；另一方面可以避免落錨時對電纜的直接沖擊作用；再有如果混凝土聯鎖塊軟體排的形式得當，也可能避免拖錨時對電纜的拖帶作用。

混凝土聯鎖塊軟體排是用繩索將規則擺放的混凝土塊體連接成整體的柔性結構，其整體性、適應變形能力、透水性均很好。傳統混凝土聯鎖塊軟體排的混凝土塊體之間有空隙，當覆蓋在電纜上，或海底局部不平整時，局部混凝土塊體之間的空隙會較大，這樣有可能存在拖錨的錨尖通過混凝土塊體之間的空隙時掛住聯鎖塊，帶動軟體排和電纜整體運動。另外，傳統混凝土聯鎖塊軟體排的外邊界部位很容易被拖錨的錨爪鉤掛住，使軟體排和電纜失穩及受損。

可見，采用傳統混凝土聯鎖塊軟體排來覆蓋保護海底電纜，其抗拖錨穩定性還存在諸多問題和不確定性，基于此，開展了試驗研究。采用多種尺度的混凝土聯鎖塊軟體排、多種重量規格的霍爾錨和大抓力錨，進行拖錨試驗，觀察拖錨過程中錨爪鉤掛軟體排的方式、形態及演變過程，探究錨爪鉤掛軟體排的因素，進而對混凝土聯鎖塊軟體排的形狀和形式進行改進，提高軟體排的抗拖錨穩定性。

1 試驗模型

1.1 模型錨

船舶常使用的錨類型[8]為霍爾錨[9]（全球船舶市場上約80 %的船舶選用霍爾錨）和大抓力錨，大抓力錨中最為常見的是AC-14 大抓力錨[10]。本研究中選取這兩種錨進行試驗。根據GB/T546-2016《霍爾錨》和 CB/T 3972-2005《AC-14 大抓力錨》的相關規定制作出相應比尺的試驗錨。三種霍爾錨和三種大抓力錨的模型如圖1 和圖2 所示，模型錨參數如表1 和表2 所示，表中符號參數詳見上述規范。按 1:4 的長度比尺，原型錨重300 kg 至4 800 kg，若按1:5 的長度比尺，則原型錨重600 kg 至9 500 kg。

圖1 模型霍爾錨

表1 模型霍爾錨參數

表2 模型AC-14 錨參數

表3 模型錨與原型錨的質量對應關系

圖2 模型AC-14 錨

圖3 混凝土聯鎖塊軟體排模型

表4 混凝土聯鎖塊參數

1.3 電纜和保護套管模型

工程中硬質海底上的電纜一般外包鑄鐵保護套管，如圖4 所示，其直徑為460 mm，按1:4 的試驗比尺可得模型套管的直徑為115 mm，為模擬工程中電纜和保護套管柔軟可變形的特點，試驗中用直徑為115 mm 的SUS304 包塑不銹鋼波紋管作為保護套管。電纜模型采用鋼絲繩。

圖4 海底電纜的鑄鐵保護套管示意圖

對于抗拖錨穩定性試驗，電纜及保護套管對聯鎖塊軟體排穩定性影響最為主要的因素是保護套管的外徑，因此模型試驗主要針對管線幾何尺寸進行模擬，而對模型海纜和保護套管的材質等不進行過多的考慮。

1.4 試驗場地和拖錨裝置

為模擬硬質海底，試驗在水泥地面上進行。試驗模型中，將穿有鋼絲繩的波紋管放置在水泥地面上，在波紋管上放置混凝土聯鎖塊軟體排，如圖5 所示。

圖5 海底電纜上覆蓋混凝土聯鎖塊軟體排模型

拖錨裝置由定滑輪、卷揚機、鋼絲繩等組成，裝置示意圖如圖6 所示。

圖6 抗拖錨試驗示意圖

1.5 試驗方案

試驗擬探究不同種類、不同質量、不同初始位置開始的拖錨對軟體排的作用，觀察軟體排及電纜的穩定性。使用兩種類型、各三種質量的模型錨進行拖錨試驗。

船錨的初始位置設計了兩種：一種是船錨落在距排體遠處開始拖動，另一種是船錨落在軟體排上開始拖動。

每組拖錨試驗的具體過程分為三個階段：

1）拖錨準備

將海纜模型置于試驗場地，并標記初始位置；將模型軟體排覆蓋于海纜模型上，將模型錨放置于指定位置，記錄混凝土軟體排和模型錨的初始位置；將卷揚機、鋼索、卸扣與錨依次連接，啟動卷揚機使鋼索接近拉直；架設攝影設備，記錄拖錨過程。

2）拖錨試驗

啟動卷揚機拖動模型錨，同時開始錄像，觀察錨體在場地上的拖動過程，以及與混凝土軟體排作用后的運動過程及形態。如果錨體越過了軟體排，或者鉤掛住了軟體排并使其產生較大的滑移，則停止拖錨。

（3）拖錨后恢復

拖錨結束后，將海纜模型、混凝土軟體排和模型錨恢復至初始記錄位置。

2 軟體排的抗拖錨穩定性試驗現象及分析

2.1 試驗現象

從拖錨試驗現象中可以看出，當錨從距排體較遠處開始拖動時，各種重量的錨幾乎都無法通過軟體排，錨爪在軟體排邊沿鉤掛住混凝土塊體，拖帶著軟體排及電纜產生位移，如圖7（a）和圖8（a）所示。

當錨爪鉤掛住軟體排后，全部的拖纜力就作用在軟體排上。起抵抗作用的力是軟體排和電纜保護套管與海底的摩擦力，工程中單塊軟體排的水下重力約50 kN，混凝土塊與巖質海底的摩擦系數為 0.5～0.65（本試驗中實測的摩擦系數為0.49～0.54），則摩擦抵抗力約為30 kN，較大船錨的拖纜力遠大于30 kN，因此當錨爪鉤掛住軟體排后，除小型漁船外，一般的工程船和商船均會拖帶著軟體排及電纜產生位移。

當錨落在軟體排上，從排體上開始拖動時，存在著錨爪鉤掛混凝土聯鎖塊縫隙的問題，而一旦錨爪鉤掛后無法脫離，錨依然會帶著軟體排及管線發生位移，如圖7（b）和圖8（b）所示。特別是由于電纜保護套管隆起高度較大，使得該位置處表面塊體間距加大，很容易被錨爪鉤掛。

圖7 霍爾錨鉤掛現象

圖8 AC-14 錨鉤掛現象

由于AC-14 大抓力錨的錨爪端部較薄且帶尖角，相較于霍爾錨，AC-14 大抓力錨更易鉤掛軟體排，且鉤掛后更不易擺脫。

2.2 問題分析

1）邊沿鉤掛

如圖9 所示，在硬質海底上，當錨體以錨爪張開的形態接觸軟體排的邊沿塊體時，由于塊體是直立面，錨爪尖受到阻力，錨脛角增大至最大值，錨爪與錨桿卡死。如果此時水平拖錨力大于摩擦抗力，錨爪就會鉤掛著排體滑動。此情況下錨爪很難從鉤掛狀態解脫。

圖9 錨爪邊沿鉤掛示意圖

產生邊沿鉤掛的主要原因是混凝土塊體是直立面，錨爪尖難以從硬質海底面上移到軟體排的混凝土塊體頂面上。

2）縫隙鉤掛

如圖10 所示，當錨爪尖在軟體排的混凝土塊體頂面上運動時，如果塊體間隙較大，錨爪尖嵌入其中時，也會產生鉤掛現象。如在電纜保護套管的頂部，按工程尺度，混凝土塊體頂面的最大間隙可達100 mm，這種情況下錨爪尖就極易嵌入其中，嵌入后也難以從鉤掛狀態解脫。

圖10 錨爪縫隙鉤掛示意圖

產生縫隙鉤掛的主要原因一是軟體排變形后，混凝土塊體間的頂面間隙過大，二是間隙側的混凝土塊體是直立面，錨爪尖難以從間隙內上移出來。

當地形不平整，導致相鄰混凝土塊體間有高差時（工程中可達50 mm），也容易使錨爪鉤掛住。

3 軟體排優化

3.1 改進思路

針對傳統混凝土聯鎖塊軟體排易被錨爪鉤掛的問題，從以下幾方面對其進行改進：

1）將邊沿的混凝土塊做成斜坡面，使錨爪能滑上排體，以解決錨爪鉤掛邊沿塊體的問題；

2）對混凝土塊的邊角進行削角處理，使錨爪易于滑過塊體間隙，同時也降低了高差的影響；

3）采用不同厚度的混凝土塊組合成軟體排，以適應地面和管線高度的變化，減少塊體間隙寬度和高差。

綜合上述三方面的改進，新的混凝土聯鎖塊軟體排示意圖如圖11 所示。

圖11 改進的混凝土聯鎖塊軟體排示意圖

3.2 改進后的試驗效果

按上述改進思路制作的試驗模型如圖12 所示。

圖12 改進后的試驗模型

進行拖錨試驗后發現，重量合適的錨體，錨爪不再鉤掛軟體排的邊沿塊體，錨爪能夠通過邊沿塊體的斜坡面滑移至塊體頂面，如圖13（a）所示。錨爪也能滑過塊體間隙，如圖13（b）所示。

圖13 拖錨滑過軟體排

3.3 其它問題

通過上述的改進，使拖錨能夠滑過覆蓋在海底電纜上的混凝土聯鎖塊軟體排成為可能，但在下述情況下，仍然會產生鉤掛或軟體排與電纜整體滑移：

1）當錨體的重量過大時，由于錨爪和混凝土聯鎖塊之間的摩擦力大，仍然會帶動軟體排和電纜一起滑動，此時就需要增大軟體排的整體重量。通過建立錨體運動和軟體排的受力模型，可對此問題進行詳細的分析。

2）當海底地面不平整時，邊沿混凝土塊體同地面之間會有間隙，此時也會影響到錨爪從邊沿斜坡面滑移至塊體頂面而出現鉤掛現象。

4 結語

1）在硬質海底上采用傳統的混凝土聯鎖塊軟體排覆蓋在海底電纜上，當船錨拖過時，各種形式和重量的錨幾乎都無法通過軟體排，錨爪易在軟體排邊沿鉤掛住混凝土塊體，或在塊體間隙處鉤掛住混凝土塊體，拖帶著軟體排及電纜產生位移。

2）將邊沿的混凝土塊做成斜坡面、對混凝土塊的邊角進行削角處理、采用不同厚度的混凝土塊組合成軟體排，這些改進使拖錨能夠滑過覆蓋在海底電纜上的混凝土聯鎖塊軟體排成為可能。

3）對于改進的混凝土聯鎖塊軟體排，當海底地面不平整、或錨體重量過大時，仍然會產生鉤掛或帶動軟體排與電纜整體滑移。

致謝：非常感謝王智超和胡欣雨在試驗中提出的良好建議和所做的辛苦工作！