拖纜長(zhǎng)度對(duì)筒基平臺(tái)氣浮拖航影響的試驗(yàn)研究

樂(lè)叢歡，丁紅巖，張浦陽(yáng)

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023;2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072;3.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072;4.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

筒型基礎(chǔ)是一種新型的移動(dòng)式基礎(chǔ)，具備自拖航，施工費(fèi)用低、海上快速安裝及可重復(fù)利用等特點(diǎn)［1-2］，具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已逐漸推廣用于海洋平臺(tái)基礎(chǔ)、海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ).自拖航是筒型基礎(chǔ)有別于其他海上基礎(chǔ)的最大的優(yōu)勢(shì)之一，在淺海地區(qū)，其優(yōu)勢(shì)尤為突出［3-4］.拖航過(guò)程中筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的氣浮不同于船舶或普通導(dǎo)管架平臺(tái)在水中的漂浮，普通浮體相當(dāng)于具有剛性基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)支承于彈性基床上，而筒型基礎(chǔ)平臺(tái)，由于氣體的可壓縮性，相當(dāng)于具有柔性基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)支撐于氣墊與水塞耦合的彈簧之上，不能采用普通浮體的方法分析其運(yùn)動(dòng)特性［5-8］.目前關(guān)于筒型基礎(chǔ)氣浮拖航的研究開展的很少，尤其是四筒筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的拖航研究在國(guó)內(nèi)還屬空白階段.目前尚無(wú)成熟的商業(yè)軟件能對(duì)其拖航運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計(jì)算，模型試驗(yàn)是研究其拖航特性最實(shí)用可靠的方法［9］.

筒型基礎(chǔ)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)自浮，但其本身不具備動(dòng)力系統(tǒng)，筒型基礎(chǔ)平臺(tái)前進(jìn)變向都需要依靠拖輪通過(guò)鋼纜對(duì)其導(dǎo)航，因此連接拖輪和筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的鋼纜至關(guān)重要.影響筒型基礎(chǔ)平臺(tái)拖航特性的因素很多，為分析拖纜長(zhǎng)度對(duì)筒型基礎(chǔ)平臺(tái)氣浮拖航的影響，本文在波浪、航速、吃水深度、筒拖航位置一定的條件下，選擇不同拖纜長(zhǎng)度進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的拖航試驗(yàn)，進(jìn)而分析拖纜長(zhǎng)度對(duì)于拖航基本力學(xué)參數(shù)的影響，為實(shí)際工程中的拖航提供參考.

1 拖航試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵运耐蹭撡|(zhì)筒型基礎(chǔ)平臺(tái)為原型，平臺(tái)單筒直徑6.0m，筒高7.0m，筒軸線間距9.0 m，平臺(tái)整體高度22 m.試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殇撡|(zhì)結(jié)構(gòu)，采用1∶20比例按重力和慣性力傅汝德相似定律進(jìn)行相似比尺設(shè)計(jì)［10-11］，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型滿足總重量、重心位置以及慣性矩相似.

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)水槽:長(zhǎng)98 m，寬4 m，高2 m.水槽尺寸滿足規(guī)程要求.

拖航設(shè)備:拖車，可控制拖航速度及拖航距離，拖車位于水槽上方，拖纜一端系于筒體上，另一端通過(guò)固定于拖車上的高出水面10 cm的定滑輪與拉力傳感器相連，拖纜采用鋼纜.

測(cè)量設(shè)備:水壓力傳感器、氣壓力傳感器、拉力傳感器、加速度傳感器、信號(hào)放大器、波浪率定系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息采集系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和水溫計(jì).

1.3 測(cè)量?jī)x器布置

圖1為傳感器測(cè)量布置圖，圖2為隨體坐標(biāo)系標(biāo)識(shí)與筒體編號(hào)圖.其中，x方向?yàn)橥虾角斑M(jìn)方向;y方向?yàn)槠脚_(tái)橫漂方向;z方向?yàn)槠脚_(tái)上浮方向.如圖1所示，在平臺(tái)頂部布置一個(gè)三向加速度傳感器，用于測(cè)量x、y、z 3個(gè)加速度，其中x向加速度反映了拖航時(shí)平臺(tái)縱蕩運(yùn)動(dòng)激烈程度，y向加速度反映了平臺(tái)時(shí)橫蕩運(yùn)動(dòng)激烈程度，z向加速度反映了平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)激烈程度.在各筒型基礎(chǔ)筒頂布置一個(gè)氣壓力計(jì)測(cè)量筒內(nèi)氣墊壓力，在各筒底布置一個(gè)水壓力計(jì)，以測(cè)量筒內(nèi)水塞壓力.

圖1 傳感器布置Fig.1 Sensors position

圖2 隨體坐標(biāo)及筒體編號(hào)Fig.2 Coordinate system and bucket foundation number

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合方案

表1 拖航試驗(yàn)組合Table 1 Combination of towing

拖航時(shí)，1號(hào)筒、3號(hào)筒為系纜筒在前.在規(guī)則波(波高1 m，周期5 s)、航速(2 kn)、吃水(6 m)、水深(10 m)、系拖點(diǎn)位置(筒頂以下0.8 m)一定的條件下，測(cè)試不同拖纜長(zhǎng)度對(duì)基本力學(xué)參數(shù)的影響.表1給出了試驗(yàn)拖航組合.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 順浪結(jié)果與分析

通過(guò)模型試驗(yàn)，得到了大量的數(shù)據(jù)，利用數(shù)字濾波器中的傅里葉濾波對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析［12］.由于篇幅的關(guān)系，文中只給出部分試驗(yàn)結(jié)果.圖3為轉(zhuǎn)化為原型數(shù)據(jù)后的順浪組合1～4的部分試驗(yàn)結(jié)果，包括1號(hào)筒(系纜筒)的水壓力、氣壓力時(shí)程曲線及平臺(tái)拖纜力和x、y、z三向加速度時(shí)程曲線.為了更好地分析試驗(yàn)現(xiàn)象，取拖航穩(wěn)定階段的參數(shù)變化曲線進(jìn)行研究.

對(duì)比圖3(a)、(b)中1號(hào)筒的氣壓力和水壓力時(shí)程曲線，可知筒頂氣壓力和水壓力的變化基本一致，筒型基礎(chǔ)氣浮拖航時(shí)，主要依靠筒內(nèi)氣墊和筒內(nèi)水塞來(lái)維持拖航的穩(wěn)定性，當(dāng)筒底水壓力變大即筒下沉、筒外水進(jìn)入筒底，筒內(nèi)水塞高度變大，水塞壓縮筒內(nèi)空氣來(lái)完成結(jié)構(gòu)的支撐，筒內(nèi)氣體壓力變大;當(dāng)簡(jiǎn)底水壓力變小，即筒上浮，筒內(nèi)水從筒底流出，筒內(nèi)水塞高度減小，筒底水壓力變小，氣體體積變大，筒內(nèi)氣壓力變小.

由圖3可以發(fā)現(xiàn)拖纜長(zhǎng)度為34 m時(shí)，筒底水壓力和筒內(nèi)氣壓力以及各向加速度和拖纜力的變化幅度最大，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也驗(yàn)證了這點(diǎn)，拖纜長(zhǎng)度為34 m時(shí)，拖航過(guò)程中振動(dòng)幅度最大，最不穩(wěn)定.拖纜長(zhǎng)度從48 m到60 m時(shí)，水壓力和氣壓力以及各向加速度和拖纜力的變化幅度接近.

由圖3(f)可知拖纜長(zhǎng)度從34 m增加到54 m，隨著拖纜長(zhǎng)度的增加，拖纜力的變化幅度能有效減小，有利于增加拖航系統(tǒng)的安全性.但當(dāng)拖纜長(zhǎng)度從54 m增加到60 m時(shí)，拖纜力的變化幅度反而增加，可見(jiàn)拖纜長(zhǎng)度的增加對(duì)拖纜力變化幅度減小的影響是在一定的范圍內(nèi)的，當(dāng)超過(guò)了一定的范圍，其影響恰好相反.

圖3 順浪條件下試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results in the following sea

圖4為順浪條件下，不同拖纜長(zhǎng)度下各參數(shù)的峰值曲線(ΔPmax，w為水壓力變化幅值，ΔPmax，a為氣壓力變化幅值).由圖4(a)、(b)可知，順浪拖航時(shí)，當(dāng)拖纜長(zhǎng)度從48 m到60 m變化時(shí)，1號(hào)筒、3號(hào)筒(系纜筒)的水壓力變化和氣壓力變化均高于2號(hào)筒、4號(hào)筒(非系纜筒)，當(dāng)拖纜長(zhǎng)度為34 m時(shí)情況相反.相比于非系纜筒(2號(hào)筒、4號(hào)筒)，系纜筒(1號(hào)筒、3號(hào)筒)的氣壓值與水壓值變化較小.由圖4(c)可知，順浪拖航當(dāng)拖纜長(zhǎng)度為34 m時(shí)x、y、z 3個(gè)方向加速度均達(dá)到最大，可見(jiàn)當(dāng)拖纜長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，會(huì)使縱搖、橫搖及垂蕩搖擺幅度加大，造成拖航不穩(wěn)定.當(dāng)拖纜長(zhǎng)度從48 m增加到60 m時(shí)，隨著拖纜長(zhǎng)度的增加，x、y、z方向加速度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但此時(shí)3個(gè)方向的加速度值都不大，說(shuō)明拖航情況較穩(wěn)定.由圖4(d)可知，拖纜力峰值隨拖纜長(zhǎng)度的增大呈先減后增趨勢(shì).即順浪條件下，在一定的范圍內(nèi)拖纜長(zhǎng)度的增加對(duì)拖纜力起到減小的作用，當(dāng)超過(guò)了一定的范圍，隨著拖纜長(zhǎng)度的繼續(xù)增加，拖纜力又開始增大.

圖4 順浪條件下實(shí)測(cè)峰值Fig.4 Maximum parameters versus towline length (following sea)

2.2 逆浪結(jié)果與分析

圖5為轉(zhuǎn)化為原型數(shù)據(jù)后的逆浪組合5～8的部分試驗(yàn)結(jié)果，包括1號(hào)筒(系纜筒)的水壓力、氣壓力時(shí)程曲線及平臺(tái)拖纜力和x、y、z 3個(gè)方向加速度時(shí)程曲線.

從圖5可以發(fā)現(xiàn)逆浪拖航時(shí)，拖纜長(zhǎng)度為34 m時(shí)水壓力和氣壓力以及x向、y向加速度變化幅度仍然是最大，這與順浪時(shí)情況相似，但與順浪時(shí)情況不同的是，拖纜長(zhǎng)度為34 m時(shí)，z向加速度和拖纜力，變化幅度較小，由于逆浪拖航時(shí)，拖纜一直處于拖拽狀態(tài)，當(dāng)纜長(zhǎng)較短時(shí)，其垂蕩幅度較小.

圖5 逆浪條件下試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results in the head sea

圖6為逆浪條件下，不同拖纜長(zhǎng)度下各參數(shù)的峰值曲線.圖6(a)顯示，非系纜筒2號(hào)筒和4號(hào)筒水壓力變化隨著拖纜長(zhǎng)度的增加呈先減后增的趨勢(shì).系纜筒1號(hào)筒和3號(hào)筒水壓力變化在拖纜長(zhǎng)度為48 m時(shí)最小.圖6(b)顯示，相比于系纜筒1號(hào)筒和3號(hào)筒，非系纜筒2號(hào)筒和4號(hào)筒氣壓力變化隨著拖纜長(zhǎng)度的變化較小.

由圖6(c)可知，逆浪拖航時(shí)隨著拖纜長(zhǎng)度的增加，x、y、z 3個(gè)方向的加速度先減小后增大，其中x、z方向上的加速度較小，變化幅度也很小，這主要是因?yàn)槟胬藯l件下波浪可以持續(xù)穩(wěn)定地作用在平臺(tái)各筒上，所以x、z向加速度變化較為穩(wěn)定.相比之下y方向上的加速度較大，變化幅度也較大，這主要是由于逆浪拖航時(shí)拖纜一直處于拖拽狀態(tài)，在橫蕩方向沒(méi)有防止飄移措施，導(dǎo)致飄移明顯.可見(jiàn)拖纜長(zhǎng)度對(duì)筒型基礎(chǔ)平臺(tái)氣浮拖航橫蕩影響很大，一定的拖纜長(zhǎng)度有利于緩解拖車與筒型基礎(chǔ)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的沖擊張力，有利于緩解拖航偏蕩等.但當(dāng)拖航長(zhǎng)度超過(guò)一定的范圍時(shí)，其縱蕩、橫蕩及垂蕩搖擺幅度加大，直線航行能力越差，拖航操縱困難.由圖6(d)可知，逆浪條件下，拖纜力峰值隨拖纜長(zhǎng)度的增大而呈上升趨勢(shì)，增幅達(dá)57.5%.

圖6 逆浪條件下實(shí)測(cè)峰值Fig.6 Maximum parameters versus towline length (head sea)

2.3 順浪拖航與逆浪拖航比較

逆浪拖航時(shí)平臺(tái)搖擺運(yùn)動(dòng)與升沉運(yùn)動(dòng)的頻率要高于順浪拖航.對(duì)比圖4(c)、6(c)可知拖纜長(zhǎng)度對(duì)平臺(tái)逆浪拖航的橫蕩運(yùn)動(dòng)方向加速度的影響遠(yuǎn)大于順浪下拖航，即逆浪拖航時(shí)，由于拖纜長(zhǎng)度的改變而引起的偏蕩現(xiàn)象越明顯.逆浪拖航拖纜力大于順浪拖航拖纜力，尤其在拖纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，如纜長(zhǎng)為60 m時(shí)，逆浪拖航的拖纜力是順浪時(shí)的2倍，隨拖纜長(zhǎng)度增長(zhǎng)，順浪與逆浪的拖纜力差距越來(lái)越大.

3 結(jié)論

1)拖纜長(zhǎng)度對(duì)筒型基礎(chǔ)平臺(tái)氣浮拖航影響很大.合理的拖纜長(zhǎng)度有利于緩解拖車與筒型基礎(chǔ)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的沖擊張力，有利于緩解偏蕩等.但當(dāng)拖纜長(zhǎng)度過(guò)大，其縱蕩、橫蕩及垂蕩搖擺幅度加大，直線航行能力越差，拖航操縱困難.

2)與順浪拖航相比，逆浪拖航時(shí)拖纜長(zhǎng)度對(duì)平臺(tái)橫蕩運(yùn)動(dòng)影響較大，不合理的拖纜長(zhǎng)度將會(huì)引起平臺(tái)明顯的偏蕩現(xiàn)象.

3)逆浪條件下拖纜力峰值隨拖纜長(zhǎng)度的增大而呈上升趨勢(shì).當(dāng)拖纜長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，可能發(fā)生拖纜因張力過(guò)大而斷裂的情況，不利于拖航系統(tǒng)的安全性.

4)綜合順浪與逆浪2種情況，對(duì)于本筒型基礎(chǔ)平臺(tái)，拖纜長(zhǎng)度48 m(即3.2倍的平臺(tái)寬度)平臺(tái)的穩(wěn)性和耐波性最高.

［1］丁紅巖，杜杰，戚蘭.吸力錨下沉過(guò)程中土塞高度計(jì)算［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，34(4):439-442.

DING Hongyan，DU Jie，QI Lan.Height of soil-plug calculation in suction anchor［J］.Journal of Tianjin University，2002，34(4):439-442.

［2］丁紅巖，張浦陽(yáng).多筒系纜平臺(tái)原型頂升試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(6):1585-1588.

DING Hongyan，ZHANG Puyang.Prototype tests during pull up processes of a multi-bucket foundation dolphin platform［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(6):1585-1588.

［3］李蔚，譚家華，潘斌.桶型基礎(chǔ)平臺(tái)拖航穩(wěn)性研究［J］.海洋工程，1999，17(3):11-16.

LI Wei，Tan Jiahua，PAN Bing.Towing stability research of bucket foundation platform［J］.The Ocean Engineering，1999，17(3):11-16.

［4］樂(lè)叢歡，丁紅巖，董國(guó)海.多元統(tǒng)計(jì)在四筒吸力錨平臺(tái)氣浮拖航模型試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34 (10):46-53.

LE Conghuan，DING Hongyan，DONG Guohai.Application of multivariate statistics in model experimental analysis of air cushion towing of 4-suction anchor platform［J］.Journal of Chongqing University，2011，34(10):46-53.

［5］別社安，徐艷杰，王光綸.氣浮結(jié)構(gòu)的靜穩(wěn)性分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，42(2):274-277.

BIE Shean，XU Yanjie，WANG Guanlun.Static stability analysis of air floated structures［J］.Journal of Tsinghuan Univercity:Sci＆Tech，2002，42(2):274-277.

［6］別社安，趙沖久，及春寧，等.筒型基礎(chǔ)海洋平臺(tái)氣浮拖航穩(wěn)性分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35(2):221-225.

BIE Shean，ZHAO Chongjiu，JI Chunning，et al.Stability analysis of the bucket foundation platform transported by air floating［J］.Journal of Tianjin University，2002，35(2): 221-225.

［7］PINKSTER J A，SCHOLTE E M.The behaviour of a large air-supported MOB at sea［J］.Marine Structures，2001，14:163-179.

［8］THIAGARAJAN K P，MICHAEL T，THOMAS M.Waveinduced motions of an air cushion structure in shallow water［J］.Ocean Engineering，2006，33:1143-1160.

［9］丁紅巖，王高峰，劉建輝.多筒基礎(chǔ)平臺(tái)自浮拖航系拖點(diǎn)位置試驗(yàn)分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，40(5):548-553.

DING Hongyan，WANG Gaofeng，LIU Jianhui.Analysis of towing points in towing multi-bucket foundation platform［J］.Journal of Tianjin University，2007，40(5):548-553.

［10］楊建民，肖龍飛，盛振邦.海洋工程水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2008:53-58.

YANG Jianmin，XIAO Longfei，SHENG Zhenbang.Experimental study of ocean engineering hydrodynamics［M］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University Press，2008:53-58.

［11］中華人民共和國(guó)交通部.JTJ/T 234-2001，波浪模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2002:6-8.

Ministry of Transport of the People＇s Republic of China.JTJ/T 234-2001，Wave model test regulations［S］.Beijing:The People's Communications Publishing House，2002:6-8.

［12］葉衛(wèi)平，方安平，于本方.Origin 7.0科技繪圖及數(shù)據(jù)分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:184-194.

YE Weiping，F(xiàn)ANG Anping，YU Benfang.Origin 7.0 Origin 7.0 scientific graphing and data analysis［M］.Beijing:China Machine Press，2003:184-194.