近海吸力錨基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與展望

張寶杰

(中國(guó)海洋大學(xué) 山東 青島 266000)

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近海吸力錨基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與展望

張寶杰

(中國(guó)海洋大學(xué) 山東 青島 266000)

吸力錨作為現(xiàn)代的一種重要的基礎(chǔ)形式，是一種新型海洋基礎(chǔ)。對(duì)有關(guān)吸力錨的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，對(duì)國(guó)內(nèi)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(jìn)行了概況。

吸力錨；研究現(xiàn)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(tái)(TLP)、立柱式平臺(tái)(Spar)、船形浮式系統(tǒng)(FPSO)、順應(yīng)塔和半潛式平臺(tái)等新型海洋結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)在工程中得到了廣泛應(yīng)用。與淺海平臺(tái)相比，這些深水平臺(tái)的系錨荷載顯著增加，吸力式基礎(chǔ)平臺(tái)是近年開發(fā)出的一種新型海洋平臺(tái)，由于多種優(yōu)越性而受到重視，并引起許多研究人員的關(guān)注。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

吸力錨具有便于安裝和運(yùn)輸、施工時(shí)間短、基礎(chǔ)穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)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(chǔ)相比筒形基礎(chǔ)可以大大節(jié)約用鋼量、施工就位準(zhǔn)確、對(duì)不同的土質(zhì)有廣泛的適用性等特點(diǎn)。因此，在深海工程得到廣泛應(yīng)用。

吸力錨技術(shù)1958年首先應(yīng)用于英國(guó)，近海吸力錨的概念是20世紀(jì)60年代提出的，國(guó)內(nèi)對(duì)負(fù)壓原理的研究始于20世紀(jì)70年代，80年代初才開始在工程中獲得實(shí)現(xiàn)，其實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)歷了復(fù)雜的過程。1981年吸力錨首次成功運(yùn)用于歐洲北海的GORM油田，1995年7月在渤海CFD16-1油田延長(zhǎng)測(cè)試系統(tǒng)中，吸力錨在我國(guó)淺海首次運(yùn)用并取得成功。此后，由此自然引伸、提出了吸力式基礎(chǔ)平臺(tái)，并在90年代在挪威海上油田首次成功應(yīng)用。我國(guó)吸力錨和筒型基礎(chǔ)平臺(tái)在近海油田的首次工程應(yīng)用，分別為1995年曹妃甸1-6兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)和1999年錦州9-3油田系纜平臺(tái)。1999年NGI在美國(guó)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(zhǎng)30m，設(shè)計(jì)單錨靜極限拉力達(dá)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(tái)的基礎(chǔ)外，吸力式基礎(chǔ)也廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)。海上風(fēng)力發(fā)電開發(fā)主要集中在歐洲。歐洲海上風(fēng)電研究開始于上80世紀(jì)年代，丹麥、瑞典、荷蘭、英國(guó)是最早進(jìn)行海上風(fēng)電開發(fā)的國(guó)家。國(guó)外海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)己日趨成熟，而我國(guó)海上風(fēng)電則相對(duì)落后。我國(guó)有著豐富的海上風(fēng)能資源，東部沿海水深一的海域面積遼闊，可利用的風(fēng)能資源約是陸上的3倍，隨著海上風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟，將來必然會(huì)成為重要的可持續(xù)能源。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)的成本通常為總成本的巧一，因此其基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是非常重要的。

(一)國(guó)內(nèi)研究與應(yīng)用

1995年，吸力錨在國(guó)內(nèi)近海渤海曹妃甸工程中首次應(yīng)用與設(shè)計(jì)，天津大學(xué)海洋與船舶工程系和天津海王星減振技術(shù)開發(fā)公司根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)條件聯(lián)合承擔(dān)了該項(xiàng)目系統(tǒng)中系泊錨的設(shè)計(jì)工作。針對(duì)工程條件，首先對(duì)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(jìn)行了方案比較。認(rèn)為只有吸力錨有可能較全面地適應(yīng)本項(xiàng)工程的要求。吸力錨在我國(guó)近海工程中的首次設(shè)計(jì)和應(yīng)用是基本成功的，這無疑將為它今后更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展開辟了前景。

2002年徐繼祖、王翎羽等人根據(jù)1994年以來在渤海及南海海域從事吸力描及筒型基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、研究、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測(cè)以及制造與安裝等系列工作的經(jīng)驗(yàn)，并從一個(gè)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(jié)這些經(jīng)驗(yàn)，提出了筒形基礎(chǔ)平臺(tái)，這種平臺(tái)帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

2003年趙沖久、別社安等人介紹了筒形基礎(chǔ)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(duì)周圍建筑物的振動(dòng)破壞。另一種是筒型基礎(chǔ)水上打樁平臺(tái)，該裝置由筒型基礎(chǔ)和框架式上部平臺(tái)組成，筒型基礎(chǔ)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(tái)在水上漂浮，在上部平臺(tái)上安裝有可以在水平面上移動(dòng)和可以調(diào)整角度的樁錘導(dǎo)向架和打樁錘，該裝置抗風(fēng)浪和水流能力強(qiáng)，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(diǎn)，有一定的開發(fā)和推廣應(yīng)用價(jià)值。

2009年苗笛對(duì)吸力錨的抗拔承載力進(jìn)行了分析。通過吸力錨在粘土和砂土2種不同土質(zhì)中的破壞形式，以及其受力狀態(tài)的實(shí)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(chǔ)上能有所改進(jìn)。

2011年張其一等人對(duì)深海吸力錨承載特性與穩(wěn)定性進(jìn)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(shù)值模型基礎(chǔ)上,利用通用有限元分析軟件ABAQUS研究系泊點(diǎn)位置對(duì)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(duì)吸力錨防腐進(jìn)行了研究。采用陰極保護(hù)聯(lián)合涂層防護(hù)，陰極保護(hù)采用安裝犧牲陽極，涂層防護(hù)采用涂裝水下環(huán)氧涂料。無論是陰極保護(hù)還是涂層防護(hù)都要滿足吸力錨的設(shè)計(jì)壽命。

(二)國(guó)外研究與應(yīng)用

眾所周知，我們?cè)谘芯渴褂靡环N新型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是，首先考慮的是基礎(chǔ)的安全性，特別是在海洋這種復(fù)雜的環(huán)境之中。

Bye等對(duì)EuroPiple-16/11E平臺(tái)和SleipnerT平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行的場(chǎng)地、模型實(shí)驗(yàn)、理論模型和設(shè)計(jì)中實(shí)際應(yīng)用的分析工具等進(jìn)行了總結(jié)。在位于該平臺(tái)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)做了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)從1992年下半年開始到1993年下半年結(jié)束。靜拉拔實(shí)驗(yàn)表明，砂土的剪脹性、排水特性和實(shí)驗(yàn)時(shí)間是控制因素。受到循環(huán)載荷后，砂土?xí)軐?shí)但靜拉拔力不降低?；A(chǔ)承載力的分析是基于不排水剪切強(qiáng)度的，用Janbu方法計(jì)算，其中的有效應(yīng)力還需根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)暴和循環(huán)載荷產(chǎn)生的孔隙壓力和其消散進(jìn)行修正。承載力的分析是用滑移面類型的方法進(jìn)行的。

Andesren等進(jìn)行了針對(duì)軟勃土中張力腿錨基礎(chǔ)的野外場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)。包括一個(gè)靜載和3個(gè)循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)之前，用重力式平臺(tái)的分析方法對(duì)拉拔承載力和循環(huán)位移進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，盡管重力式平臺(tái)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(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果吻合得較好。

Byrne等對(duì)砂土中吸力式沉箱在循環(huán)作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)是在1g條件下采用復(fù)雜的加載設(shè)備，可以獨(dú)立控制頻率為1Hz的水平、垂向和力矩載荷?；A(chǔ)放在油浸的密實(shí)的土中。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了對(duì)載荷位移關(guān)系較深入的理解，在此基礎(chǔ)上提出了簡(jiǎn)單的理論和數(shù)值模型。他們的實(shí)驗(yàn)在1Hz以內(nèi)，對(duì)于高頻率的動(dòng)載，他們的理論需要檢驗(yàn)。

Deng等進(jìn)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(chǎng)地實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了垂向拉拔力的半經(jīng)驗(yàn)的理論解，但其中的參數(shù)仍然是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

Narasimha等進(jìn)行了軟黏土中吸力錨拉拔行為的實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)不同長(zhǎng)徑比的錨施加短期或持續(xù)單向的靜態(tài)載荷。結(jié)果表明，吸力可以表述為位移的函數(shù)。

Takatani等研究了波浪載荷下軟薪土地基上吸力式基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)。針對(duì)波浪作用于基礎(chǔ)前方時(shí)的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。對(duì)裙深、吸力和材料參數(shù)等的影響進(jìn)行了分析。計(jì)算中采用孔隙彈性模型與軟土的實(shí)際情況有差別。

二、結(jié)語

吸力錨近年來成為了一種熱門的基礎(chǔ)形式，它不僅可用在系泊儲(chǔ)油系統(tǒng)中,而且還可作為各種平臺(tái)的基礎(chǔ)形式。根據(jù)上述國(guó)外已有的經(jīng)驗(yàn),深感對(duì)于吸力錨技術(shù)還必須作進(jìn)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(chǔ)平臺(tái)[J].中國(guó)海上油氣,2002,(2)

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

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