重力安裝式裙板錨承載特性及最優(yōu)系泊點(diǎn)

趙福臣， 張雨蓉， 李 颯

(1. 海洋石油工程股份有限公司 安裝分公司， 天津 300452；2. 天津大學(xué) 建工學(xué)院， 天津 300072)

0 引 言

浮式風(fēng)機(jī)是一種安裝在浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上的海上浮動(dòng)式風(fēng)力機(jī)。浮式風(fēng)機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：可進(jìn)一步增加近海風(fēng)力開發(fā)；可占用更大的海域面積且使深水風(fēng)力資源開發(fā)成為可能；操作成本相對(duì)較低，易于重新定位或調(diào)試；對(duì)海床擾動(dòng)??；為近海與航運(yùn)通道提供更多空間；方便為石油天然氣設(shè)施提供電力；等等[1-2]。

目前浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)類型主要有半潛式基礎(chǔ)、浮筒型基礎(chǔ)、張力腿式基礎(chǔ)，具體如圖1所示。其中：半潛式基礎(chǔ)和浮筒型基礎(chǔ)的系泊系統(tǒng)屬于張緊式或懸鏈?zhǔn)藉^泊系統(tǒng)；張力腿式系泊系統(tǒng)的重力較浮力小，系泊筋腱處于張緊狀態(tài)以提供平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的恢復(fù)力，因此其屬于張力腿式錨泊系統(tǒng)[3-4]。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式

浮式風(fēng)機(jī)的錨固基礎(chǔ)主要有重力錨、打入樁錨、拖曳埋置錨、吸力錨、動(dòng)力貫入錨和板錨，其中板錨又分為吸力埋置板錨、動(dòng)力貫入板錨、垂直加載錨等[5]。浮式風(fēng)機(jī)錨泊系統(tǒng)錨的選型很重要，既需要根據(jù)土質(zhì)條件、水深等來判斷錨的適用性與安全性，又需要從制造與安裝的角度最大程度地實(shí)現(xiàn)錨的經(jīng)濟(jì)性。

吸力錨是目前浮式風(fēng)機(jī)經(jīng)常選用的一種錨固基礎(chǔ)形式，其主體結(jié)構(gòu)一般是大直徑圓筒，底部開口、頂部封閉，如圖2所示。雖然也有混凝土式吸力錨，但絕大多數(shù)吸力錨由鋼制造，具有較大的壁厚比(Dia/t=100～250，其中：Dia為圓筒直徑；t為壁厚)。其內(nèi)部需要設(shè)置加強(qiáng)筋，用于防止在安裝過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲并抵抗運(yùn)行時(shí)系泊載荷和土抗力的影響[6]。吸力錨的優(yōu)勢(shì)在于在安裝位置、定位和貫入方面操作簡(jiǎn)單，有經(jīng)驗(yàn)完善的設(shè)計(jì)和安裝程序，但是吸力錨不適用于滲透性較大的土壤[7]。

為解決在高滲透系數(shù)條件下浮式風(fēng)機(jī)的錨固問題，提出一種重力安裝式裙板錨，并對(duì)其承載特性和系泊點(diǎn)的位置進(jìn)行探討。

圖2 吸力錨

1 重力錨及重力安裝式裙板錨

重力錨是現(xiàn)存最古老的錨，其可以是放置在海底的任何重物，能被固定在海床上，也可部分或完全埋入海底。目前常用的自重材料是鋼和混凝土。重力錨的主要作用是抵抗連接在浮體上的系泊纜繩產(chǎn)生的浮力和側(cè)向力，其承載力主要由錨的自身重力及錨與海床之間形成的摩擦力提供[8-9]。除了一些特殊形狀的重力錨(設(shè)計(jì)使錨在安裝或被拖動(dòng)時(shí)在有限的范圍內(nèi)貫入土壤)外，抗拔力主要由靜水下重量提供。圖3為海洋工程中使用的重力錨。由圖3可知，為了增加底部摩擦力，重力錨通常在底部設(shè)置一些輔助入土裝置或剪力鍵。

圖3 重力錨

重力錨的優(yōu)勢(shì)在于：不需要安裝距離；錨可靠性高；施工簡(jiǎn)單，重力錨的大小僅受裝卸設(shè)備的限制；若材料充足，則經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；可適用于某些特殊的硬底質(zhì)，如底質(zhì)為薄的沉積物覆蓋巖石、礫石等；系泊纜線連接易于檢查和使用；等等。其缺點(diǎn)在于與其他錨固形式相比，其水平承載效率較低(相同承載力所需重量大)。為了提高重力錨的錨固效率，一般會(huì)在重力錨底部增加剪力鍵或設(shè)置一定長(zhǎng)度的裙板。目前用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的防沉板實(shí)際上是一種小型裙板式重力錨，如圖4[10]所示。

但是，上述防沉板的承載力一般較小，無法滿足浮式風(fēng)機(jī)的承載要求，因此，針對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的受

圖4 裙板式重力錨

力特點(diǎn)，提出一種大型的重力貫入式裙板錨：這種錨固基礎(chǔ)具有較高的裙板，利用裙板入泥提供較大的水平承載力；其貫入方式為重力式貫入，避免吸力錨受土質(zhì)條件的限制而導(dǎo)致的安裝困難，具有更廣泛的適用性。

2 載荷與土質(zhì)條件

某浮式風(fēng)機(jī)的錨固基礎(chǔ)要求可承受1 500 t的水平拉力，所在場(chǎng)地的土質(zhì)條件如表1所示。同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)的施工能力，要求錨固基礎(chǔ)的浮重不超過2 000 t。

表1 土層性質(zhì)

由表1可知，現(xiàn)場(chǎng)土體由5.0 m厚的中砂和12.0 m厚的粗砂組成，安裝吸力錨風(fēng)險(xiǎn)較大。若采用傳統(tǒng)重力錨，則浮重?zé)o法控制在2 000 t以下，因此提出重力安裝式裙板錨的錨固基礎(chǔ)形式。

3 重力安裝式裙板錨結(jié)構(gòu)形式

所提出的重力安裝式裙板錨的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。此錨固基礎(chǔ)的裙板依靠上部重量安裝至設(shè)計(jì)深度，無須其他輔助設(shè)施。圖5中：B為錨固基礎(chǔ)的寬度；H為重力塊的高度；D為下部裙板的高度；p為系泊點(diǎn)距重力塊底部的距離。與防沉板基礎(chǔ)(見圖4)相比，重力安裝式裙板錨上部重力塊的體積和重量均較大，是基礎(chǔ)承載力的重要來源。

4 有限元分析

利用有限元對(duì)重力安裝式裙板錨的承載特性進(jìn)行分析[11-12]。需要說明的是，由于設(shè)計(jì)條件是水平承載力，因此所討論的承載力均為水平承載力。所

圖5 重力安裝式裙板錨

提出的裙板式重力錨上部重力塊尺寸為15 m×15 m×6 m，錨由外部鋼板和內(nèi)部填充的混凝土組成。在有限元分析中，對(duì)于接觸面設(shè)置，法向采用硬接觸，切向采用罰接觸。對(duì)于約束條件，底面采用雙向約束，側(cè)面采用水平向約束。鋼板和混凝土的模型采用彈性模型，其材料力學(xué)特性如表2所示。

表2 鋼板和混凝土力學(xué)特性

地基土體的力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，場(chǎng)地的力學(xué)參數(shù)如表1所示。所建立的有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元模型網(wǎng)格圖

將系泊點(diǎn)設(shè)置于頂面，裙板高度分別為1.0 m和4.2 m，有限元計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7和圖8中，d為系泊點(diǎn)距重力安裝式裙板錨底板的高度。由圖7和圖8可知土體塑性區(qū)的分布和土體的位移趨勢(shì)。

重力安裝式裙板錨對(duì)應(yīng)的水平位移-反力曲線

圖7 重力安裝式裙板錨模型塑性區(qū)云圖及位移矢量圖(D=1.0 m，d=H)

圖8 重力安裝式裙板錨模型塑性區(qū)云圖及位移矢量圖(D=4.2 m，d=H)

如圖9所示，由圖9可知：當(dāng)裙板高度為1.0 m時(shí)，其水平承載力為1 180 t，不能滿足實(shí)際承載力要求；當(dāng)裙板長(zhǎng)度加長(zhǎng)至4.2 m時(shí)，其水平承載力可達(dá)2 300 t。

圖9 不同裙板長(zhǎng)度錨在地基中的水平位移-反力曲線

對(duì)于入泥深度較深的情況，系泊點(diǎn)的位置對(duì)基礎(chǔ)承載力有較明顯的影響。為了獲得最優(yōu)的承載力，改變系泊點(diǎn)，即將系泊點(diǎn)改為重力錨塊下方1/3處(即距重力安裝式裙板錨底板1/3H處)。對(duì)改變系泊點(diǎn)后4.2 m裙板的重力安裝式裙板錨進(jìn)行有限元模擬，得到其承載力達(dá)到極限時(shí)的塑性區(qū)云圖和位移矢量圖，如圖10所示。

圖10 重力安裝式裙板錨模型塑性區(qū)云圖及位移矢量圖(D=4.

當(dāng)系泊點(diǎn)距泥面1/3H(即d=H)處時(shí)，4.2 m裙板的承載力可達(dá)2 510 t。但若要求錨發(fā)揮最大的承載力，則還需要進(jìn)一步調(diào)整系泊點(diǎn)的位置，使系泊點(diǎn)在最優(yōu)位置(重力錨平移)[13]。圖11給出在最優(yōu)系泊點(diǎn)處的有限元計(jì)算結(jié)果。

圖11 重力安裝式裙板模型塑性區(qū)云圖及位移矢量圖(D=4.2 m，dbest)

圖12給出不同系泊點(diǎn)位置錨對(duì)應(yīng)的水平位移-反力曲線，可以看到，當(dāng)系泊點(diǎn)在最優(yōu)位置時(shí)，錨的最大承載力可達(dá)2 800 t，而此時(shí)根據(jù)有限元分析結(jié)果，最優(yōu)系泊點(diǎn)位置為土下距泥面3.2 m處。另外圖12也表明系泊點(diǎn)位置的變化對(duì)重力安裝式裙板錨的承載力有明顯的影響。考慮到承載力的發(fā)揮，系泊點(diǎn)宜選在土上部側(cè)面下方1/3或最優(yōu)系泊點(diǎn)處。

圖12 不同系泊點(diǎn)處錨在地基中的水平位移-反力曲線

5 基于規(guī)范的承載力

為進(jìn)一步確定重力安裝式裙板錨的承載力，按照API RP 2GEO[14]推薦的方法對(duì)此錨固基礎(chǔ)的承載力進(jìn)行計(jì)算?；A(chǔ)的水平承載力Hult包括端部摩擦力Htip、土壓力提供的土抗力Hsoil和側(cè)壁摩擦力Hside等3部分。

端部摩擦力Htip計(jì)算式為

Htip=Vtanφ′

(1)

式中：V為豎向載荷，kN；φ′為有效內(nèi)摩擦角，(°)。

土壓力提供的土抗力Hsoil計(jì)算式為

(2)

式中：Krd為水平向土壤反力系數(shù)，Krd=Kp-1/Kp，其中Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)，等于[tan(45°+0.5φ′)]2；γ′為土體浮容重, t/m3；Dh為基礎(chǔ)入泥深度,m；Ah為入泥裙板豎向橫截面積，m2。

側(cè)壁摩擦力Hside計(jì)算式為

Hside=fAside

(3)

式中：f為單位側(cè)摩阻力，kPa，f=KP′otanδ(其中，K為橫向地基壓力系數(shù)，其取值見API RP 2A-WSD[15]，P′o為有效上覆壓力，δ為樁土摩擦角)；Aside為入泥裙板外面積，m2。

6 結(jié) 論

為解決高滲透性土壤條件下的浮式風(fēng)機(jī)的錨固問題，提出一種重力安裝式裙板錨，該錨固基礎(chǔ)通過自身重力將一定高度的裙板下沉至設(shè)計(jì)深度，無須采用其他輔助手段。通過有限元和規(guī)范推薦的計(jì)算方法可得到如下結(jié)論：

(1) 重力安裝式裙板錨兼具重力錨與筒形基礎(chǔ)的特性，可提供較大的水平承載力。

(2) 增加裙板的入泥深度可有效地提高重力安裝式裙板錨的承載力，在系泊點(diǎn)位置相同時(shí)，入泥4.2 m的裙板錨的承載力比入泥1.0 m的裙板錨的承載力提高近1倍。

(3) 不同的系泊點(diǎn)位置對(duì)重力安裝式裙板錨的承載力影響顯著，在本計(jì)算條件下，最優(yōu)系泊點(diǎn)位于筒形結(jié)構(gòu)約下1/5處，比普通吸力錨最優(yōu)系泊點(diǎn)(約下1/3處)略低，這與錨固基礎(chǔ)的整體重心偏上有關(guān)。

(4) 重力安裝式裙板錨重量小于普通重力錨，安裝難度低于吸力錨，可承受較大的水平載荷，采用規(guī)范推薦的方法計(jì)算得到的承載力的結(jié)果偏于安全。