拖纜長度對筒基平臺氣浮拖航影響的試驗研究

樂叢歡，丁紅巖，張浦陽

(1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116023;2.天津大學建筑工程學院，天津300072;3.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072;4.天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室，天津300072)

筒型基礎是一種新型的移動式基礎，具備自拖航，施工費用低、海上快速安裝及可重復利用等特點［1-2］，具有廣闊的應用前景，目前已逐漸推廣用于海洋平臺基礎、海上風機基礎.自拖航是筒型基礎有別于其他海上基礎的最大的優勢之一，在淺海地區，其優勢尤為突出［3-4］.拖航過程中筒型基礎平臺的氣浮不同于船舶或普通導管架平臺在水中的漂浮，普通浮體相當于具有剛性基礎的結構支承于彈性基床上，而筒型基礎平臺，由于氣體的可壓縮性，相當于具有柔性基礎的結構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動特性［5-8］.目前關于筒型基礎氣浮拖航的研究開展的很少，尤其是四筒筒型基礎平臺的拖航研究在國內還屬空白階段.目前尚無成熟的商業軟件能對其拖航運動特性進行準確的分析計算，模型試驗是研究其拖航特性最實用可靠的方法［9］.

筒型基礎平臺能實現自浮，但其本身不具備動力系統，筒型基礎平臺前進變向都需要依靠拖輪通過鋼纜對其導航，因此連接拖輪和筒型基礎平臺的鋼纜至關重要.影響筒型基礎平臺拖航特性的因素很多，為分析拖纜長度對筒型基礎平臺氣浮拖航的影響，本文在波浪、航速、吃水深度、筒拖航位置一定的條件下，選擇不同拖纜長度進行結構模型的拖航試驗，進而分析拖纜長度對于拖航基本力學參數的影響，為實際工程中的拖航提供參考.

1 拖航試驗設計

1.1 試驗模型

試驗模型以四筒鋼質筒型基礎平臺為原型，平臺單筒直徑6.0m，筒高7.0m，筒軸線間距9.0 m，平臺整體高度22 m.試驗模型為鋼質結構，采用1∶20比例按重力和慣性力傅汝德相似定律進行相似比尺設計［10-11］，試驗模型與原型滿足總重量、重心位置以及慣性矩相似.

1.2 試驗儀器設備

試驗水槽:長98 m，寬4 m，高2 m.水槽尺寸滿足規程要求.

拖航設備: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.

測量設備:水壓力傳感器、氣壓力傳感器、拉力傳感器、加速度傳感器、信號放大器、波浪率定系統、計算機信息采集系統、攝像系統和水溫計.

1.3 測量儀器布置

圖1為傳感器測量布置圖，圖2為隨體坐標系標識與筒體編號圖.其中，x方向為拖航前進方向;y方向為平臺橫漂方向;z方向為平臺上浮方向.如圖1所示，在平臺頂部布置一個三向加速度傳感器，用于測量x、y、z 3個加速度，其中x向加速度反映了拖航時平臺縱蕩運動激烈程度，y向加速度反映了平臺時橫蕩運動激烈程度，z向加速度反映了平臺垂蕩運動激烈程度.在各筒型基礎筒頂布置一個氣壓力計測量筒內氣墊壓力，在各筒底布置一個水壓力計，以測量筒內水塞壓力.

圖1 傳感器布置Fig.1 Sensors position

圖2 隨體坐標及筒體編號Fig.2 Coordinate system and bucket foundation number

1.4 試驗設計組合方案

表1 拖航試驗組合Table 1 Combination of towing

拖航時，1號筒、3號筒為系纜筒在前.在規則波(波高1 m，周期5 s)、航速(2 kn)、吃水(6 m)、水深(10 m)、系拖點位置(筒頂以下0.8 m)一定的條件下，測試不同拖纜長度對基本力學參數的影響.表1給出了試驗拖航組合.

2 試驗結果與分析

2.1 順浪結果與分析

通過模型試驗，得到了大量的數據，利用數字濾波器中的傅里葉濾波對原始數據進行濾波分析［12］.由于篇幅的關系，文中只給出部分試驗結果.圖3為轉化為原型數據后的順浪組合1～4的部分試驗結果，包括1號筒(系纜筒)的水壓力、氣壓力時程曲線及平臺拖纜力和x、y、z三向加速度時程曲線.為了更好地分析試驗現象，取拖航穩定階段的參數變化曲線進行研究.

對比圖3(a)、(b)中1號筒的氣壓力和水壓力時程曲線，可知筒頂氣壓力和水壓力的變化基本一致，筒型基礎氣浮拖航時，主要依靠筒內氣墊和筒內水塞來維持拖航的穩定性，當筒底水壓力變大即筒下沉、筒外水進入筒底，筒內水塞高度變大，水塞壓縮筒內空氣來完成結構的支撐，筒內氣體壓力變大;當簡底水壓力變小，即筒上浮，筒內水從筒底流出，筒內水塞高度減小，筒底水壓力變小，氣體體積變大，筒內氣壓力變小.

由圖3可以發現拖纜長度為34 m時，筒底水壓力和筒內氣壓力以及各向加速度和拖纜力的變化幅度最大，試驗現場觀測也驗證了這點，拖纜長度為34 m時，拖航過程中振動幅度最大，最不穩定.拖纜長度從48 m到60 m時，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)可知拖纜長度從34 m增加到54 m，隨著拖纜長度的增加，拖纜力的變化幅度能有效減小，有利于增加拖航系統的安全性.但當拖纜長度從54 m增加到60 m時，拖纜力的變化幅度反而增加，可見拖纜長度的增加對拖纜力變化幅度減小的影響是在一定的范圍內的，當超過了一定的范圍，其影響恰好相反.

圖3 順浪條件下試驗結果Fig.3 Test results in the following sea

圖4為順浪條件下，不同拖纜長度下各參數的峰值曲線(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，當拖纜長度從48 m到60 m變化時，1號筒、3號筒(系纜筒)的水壓力變化和氣壓力變化均高于2號筒、4號筒(非系纜筒)，當拖纜長度為34 m時情況相反.相比于非系纜筒(2號筒、4號筒)，系纜筒(1號筒、3號筒)的氣壓值與水壓值變化較小.由圖4(c)可知，順浪拖航當拖纜長度為34 m時x、y、z 3個方向加速度均達到最大，可見當拖纜長度過短時，會使縱搖、橫搖及垂蕩搖擺幅度加大，造成拖航不穩定.當拖纜長度從48 m增加到60 m時，隨著拖纜長度的增加，x、y、z方向加速度呈增長趨勢，但此時3個方向的加速度值都不大，說明拖航情況較穩定.由圖4(d)可知，拖纜力峰值隨拖纜長度的增大呈先減后增趨勢.即順浪條件下，在一定的范圍內拖纜長度的增加對拖纜力起到減小的作用，當超過了一定的范圍，隨著拖纜長度的繼續增加，拖纜力又開始增大.

圖4 順浪條件下實測峰值Fig.4 Maximum parameters versus towline length (following sea)

2.2 逆浪結果與分析

圖5為轉化為原型數據后的逆浪組合5～8的部分試驗結果，包括1號筒(系纜筒)的水壓力、氣壓力時程曲線及平臺拖纜力和x、y、z 3個方向加速度時程曲線.

從圖5可以發現逆浪拖航時，拖纜長度為34 m時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，這與順浪時情況相似，但與順浪時情況不同的是，拖纜長度為34 m時，z向加速度和拖纜力，變化幅度較小，由于逆浪拖航時，拖纜一直處于拖拽狀態，當纜長較短時，其垂蕩幅度較小.

圖5 逆浪條件下試驗結果Fig.5 Test results in the head sea

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

由圖6(c)可知，逆浪拖航時隨著拖纜長度的增加，x、y、z 3個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，這主要是因為逆浪條件下波浪可以持續穩定地作用在平臺各筒上，所以x、z向加速度變化較為穩定.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拖纜一直處于拖拽狀態，在橫蕩方向沒有防止飄移措施，導致飄移明顯.可見拖纜長度對筒型基礎平臺氣浮拖航橫蕩影響很大，一定的拖纜長度有利于緩解拖車與筒型基礎平臺運動不協調而產生的沖擊張力，有利于緩解拖航偏蕩等.但當拖航長度超過一定的范圍時，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度的增大而呈上升趨勢，增幅達57.5%.

圖6 逆浪條件下實測峰值Fig.6 Maximum parameters versus towline length (head sea)

2.3 順浪拖航與逆浪拖航比較

逆浪拖航時平臺搖擺運動與升沉運動的頻率要高于順浪拖航.對比圖4(c)、6(c)可知拖纜長度對平臺逆浪拖航的橫蕩運動方向加速度的影響遠大于順浪下拖航，即逆浪拖航時，由于拖纜長度的改變而引起的偏蕩現象越明顯.逆浪拖航拖纜力大于順浪拖航拖纜力，尤其在拖纜長度較長時，如纜長為60 m時，逆浪拖航的拖纜力是順浪時的2倍，隨拖纜長度增長，順浪與逆浪的拖纜力差距越來越大.

3 結論

1)拖纜長度對筒型基礎平臺氣浮拖航影響很大.合理的拖纜長度有利于緩解拖車與筒型基礎平臺運動不協調而產生的沖擊張力，有利于緩解偏蕩等.但當拖纜長度過大，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，逆浪拖航時拖纜長度對平臺橫蕩運動影響較大，不合理的拖纜長度將會引起平臺明顯的偏蕩現象.

3)逆浪條件下拖纜力峰值隨拖纜長度的增大而呈上升趨勢.當拖纜長度過大時，可能發生拖纜因張力過大而斷裂的情況，不利于拖航系統的安全性.

4)綜合順浪與逆浪2種情況，對于本筒型基礎平臺，拖纜長度48 m(即3.2倍的平臺寬度)平臺的穩性和耐波性最高.

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