海管碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗拖錨危害的模型試驗(yàn)研究

閆澍旺，郭冠群，任宇曉，孫立強(qiáng)，雷震名

(1.天津大學(xué)建工學(xué)院，天津 300072;2.海洋工程股份有限公司，天津 300451)

船在強(qiáng)風(fēng)暴作用下可能發(fā)生走錨，拖動(dòng)的錨可能對(duì)海底管線造成破壞，目前已經(jīng)有這方面的報(bào)道［1］。現(xiàn)有海管保護(hù)措施主要為將海管放置在挖好的溝槽中并覆蓋碎石進(jìn)行保護(hù)［2］，但對(duì)其保護(hù)效果和機(jī)理的研究還很少。唐堯［3］對(duì)走錨船運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行了研究，分析了錨泊船走錨的機(jī)理。挪威船級(jí)社提出的海底管線系統(tǒng)規(guī)范DNV-OS-F101［4］對(duì)管線可能受到的墜落物的撞擊、錨的拖拉以及漁網(wǎng)拖拉的保護(hù)措施提出了建議。Wang等［5］利用有限元軟件ABAQUS建立模型模擬錨體拖動(dòng)經(jīng)過管線保護(hù)層的過程和拖動(dòng)軌跡，并與離心模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

通過在模型槽中對(duì)不同比尺的錨進(jìn)行拖曳試驗(yàn)，研究發(fā)生走錨時(shí)，碎石結(jié)構(gòu)對(duì)海底管線的保護(hù)效果和保護(hù)機(jī)理，供實(shí)際工程中鋪設(shè)海管保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)槽

本試驗(yàn)采用特制的工字鋼和鋼化玻璃組成的大型試驗(yàn)槽，試驗(yàn)槽尺寸為3 000 mm×1 000 mm×600 mm(長(zhǎng)×寬×深)，如圖1所示。

1.2 地基土與碎石材料

試驗(yàn)槽內(nèi)土體包括細(xì)砂和碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)，細(xì)砂和碎石上表面齊平，細(xì)砂平均粒徑d50=0.43 mm。碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)橫截面為梯形，高約420 mm，底面寬度500 mm，面向拖錨一側(cè)坡度為1∶3，另一側(cè)為1∶0.6，平均粒徑d50=20 mm。

1.3 模型錨

本試驗(yàn)以商船常用的霍爾錨為原型，按不同比尺定制了質(zhì)量分別為70.5 kg、23.9 kg和5.7 kg三種尺寸的模型錨，如圖2所示。

圖1 大型試驗(yàn)槽Fig.1 A large test flume

圖2 模型錨Fig.2 Anchor models

1.4 量測(cè)和加荷設(shè)備

本試驗(yàn)中，將量程為5 t的拉力傳感器與錨相連從而實(shí)時(shí)測(cè)量拖拽力，測(cè)得的拉力變化通過數(shù)據(jù)采集儀傳輸?shù)焦P記本電腦中;加荷設(shè)備由電機(jī)、變速箱、帶滑輪的支架、鋼絲繩和鐵鏈組成，鋼絲繩和鐵鏈基本水平，模擬實(shí)際船舶錨鏈的拖底部分，使錨體受到水平拉力。

2 試驗(yàn)方法和過程

根據(jù)落錨位置的不同情況，對(duì)3個(gè)模型錨共進(jìn)行10次拖錨試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)錨的初始位置和埋設(shè)深度如表1所示。模型錨的具體初始位置和拖拽距離可以從圖4至圖6中讀出。

表1 拖錨試驗(yàn)情況說明Tab.1 Introductions of dragging anchor tests

每次試驗(yàn)開始時(shí)，將相應(yīng)模型錨放置于表1對(duì)應(yīng)位置，用連接好拉力傳感器的錨鏈將錨體與電機(jī)相連。啟動(dòng)電機(jī)后，每隔一定時(shí)間測(cè)量錨爪尖端的水平位置和深度，直到錨體運(yùn)動(dòng)到試驗(yàn)槽盡頭。以落錨處距離碎石較遠(yuǎn)工況下70.5 kg模型錨試驗(yàn)為例，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)拖錨過程如圖3所示。

圖3 拖錨試驗(yàn)過程Fig.3 Anchor dragging test procedure

拖拽過程中，錨可視為剛體，因此可以根據(jù)固定測(cè)點(diǎn)位置的變化由幾何關(guān)系計(jì)算出錨爪尖端的豎向和水平位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 錨爪尖端運(yùn)動(dòng)軌跡

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到70.5 kg、5.7 kg和23.9 kg模型錨不同工況下錨爪尖端入土深度和錨抓力隨錨爪尖端位置變化，如圖4至圖6所示。所有曲線圖的橫軸以試驗(yàn)槽起始一端端點(diǎn)為零點(diǎn)。

圖4 70.5 kg模型錨試驗(yàn)曲線Fig.4 Test curve of the anchor model weighing 70.5 kilograms

圖5 5.7 kg模型錨試驗(yàn)曲線Fig.5 Test curve of the anchor model weighing 5.7 kilograms

通過觀察試驗(yàn)過程及試驗(yàn)曲線可知，模型錨受拖拽經(jīng)過碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)前后的運(yùn)動(dòng)過程:

1)錨體落在細(xì)砂表面。拖拽開始時(shí)，錨爪開始向砂土中嵌入，錨爪與錨柄夾角增大，錨抓力增大，錨體在砂土中的深度先增大然后趨于穩(wěn)定;錨體接觸到碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)后，錨爪與水平面夾角增大，錨冠抬升，錨爪深度有所減小，錨抓力減小，然后再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 23.9 kg模型錨入土深度和錨抓力變化曲線Fig.6 Changing curve of depth and anchor holding power of anchor model weighing 23.9 kilograms

2)錨體落下時(shí)嵌入細(xì)砂一定深度。拖拽開始時(shí)，錨體在斜向上的拖拽力作用下深度稍有減小，錨抓力增大，進(jìn)入碎石結(jié)構(gòu)之后，錨體抬升，錨抓力減小，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，錨體進(jìn)入碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)后，土阻力增大，作用在錨上的不平衡力矩使錨體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，錨爪尖位置上移遠(yuǎn)離埋設(shè)管線，因而可以起到對(duì)海底管線的保護(hù)作用。

3.2 碎石結(jié)構(gòu)保護(hù)機(jī)理分析

碎石結(jié)構(gòu)使錨爪深度減小的原因是錨爪與水平面夾角增大，錨冠抬升，這一過程可以看做是錨體圍繞錨柄一端端點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)的過程，以下將對(duì)錨體旋轉(zhuǎn)的過程和機(jī)理進(jìn)行分析說明。

3.2.1 拖錨過程中錨體受力分析

為便于說明，將錨體形狀簡(jiǎn)化為丁字形，簡(jiǎn)化方法如圖7(a)所示，錨在土體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力圖如圖7(b)所示。

圖7 錨體受力簡(jiǎn)化示意Fig.7 Sketch map of the anchor under stress

圖7(b)為錨在細(xì)砂中運(yùn)動(dòng)的受力圖，如圖所示，拖動(dòng)過程中，錨體所受外力包括:錨自身的重力G，拖拽力F，土體對(duì)錨爪的被動(dòng)土壓力F土1和對(duì)錨冠的被動(dòng)土壓力F土2，以及土體對(duì)錨體的支持力N。對(duì)同一個(gè)錨來說，導(dǎo)致錨體在碎石中抬升的主要原因?yàn)殄^體在不同土體中所受的被動(dòng)土壓力不同，因此對(duì)錨體所受被動(dòng)土壓力進(jìn)行重點(diǎn)分析。

根據(jù)庫倫土壓力理論，錨體受到的被動(dòng)土壓力PP等于錨冠和錨爪所受被動(dòng)土壓力之和，可由式(1)計(jì)算:

式中:γ為土體容重，H1和H2為被動(dòng)區(qū)厚度，Kp1和Kp2分別為錨冠和錨爪被動(dòng)區(qū)的被動(dòng)土壓力系數(shù)，可由式(2)確定。

式中:φ為土體內(nèi)摩擦角，α為錨冠或者錨爪與豎直方向夾角，δ為土體與錨體摩擦角，β為被動(dòng)區(qū)土體表面與水平面夾角。將式(2)簡(jiǎn)化后對(duì)φ求導(dǎo)可知，被動(dòng)土壓力隨內(nèi)摩擦角φ增大而增大。

3.2.2 錨體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制分析

錨體所受的上述作用力形成使錨體轉(zhuǎn)動(dòng)和抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)兩方面的力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，矩心為錨柄與錨鏈相連的一端端點(diǎn)O(見圖7(b))，其中土體對(duì)錨的作用力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，錨自身的重力產(chǎn)生抗轉(zhuǎn)力矩。土體對(duì)錨的作用力因拖拽力而產(chǎn)生，但拖拽力與矩心共線，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

對(duì)同一個(gè)錨來說，錨自身重力G不變，拖拽力F的大小取決于船舶所受到的鳳浪流作用力以及錨鏈所受阻力，因此錨體能否發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)直接取決于土體對(duì)錨的被動(dòng)土壓力F土1和F土2所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。試驗(yàn)中，錨體在細(xì)砂中運(yùn)動(dòng)一定距離后即處于穩(wěn)定的平動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)錨體自身處于力矩平衡狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

碎石內(nèi)摩擦角較大，對(duì)錨爪和錨冠的被動(dòng)土壓力較大，在抗轉(zhuǎn)力矩不變的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩增大，力矩平衡被打破，從而使錨體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致被動(dòng)土壓力減小，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩減小，直到再次達(dá)到力矩平衡狀態(tài)，錨體以較小的深度運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)上述理論，對(duì)三個(gè)模型錨在細(xì)砂和碎石中所受的轉(zhuǎn)動(dòng)和抗轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行了簡(jiǎn)單計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在細(xì)砂中，模型錨所受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小于抗轉(zhuǎn)力矩，因此錨體基本以平動(dòng)的方式運(yùn)動(dòng);進(jìn)入碎石后，模型錨所受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大于抗轉(zhuǎn)力矩，因此試驗(yàn)中錨體發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

表2 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和抗轉(zhuǎn)力矩計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of driving torque and resisting torque

雖然模型錨與實(shí)際船錨的尺寸和質(zhì)量差距較大，但鑒于三種不同尺寸模型錨的試驗(yàn)結(jié)果近似，所反映的規(guī)律一致，且與計(jì)算結(jié)果規(guī)律吻合，因此本試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)不明顯，上述模型錨的運(yùn)動(dòng)過程和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理適用于實(shí)際船錨。

4 結(jié)語

在模型槽中模擬了地基土和碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)，采用三種不同尺度的模型錨進(jìn)行了模型試驗(yàn)，在試驗(yàn)中通過改變?cè)囼?yàn)初始狀態(tài)錨體的埋置深度和相距碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)的距離，模擬不同工況下拖錨經(jīng)過碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)的過程，實(shí)時(shí)測(cè)量錨體入土深度和錨抓力的變化。通過試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，得出了碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)海底管線免受拖錨危害的機(jī)理，即錨體由地基土進(jìn)入碎石保護(hù)結(jié)構(gòu)后，土阻力增大，作用在錨上的不平衡力矩使錨體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，錨爪尖端位置上移遠(yuǎn)離埋設(shè)管線，因而可以起到對(duì)海底管線的保護(hù)作用。

［1］ 王茜，趙建平.海底管道第三方破壞失效狀況模糊故障樹分析［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(5):109-111.(WANG Qian，ZHAO Jianping.Fuzzy fault tree analysis method on submarine pipelines fault by the third-party damage［J］.Natural Gas Industry，2008，28(5):109-111.(in Chinese))

［2］ 宣凱.拋錨作業(yè)對(duì)海底管線損害研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2012.(XUAN Kai.The study on anchoring damage to subsea pipelines［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2012.(in Chinese))

［3］ 唐堯.船舶走錨方式的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2012.(TANG Yao.Research on the movement patterns of ships go anchoring［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2012.(in Chinese))

［4］ DNV-OS-FI0l，DNV recommended practice.submarine pipeline systems［S］.Det Norske Veritas，2007.

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