自升式平臺碼頭系泊的模型試驗研究方法

許峰，鄧玉琴

（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200000）

自升式平臺碼頭系泊的模型試驗研究方法

許峰，鄧玉琴

（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200000）

敘述了模型試驗方法的相關基礎理論，以及通過模型試驗方法來研究自升式平臺碼頭系泊的一般步驟，并以外高橋船廠建造的自升式平臺碼頭系泊工程為例，通過水池模型試驗研究平臺在碼頭系泊中承受環境載荷下的運動響應以及系泊纜繩張力，闡述了解決大型海工平臺碼頭系泊工程實踐問題的一種重要途徑，為現場施工提供指導。

模型試驗；水池；自升式平臺；碼頭系泊

自升式平臺作為海洋油氣資源勘探、開采運用最廣泛的海洋工程裝備，在全球具有較大的保有量，也是我國各大船廠實際建造數量最多的一種海洋工程結構物。自升式平臺自身配備的系泊設施非常有限，僅適用于平臺在水文條件較好水域的碼頭作短時間的臨時系泊停留，長時間的停泊一般以插樁，并通過升降機構將平臺主船體抬升脫離水面至指定高度，進而開展其他相關作業。如果由于一些特殊原因，譬如碼頭的水底地形、地質不適合插樁作業，或平臺的升降裝置暫不具備或暫喪失升船能力，使得平臺不得不以水面漂浮系泊的方式作較長時間的停留，特別是以月為單位的長時間系泊。由于系泊時間長，使得系泊平臺遭遇極端天氣的概率變得很大，因此非常有必要對自升式平臺的長時間水面系泊系統作比較深入的研究。國內外關于的自升式平臺建造經驗是比較豐富的，但針對自升式平臺長時間碼頭系泊方面的工程實踐經驗非常少，特別是臺風天氣下的自升式平臺碼頭系泊，相關的研究不多。本文將以外高橋造船實際開展過的自升式平臺碼頭系泊工程施工為例，借鑒外高橋造船曾經開展過的深水半潛式鉆井平臺碼頭系泊實績，通過水池模型實驗的方法，研究自升式平臺在外高橋造船舾裝碼頭臺風工況下的系泊問題。

1 碼頭系泊模型試驗基礎理論

碼頭系泊模型試驗不僅可以形象、直觀、真實地反映碼頭系泊的各組成部分受力狀況及運動響應，而且還可以與數值分析和理論解析的結論進行互相驗證，是工程實踐中不可或缺的研究方法。

1.1 模型試驗的概述

模型試驗，按照力學相似原理和異構同功原理，復演與原理邊界條件相似，力學條件相似或變化過程相似的模型試驗。模型的尺寸可以比原型小，也可以比原型大。在碼頭系泊的模型試驗中，出于經濟成本，以及方便試驗的開展一般使用縮小比例的模型試驗。

模型試驗系統主要分為三個組成部分：模型試驗的方法、模型試驗的相似材料以及模型試驗的測量裝置[1]。作為一種重要的工程研究手段，模型試驗不僅可以用來檢驗各種理論分析和數值模擬的結果，還可以直接用來指導設計和施工。

1.2 模型試驗的相似

模型試驗可以理解為原型試驗的簡化過程。通過特定的相似原理設計、開展的模型試驗，在很大程度上能夠克服原型試驗固有的人力、物力等方面的條件限制，在解決問題的同時不僅兼顧經濟合理、數據可靠，而且便于試驗的開展、操作簡單便捷。為了保證模型試驗能準確反映實際工程工況，模型試驗設置過程必須要遵守相似理論的基本原理，并遵守相似三定理[2]，才能達到預期的試驗效果。

（1）相似的基本概念

1）物理現象的相似，包括幾何相似、運動相似、動力相似、熱相似、質量相似等。

2）同類現象和單值條件

如果兩個現象可以用同一物理方程描述，即兩個現象服從同一規律，則稱這兩個現象為同類現象，這是兩個現象相似的一個必要條件，兩個現象如果相似，它們必為同類現象。

把一個現象從同類現象中區分出來的條件因素被稱為單值條件，表征單值條件的物理量一般包括幾何條件、物理條件、邊界條件及瞬時條件等。

對現象的完整數學描述包括描述現象的物理方程以及給定的單值條件。如果兩個現象的物理方程相同，同時單值條件相似，包括單值條件分布的描述相同，對應單值量之間保持固定的比例，就可以判斷兩個現象相似。

3）相似準則

相似準則，又稱相似參數，是指彼此相似的現象所必須具有的，由若干個特征量組成的同名且數值相等的無量綱量。同名相似準則數值相同，是兩個現象相似的特征和標志，同時可以作為判斷現象是否相似的依據。

（2）相似定理

相似第一定理：彼此相似的現象，其同名相似準則的數值相同。或者說，彼此相似現象的相似指標等于1.相似第一定理說明，表征自然界相似現象的各同類量間的比值為常數，表示現象特性的各個量之間被某種規律約束著，使它們之間存在一定的關系。

相似第二定理：現象的各物理量之間的關系，可以化為各相似準則之間的關系，它表明了任何物理方程均可轉換為無量綱量間的關系方程。

相似第三定理：如果兩個現象的單值條件相似，且由單值量組成的同名相似準則數值相同，則這兩個現象相似。

相似三定理是開展模型試驗的理論基礎，根據模型試驗中各個因素對試驗現象影響的大小，應用相似理論，抓住主要因素，忽略次要因素，通過幾何相似、物理相似、初始條件相似和邊界條件相似，簡化為便于操作、試驗數據可靠、技術方案可行的模型試驗，得出近似原型的試驗結構。只要試驗目的明確，試驗準備充分，就可以運用相似三定理進行科學、合理的簡化，得出真實的試驗結論。

2 自升式平臺碼頭系泊模型試驗設計

2.1 試驗設備及儀器準備

試驗在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室水池進行。水池的主要尺度為：長50 m，寬30 m，深6 m，可以模擬風、浪、流各種海洋環境條件并能根據試驗要求改變水深。

水池主要裝備各種造波設施、消波裝置、造流系統、造風系統以及大面積可升降假底，以滿足模型試驗中模擬各種海況要求。此外，還應用到各種測量儀器，包括運動測量系統、拉力傳感器、壓力傳感器、浪高儀、流速儀、風速儀、以及數碼照相和攝像設備。所有的測試儀器在項目正式試驗之前都應經過仔細地校驗和標定，確保試驗中測量數據的正確可靠。

2.2 確定實驗的坐標系

為了直觀方便地描述試驗內容，試驗中采用兩套坐標系，均為右手坐標系：

（1）大地坐標系O-XYZ：坐標系的方向為順著碼頭從右向左為0°（面向大海），即離岸方向為-90°.該坐標系描述風、浪、流等海洋環境條件的方向。

（2）旋轉的大地坐標系o-xyz：由于自升式平臺的艏向與碼頭方向有一定夾角，試驗中采用按照自升式平臺方向旋轉的大地坐標系來描述自升式平臺的6D運動：自升式平臺艏向為縱蕩正方向，左舷為橫蕩正方向，向上為垂蕩正方向，右舷向下為橫搖正方向，艏部向下為縱搖正方向，艏部向左舷為艏搖正方向。自升式平臺碼頭系泊試驗坐標系如圖1所示。

圖1 自升式平臺碼頭系泊試驗坐標系

2.3 確定模型與實船各物理量之間的轉換關系，選擇模型縮放比例

為了保證模型試驗與實際的碼頭系泊滿足相似要求，通常會忽略粘性的影響，保持實體與模型之間的傅汝德數和斯托哈數相等，即滿足兩者的重力相似和慣性相似[3]，因此：

式中，V，L，T分別為速度、特征線尺度及主要周期，下標m及s分別表示模型和實體。根據上述相似法則，模型與實型各種物理量之間的轉換關系如表1所示，表中λ為模型線性縮尺比。表中γ為水密度修正系數，等于海水與淡水密度之比。

表1 模型與實船各種物理量之間的轉換關系[3]

正確選擇合適的模型縮尺比λ是開展碼頭系泊模型試驗的首要問題，根據國際海洋工程的一般慣例，模型試驗的縮尺比一般取40～80.具體的項目中，還應綜合考慮水池本身的特點和對環境條件模擬的能力，具體而言，應包括以下四個方面的內容：

（1）模型大小

這是決定模型縮尺比的首要因素，模型過小，模型制作和模擬的相對精度會降低，試驗測量數據的相對誤差會增大；模型過大則會受到水池池壁效應的影響，造成水池中過量的波浪反射而干擾正常試驗結果。

（2）水池的尺度

試驗中要對系泊水域的水深進行模擬，從水深模擬要求可以得到模型縮尺比的上限。根據海洋平臺整套系泊系統的布置以及水池的長度和寬度，可以得到模型縮尺比的上限。

（3）水池中的風、浪、流模擬能力

水池配置的造風和造流裝備能力均有一定的極限，縮尺比選取時不應超過該極限。

（4）各類測量儀器的測量范圍

平臺碼頭系泊水池模型試驗需要測量的內容很多，諸如風速、流速、浪高、平臺模型的六自由度運動、各錨索和纜繩的張力等等。由于實驗室一般都備有量程大小不同的各類測量儀器，儀器的測量功能通常不是模型縮尺比選取的決定因素，但出于方便考慮，在決定模型縮尺比時也應加以考慮。

基于上述因素的綜合考慮，確定試驗所采用模型和實際平臺及碼頭的縮尺比為λ=1：50.在船模、舾裝碼頭、系泊纜繩、及海洋環境模擬等方面都按照此縮尺比進行。

2.4 環境工況的選取及實驗組別的設計

試驗對象選取在外高橋舾裝碼頭，屬于長江內河沿岸泊位，受波浪的影響相對較小，因此開展風、流載荷的組合試驗，能夠較好的模擬外高橋船廠碼頭前的平臺系泊情況。

據歷年的統計記錄來看，近10年來上海所遭遇的臺風基本集中在每年的7、8、9月，風速分布在6級～10級，基本不超過10級。風向多為東北偏北風，結合前述的坐標系，多為向岸風，因此實驗中，分別采取9、10級風作為施加到平臺上的風載荷，以向岸風為主。

另外，根據常年的對外高橋舾裝碼頭水域所進行的監測，碼頭周圍的江水流速最大約3節，1.5 m/s.在設計模型實驗流向工況時，當流向設定為0°時，模型試驗在風向-90°、0°、45°下分別開展。主要考慮的是在試驗測量中工程實踐經驗上認為最危險的離岸風向-90°，其次危險的風向、流向疊加的0°方向，最后添加一個風向、流向部分疊加的45°，這樣最具有代表性。同樣的原理，當設定流向為180°時，模型試驗在風向-90°、135°、180°下分別開展。他們分別代表最危險的離岸風工況-90°，流向與風向全疊加的180°方向，以及風、流載荷部分疊加的135°.

綜合以上分析，將模型實驗設計劃分為以下組別，如表2所示。

表2 模型試驗環境載荷工況

平臺的系泊布置如圖2所示，共計設置13根系泊纜繩，模型實驗將針對該系泊布置進行相關的實驗研究。

圖2 平臺的碼頭系泊布置

3 模型試驗結果及對策分析

經過上述4個組別的模型實驗，得到了系泊纜繩的張力最大值情況，如圖3、4、5、6所示的散點圖。

圖4 實驗組別2系泊纜張力最大值

圖5 實驗組別3系泊纜張力最大值

圖6 實驗組別4系泊纜張力最大值

綜上4個試驗組別的實驗數據，除個別纜繩的張力最大值出現了150 t以上的大載荷，大部分的纜繩即使在實驗設定的9、10級大風下，纜繩張力依然維持在其破斷載荷范圍，同時由于各纜繩的系泊點對應的結構物的安全需用載荷比較大，因此實際的工程實踐上，宜通過回頭帶纜的方式，對1號、3號、4號、6號、9號、10號、11號、12號等實施回頭帶纜，其中1號、9號鋼絲繩帶纜至少3道，這樣即使是近十年來所統計的上海最大風速10級風載下，在外高橋船廠舾裝碼頭的自升式平臺系泊基本是安全的。從平臺實際的系泊工程實踐情況來看，系泊期間經歷過臺風的影響，但平臺的系泊系統基本沒有發生失效事件。

4 結束語

通過模型試驗的方法，能夠比較直觀地測量平臺系泊纜繩的張力分布，找出系泊布置中纜繩的薄弱環節，方便現場施工時采取針對性的措施，制定日常及應急的各種響應方案，對工程實踐有非常積極重要的意義。

[1]安建永.淺埋隧道開挖與既有建筑基礎荷載相互影響的模型實驗和理論計算研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[2]劉涌江.大型高速巖質滑坡流體化理論研究[D].成都：西南交通大學，2002.

[3]吳小鵬，深海半潛式鉆井平臺碼頭系泊數值計算與模型試驗研究[D].上海：上海交通大學，2010.

Study on Model Test Method for Mooring of Jack up Platform Wharf

XU Feng，DENG Yu-qin
（College of Naval Architecture and Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200000，China）

This article narrate the related basic theory on the method of model test,and the normal steps of research a self-elevating platform on quay mooring through that model testmethod，and then，as a example by a actual self-elevating platform on quay mooring project which constructed in wai gao qiao ship yard,the article try to research the platform motions&mooring line tensions when the jackup is mooring on quay with the environmental loadings through the model test in the basin.It presents another important way to solve the on quay mooring engineering practice on large offshore platforms,and provides guidance for the construction on site.

model test；basin；self-elevating platform；on quaymooring

TE951

A

1672-545X（2017）03-0079-04

2016-12-08

許峰（1984-），男，湖北荊州人，工程師，工程碩士研究生，現從事海洋工程舾裝設計及項目管理相關研究。