半潛式坐底安裝平臺在海上風電施工適應性研究

邱 松，張 潔，王 菁

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

引 言

目前在近海和潮間帶施工的安裝設備主要以自升船為主，數量遠不能滿足日益擴大的海上風電安裝市場[1-2]。此外，自升式安裝船造價昂貴，建造周期長，短期內難以大規模增加。

為解決自升式安裝船數量不足的問題，近年來在一些海上風電工程中，采用了船舶坐底施工的方式進行風機安裝，通過控制壓載艙內外海水的進出使船舶實現下潛坐底和上浮，取得了良好的效果。然而坐底安裝施工時，由于船體改變了周圍水流流速、流態，造成一定程度的沖刷，當引起船底泥沙掏空時，會引起結構應力改變，存在舯拱破壞風險[3]，在江蘇某海域已有過坐底船舯拱斷裂的先例。此外，船舶或平臺自身還需考慮抗傾、抗滑的安全性、坐底時的地基承載力、上浮時的地基吸附力、工作水深等[4-5]，故本文基于中交三航局的“三航工 5”半潛式坐底安裝平臺，對其在海上風電安裝工程中的施工適應性進行了分析，為類似工平臺施工提供參考。

1 工程概況

江蘇某海上風電場項目位于江蘇省如東縣近海海域，該風場位于洋口港海上風電場北區，風電場中心位置離岸約25 km，根據項目要求，擬在該場區進行風機安裝作業。場區海底高程在-3.7～-15.3 m，水深0～18 m，局部海床起伏較大，傾角超過1°。海底表面土為粉砂，灰色，松散為主，局部稍密，飽和，含少量貝殼碎屑，局部層間夾有粉質粘土，主要分布于場區西側。

從距離風電場最近的如東氣象站的風速年內變化來看，3月、4月為大風月，月平均風速約為3.9 m/s；秋季風速較小，10月為小風月，月平均風速約為3.0 m/s。

根據工程場區東北方向約28 km的專用波浪站為期1年的實測波浪資料進行統計分析。該站全年有效波高平均值為0.56 m，全年波高最大值為3.89 m。

風場屬于正規半日潮流性質，大潮時可達1.1 m/s平均流速，最大流速為1.6 m/s，夏季可能達到的表層最大流速為2.1 m/s，而且潮流運動形式以往復流為主。場區水深受潮汐影響變化較大，日低、高潮間水位差約 5 m，平均高潮位2.59 m。實測最大潮差為8.08 m，出現在8月份，最小潮差 1.79 m，出現在 3月份，平均潮差為4.61 m。

2 船體適應性

2.1 計算工況

平臺坐底問題，由眾多控制參數（裝載量、水文條件、起重機載荷、海底條件等）對穩性及結構安全產生影響。為簡化分析，計算只考慮主要參數，對其他參數進行簡化處理[6]。

假定海水沖刷泥沙導致海床接觸面靠近舷側位置有掏空現象，最大掏空極限為舷側向內2 m。計及海底接觸面積時，扣除舷側向內掏空2 m范圍面積。在計算各工況時，另外考慮首尾掏空率，即平臺首尾掏空面積占海底接觸面積的比值。

由于該風場存在退潮露灘工況，即“干式坐底”，坐底壓力取為平臺及附屬設施的全部自重15 000 t，對應漂浮狀態下的吃水為4.177 m；平臺設計最大排水量為33 373.5 t，對應漂浮狀態下的吃水為22 m；平臺在達到極限排水量條件下，根據試驗實測和理論估算，可保證穩定坐底施工的水深不超過18 m，18 m吃水對應的排水量為31 668.6 t。故以此3個典型排水量下的工況進行坐底穩性分析和坐底強度分析。

計算排水量和對應舷外水深見表2，坐底穩性分析中，考慮水深較小時坐底壓力較大，且坐底強度須滿足最小要求，此時工況2、工況3的平臺縱向彎矩剪力在吊重最大荷載時，達到許用值的60 %；坐底強度分析中，根據試驗現場統計實測，對于本平臺，坐穩施工的坐底壓力一般不得小于 2 000 t，故取使得坐底壓力能夠滿足2 000 t時的水深。干坐時，不考慮舷外水深。

表1 計算排水量及舷外水深

起重機負荷為最大起吊負荷，直接取用起重機廠商提供的設備工作反力，起重機回轉角取90°，此時橫向力矩最大。

計算環境荷載時，風級取8級，浪高取1.5 m，流速取2 m/s。

2.2 坐底穩性分析

參考中國船級社《海上移動平臺入級規范》第三篇的要求，對“三航工 5”坐底式安裝平臺進行驗算分析，最小抗傾安全系數取 1.6，最小抗滑系數取1.4[7]。

穩性計算中，最大掏空率取10 %，其中，工況1因為在掏空率過大時無法保持平衡，故最大掏空率取至5 %；旋轉軸取向內掏空2 m后的泥沙邊緣；荷載考慮了風傾力矩載荷、浪流載荷、吊重力矩載荷，得到抗傾、抗滑系數見表2。

表2 穩性分析結果

從分析結果上看，在計算工況下，船體可以滿足穩性要求。

2.3 坐底強度分析

平臺的有限元計算中，考慮了假設平臺坐底不破土、平臺坐底后垂直破土兩種情況，共設100 mm及300 mm兩種破土深度。平臺排水量、吃水和舷外水深假定與穩性分析假定相同，各個基本工況的假定條件參見表3。

表3 強度計算工況

根據表3，基本工況共72個，考慮起重機首吊（0°～45°回轉角）和尾吊（45°～180°回轉角）兩種起重機作業情況，實際工況共144個。圖1為15 000 t干坐，不破土，起重機負荷100 %，尾吊，掏空10 %的工況應力云圖。

圖1 15 000 t干坐工況應力

根據有限元結果云圖查看，平臺結構大部分是在強度安全許可范圍內的，只在局部艙壁處有破壞風險。從各個工況的具體應力結果反應的有限元分析結果來看，可得到基本結論有：

1）平臺處于無水坐底作業時，能進行100 %負荷的起重機作業，但僅限于首吊起吊，尾吊起吊需要降載運行。

2）平臺處于有水坐底作業時，平臺前部結構無論是尾吊還是首吊，在掏空率不大于20 %時均可以正常吊載。

2.4 基本環境要求

結合相關規范和平臺自身結構，明確針對“三航工5”在包括坐底的各個工況下的適宜施工范圍[6]。

該海域的高潮位水深可以滿足進場要求的4 m水深，同時該海域可退潮露灘，結合潮差可知，在坐底作業時的高潮位水深小于18 m，平臺可以滿足坐底壓力不小于2 000 t的施工穩性要求。

3 地質適應性

3.1 地基承載力計算方法

太沙基承載力公式根據基礎底面粗糙、除彈性楔體外滑動區域內的所有土體均處于塑性平衡狀態、不考慮基底以上基礎兩側土體抗剪強度的影響，用相應的均布超載來代替的基本假設，得到整體剪切破壞時的地基極限承載力公式[8]：

式中：c為地基土的粘聚力，kPa；q為基底水平面上的超載，kPa；b為基礎寬度，m；γ為地基土重度，kN/m3；Nc、Nq、Nγ為太沙基承載力系數。

3.2 地基吸附性能計算方法

太沙基吸附力公式將部分浸沒于底質的結構體的吸附力計算問題簡化為一個淺浸在半無限空間介質中的剛體在受到向上拉力作用時的一個塑性極限問題。參照傳統的太沙基承載力理論，離底問題與承載極限問題所不同的僅僅是地基上力的方向。考慮進入深度以及結構物自身等因素的影響，對太沙基承載力公式進行修正，得到了其吸附力公式[9]：

式中：B為結構物的寬度，m；L為結構物的長度，m；D為結構物在地基中的進入深度，m；A為結構物與地基水平投影上的接觸面積，m2；S為底質的剪切強度，kPa；SR為結構物與地基的全接觸面積，m2；SP為結構物在地基中的投影面積，m2。

3.3 地質適應性計算

在驗算地基承載力性能時，由于存在退潮干坐工況，按平臺自重全部加載于地基上考慮，將不同入泥深度下計算得到的地面壓力與相應的太沙基承載強度比較；在驗算上浮地基吸附性能時，按平臺空載且外界水深最大時考慮，將上浮力與自重差值與太沙基地基吸附力比較，結果見表4。

表4 地質適應性計算結果

由地質適應性計算結果可知，當平臺進入泥面0.1 m范圍內時，地基土即滿足平臺自重干坐承載力要求；在入土0.5 m范圍內，平臺均滿足空載上浮條件。

另外，該海域局部風機處坡度不滿足縱橫傾角小于1°的要求，具體機位處應進行專門掃海作業，確定海底傾角確實滿足條件后，再行坐底施工。

4 結 語

針對“三航工 5”半潛式坐底安裝平臺，對其在江蘇沿海某風電場的施工適應性進行了分析。對坐底典型工況進行了數值計算分析，驗算了抗傾抗滑的適應工況，分析了平臺的適宜施工范圍，采用太沙基承載力和吸附力公式對地質適應性進行判別，得到結論如下：

1）平臺處于無水坐底作業時，能進行100 %負荷的起重機作業，但僅限于首吊起吊，尾吊起吊可降載運行。

2）平臺處于有水坐底作業時，平臺前部結構無論是尾吊還是首吊，在沖刷不大于20 %均可以正常吊載。

3）各個工況對風電場的自然條件均有一定的要求，其作業條件宜滿足表5的要求。

4）在滿足水文、氣象等基本條件的情況下，該風場的地基承載力足以滿足平臺的承載要求，平臺可以克服地基吸附力上浮。

本文對“三航工 5”半潛式坐底安裝平臺進行的施工適應性分析對類似平臺的施工提供了一定的參考。