淤泥質海床中海上風電坐底安裝平臺地基穩性研究

喻旭明，王菁，杜宇，胡靈斌

（1.中廣核新能源控股（深圳）有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000；2.中交第三航務工程局有限公司技術中心，上海 200032）

0 引言

隨著近年海上能源的進一步開發，海上風電安裝作業任務不斷加大。為滿足海上風電施工現場的起吊安裝要求，常改造坐底船應用于風電工程中的風機安裝，有效解決了自升式安裝船數量不足的問題。“三航工5”即為中交三航局改造過的半潛式坐底式安裝平臺[1]，在中廣核岱山4號海上風電場進行風電機組安裝作業施工中，多次發生淘空、傾斜、滑移等事故，不僅嚴重影響施工生產時效和施工安全，還造成較大經濟損失。為避免或最大限度減少此類事故的發生，本文從“三航工5”坐底安裝平臺的自身結構形狀出發，結合中廣核岱山4號海上風電場軟弱海床地質特點，以及當地風、浪、流特性，分析研究坐底安裝平臺淘空、滑移的成因，并提出針對性的預防措施保證施工安全作業。

1 工程概況

“三航工5”在船舶設計階段結合江蘇海域環境條件，主要針對粉性土、砂性土海床進行了坐底穩性的計算，假定船體坐底不入泥，重點考慮坐底后基床沖刷導致的接地面積減少，采用的抗傾覆、抗滑移安全系數分別為1.6與1.4[2]。但由于岱山風場海域為極軟弱的淤泥質海床，海床條件差異會導致坐底穩性的計算相對于船舶設計階段的計算出現變化。

1.1 地質條件

根據岱山風場的地勘資料，風場場址表層為淤泥層，其厚度高達十余至數十米。淤泥不排水抗剪強度cu為8 kPa，水下浮容重γ為6.6 kN/m3。

1.2 環境荷載

由于岱山風場海域的波浪以短波為主，長峰波及規則涌浪不明顯。作業工況條件下有義波高設置為0.8 m，譜峰周期3 s。海流流速按照施工組織設計中提供的最大海流流速數據2.24 m/s來考慮。施工作業考慮6級風，風速穩定，為13.8m/s。

波浪計算采用基于邊界元法（BEM）的波浪勢流水動力數值計算，算得3 h穩定隨機海況的最大波浪力為353 t；波浪與海流作用在小結構構件上的荷載采用莫里森方程進行處理，計算得到橫流條件下，海流流速疊加波浪水質點速度在橫流條件下的船舶拖曳力為212 t，順流條件下為269 t；風荷載的計算采用原船設計單位提供的值，對應6級風況條件，風荷載為33 t。

2 坐底穩性分析

根據坐底船坐底施工時地基的實際破壞模式及相關規范，坐底穩性主要考慮地基承載能力、抗傾覆穩定性與抗滑移穩定性。

2.1 地基承載能力

坐底安裝平臺在進行下沉坐底作業時，在相應工況的環境載荷和重力載荷作用下，其對海床地基的應力應小于地基承載能力，并應防止過大的不均勻沉陷。

1）對一般黏性土，根據CCS[2]推薦，可采用API[3]中不排水分析公式計算：

式中：Q為地基破壞時的最大垂向力；cu為土壤的不排水剪切強度；Nc為無因次常數，取5.14；γ為土的總的單位重；D為基礎埋置深度；A′為根據載荷偏心確定的基礎的有效面積；Kc為考慮載荷傾斜、基礎形狀、埋置深度、基底傾斜、土表面傾斜的修正系數。

2）對很軟的淤泥海床，也可使用DNV[4]中的不排水分析公式：

式中：Nc為無因次常數，取5.14；cu為土壤的不排水剪切強度；dca、sca、ica分別為深度因子、形狀因子、傾斜因子，無量綱。

3）對于砂土，參考API[3]中的排水分析，如式（3）所示：

式中：Q′為地基破壞時的最大垂向力；c′為摩爾包絡線的有效凝聚力截距；Nc、Nq、Nγ為承載力因數，Nc=（Nq-1）cot φ′，Nq表達式為[exp（πtan φ′）]·[tan2（45°+φ′/2）]，Nγ可近似為2（Nq+1）tan φ′；φ′為摩爾包絡線的有效摩擦角；γ′為單位有效重量；B′為基礎最小橫向尺寸；A′為根據載荷偏心確定的基礎有效面積；Kc、Kq、Kγ為考慮載荷傾斜、基礎形狀、埋置深度、基底傾斜、土表面傾斜的修正系數。

4）DNV[4]中完全排水條件下的計算公式如下所示：

式中：c為土體的黏結力；φ為土體內摩擦角；dγ、dq為深度因子，無量綱；sγ、sq為形狀因子；iγ、iq為荷載傾斜因子。

用式（1）和式（2）計算淤泥質海床下，不同深度處地基極限承載力，并繪制兩者變化關系曲線，根據平臺底面受到的基底壓力，即可找出對應的土層深度，如圖1所示。

圖1 設計承載強度qu隨入泥深度變化關系曲線Fig.1 The relationship curve of the designed bearing strength quvaried with the penetration depth

2.2 抗傾覆穩定性

平臺坐底時的抗傾穩性用抗傾安全系數kq來衡準，可按式（5）計算：

式中：Mk為考慮了平臺重量、平臺水下部分浮力和海床對平臺的垂直支持力等作用后的抗傾覆力矩；Mq為風、浪、流對平臺最不利情況的合成傾覆力矩。

參照CCS《海上移動平臺入級規范》[2]第3篇第2章第5節對于坐底式平臺的要求，抗傾安全系數kq在正常作業工況下不應小于1.6；在風暴自存工況下不應小于1.4。

2.3 抗滑移穩定性

平臺坐底時的抗滑穩性用抗滑安全系數kh來衡準，可按下式計算：

式中：Fk為包括土壤的黏聚力、摩擦力、被動土壓力的總和；Fh為風、浪、流對平臺最不利的合成水平力。

參照CCS《海上移動平臺入級規范》[2]第3篇第2章第5節對于坐底式平臺的要求，抗滑安全系數Fh在正常作業工況下不應小于1.4；在風暴自存工況下不應小于1.2。

水閘、擋土墻和橋臺等在使用期間，會受到較大的水平荷載（土壓力、水壓力等），其基礎（底板）易發生水平滑移。基礎（底板）與地基土間的接觸面上的垂直壓應力p及切應力的臨界狀態的關系適用于庫倫定理[5]及下列關系式：

式中：τ為基礎（底板）單位面積上的抗滑阻力（抗剪強度）；p為垂直壓應力；φ0為基礎（底板）與地基土間的摩擦角；c0為基礎（底板）與地基土間的黏著力（附著力）。

而摩擦系數f=tan φ0是抗滑穩定驗算中的關鍵數值。基底摩擦系數的近似值可在《水工建筑物》[6]或GB 5007—2001《建筑地基基礎設計規范》[7]等文獻中查到。我國對基底摩擦系數的測定十分重視，曾多次進行工地摩擦試驗，不論現場澆制或是預制試塊，當受力破壞時，滑裂面都是在地基土中發生，而不是在接觸面發生。滑裂面基本呈弧形，當垂直壓應力p較小時，其弧面上游小于下游；垂直壓應力p較大時，弧面則中部較大，如圖2所示。

圖2 滑裂面形狀與垂直壓應力關系Fig.2 Relationship between the shape of the sliding surface and the vertical pressure

同時，對比工地摩擦試驗與地基土室內直剪試驗資料，兩者存在一定聯系。當基礎發生滑動時，并不是沿接觸面滑動，而是底板底面帶動一薄層土一起滑動，所以其抗滑穩定程度與地基土的內摩擦角和凝聚力有關[5]。

目前通常參照API[3]規范和DNV[4]規范計算坐底式安裝平臺的抗滑移穩性。

1）參考API[3]規范中關于淺基礎抗滑力的推薦算法：

①不排水分析

式中：A為考慮沖刷后的基礎與地面的接觸面積，m2。

②排水分析

2）DNV[4]規范中對淺埋基礎抗滑力的推薦算法：

不同于API規范，DNV在計算抗滑力時考慮了結構物受到的側向阻力，如式（10）所示。

式中：RE為結構物埋入土體中的側向面積引起的土阻力，可理解為被動土壓力EP與主動土壓力EA之差，對正常固結土，當γz＞2cu時，可認為EPEA=4cu；RB為結構物端部受到的阻力，在不同土質條件下有不同計算方法。

①不排水分析

②排水分析

式中：Fv為豎向應力；a為結構物與土接觸面之間摩阻力的折減系數。

3）為評估被動土壓力對抗滑阻力的貢獻，對結構物側面受到的土壓力用朗肯公式計算，而對結構物底部受到的水平阻力仍按式（8）計算。

圖3為以上3種不同計算方法算得的淤泥質海床下抗滑力隨入泥深度的變化規律。

圖3 抗滑力隨入泥深度變化關系曲線Fig.3 The relationship curve of sliding resistance varied with the penetration depth

由圖3可以看出，入泥深度小于0.3 m前，由于船底入土面積不斷增加，算得抗滑力隨面積變化較大，當入土深度達到0.3 m后，抗滑力增加趨勢變緩。在入泥深度較小的情況下，3種計算方法算得結果比較接近，API計算結果與深度無關，和DNV計算結果較相近，采用朗肯土壓力公式計算被動土壓力的方法計算結果偏差較大，不建議采用。

在缺乏設計經驗指導的工程條件下，DNV[4]采用局部安全系數設計方法，通過調整荷載系數和材料系數取得適用于相應工況的的特征值，獲得盡可能接近的目標安全等級，從而得到按這些系數和特征值表示的特殊的設計標準。參考DNV第8章，對于材料強度，規定計算抗滑移采用的土體剪切強度折減系數不小于計算地基承載能力的折減系數；對于荷載，校核地基承載能力時，采用可變荷載的最大值，而校核抗滑力時采用可變荷載最小值。

在校核地基承載能力時，針對不同的土質選取不同的強度折減系數，對于黏土，強度折減系數為1.3，對于砂土則選取較低的值，為1.2。此外，在設計計算工況中，當存在或確定采用預壓荷載處理地基時，土體強度折減系數可選取較低的值[4]，這是因為預壓荷載消除了某些土體剪切強度的不確定變化，在這種狀態下，土體折減強度需考慮循環加載影響、基面結構貫入土體引起的局部重塑效應等不確定因素。

此外，在設計計算工況中，當存在或確定采用預壓荷載處理地基時，材料折減系數可選取較低的值[4]，這是因為預壓荷載消除了某些土體剪切強度的不確定變化，在這種狀態下，土體折減強度需考慮循環加載影響、基礎結構貫入土體引起的局部重塑效應等不確定因素。

3“三航工5”坐底安裝平臺穩性分析

由于“三航工5”船底不規則性，不同的坐底方式使得船底入土面積差別較大，從而對地基穩性計算有較大影響。本文主要考慮兩種極端坐底方式。

1）傾斜坐底（靜橫傾）：假定最初船體一半船底面積接觸海床，船舶落地后因外底斜升角0.9°而形成靜橫傾，船底不入泥，見圖4（a）；

2）垂直坐底：假定船舶在海底淤泥中不發生明顯橫傾，而是左右舷均勻破土。保持此姿態均勻下沉入泥狀態，見圖4（b）。

圖4 船舶坐底方式Fig.4 The bottom-supported mode of ship

3.1 坐底工況下估算入泥深度

針對平臺坐底作業，不考慮波流荷載影響，僅根據坐底時壓載量和地質參數，按照地基承載力極限平衡狀態，預估船底入泥深度。

根據計算，靜橫傾狀態下船底無需入泥；垂直坐底狀態下，算得不同壓載量下入泥深度如表1所示。由表中可知，壓載量越大，對應坐底平臺入泥深度越大。

表1 不同壓載量下船舶入泥深度Table 1 The penetration depths of ship under different pressure loads

3.2 安裝作業工況下平臺地基穩性驗算

1）抗傾覆穩性

對作業工況抗傾覆穩性進行計算，在計算中考慮抗傾覆力矩的貢獻僅來自于船舶的濕重，不考慮吸附力[8]的貢獻，算得船舶的抗傾覆安全系數為1.73，滿足CCS規范[2]規定。

2）抗滑移穩性

在3.1節入泥深度計算結果的基礎上，進一步分析坐底平臺穩定性，計算平臺的抗滑阻力，計算結果如表2所示。

表2 安裝作業工況時不同壓載量下抗滑力Table 2 The anti-sliding forces under different pressure loads in the installation condition

由表2可知，靜橫傾坐底時的抗滑移安全系數1.83，滿足要求；垂直坐底時抗滑移安全系數只有在壓載量達到45 000 kN時為1.47，滿足CCS規范[2]規定的1.4的要求。

3）地基承載能力復核

根據CCS[2]第3章第2篇規定，平臺在相應工況的環境載荷和重力載荷作用下，其海床地基應力應小于地基承載能力，并應防止過大的不均勻沉陷。在典型海區的海底地質條件，海床泥表面土體極易在水流作用下產生物理遷移，進而導致海底與船底的接觸條件發生改變。具體而言，當水流因船舶的存在產生繞射時，將帶起海底泥沙的流動，產生船舶周界的掏空現象（泥沙局部流失），實質減小了海底對船舶的支撐面積，導致船舶結構構件受力狀態變化，嚴重時可導致船舶構件開裂破壞甚至船體梁斷裂[9-10]。

在安裝風機的作業工況下，坐底平臺所受外荷載增加了吊機吊重力矩，基底壓力明顯增大，此時承載力安全系數均明顯降低，不再滿足要求。經驗算，在作業安裝工況下，考慮最不利吊重力矩Mcrane-x為8 000 kN·m時，不同壓載量下地基承載力結果如表3所示。

表3 安裝作業工況時不同壓載量下地基承載力Table 3 The bearing capacity of foundation under different pressure loads in the installation condition

為保證坐底船不會產生不均勻沉降[11]，可通過減少壓艙水的手段來保持地基承載能力[7]。經驗算，考慮最不利吊重力矩Mcrane-x為8 000 kN·m時，對于初始壓載量為45 000 kN的工況，將壓載水卸載至25 000 kN時，垂直坐底工況下的承載力安全系數方可達到1.0。

4 結論與建議

本文依托中廣核岱山海電工程，分析“三航工5”半潛式坐底安裝平臺在軟黏土施工時地基穩性影響因素與破壞機理，并對施工安全作業提出具體建議，為其他類似平臺施工提供參考，主要結論如下：

1）淤泥質海床計算坐底穩性時，需考慮船舶坐底時的姿態以及帶來的入泥深度、接地面積的變化。

2）坐底船在極軟弱的淤泥質海床條件下進行抗滑移穩定性驗算時，推薦采用API規范或DNV規范中不排水條件下的計算方法，土的強度指標采用不排水抗剪強度。

3）依靠坐底平臺自身能力，其入泥深度十分有限。當坐底平臺在安裝作業時，外荷載的增加會導致平臺基礎失穩，通過在船舶坐底時增加定量的壓載水的手段，就位穩定后，平臺安裝作業時再卸載增加的壓載水，以保證平臺不會發生不均勻沉降。

除了基本的坐底穩性計算以外，在淤泥質海床條件下進行海上風電坐底安裝還建議考慮以下因素：

1）充分考慮安裝荷載、風浪流條件、潮位變化等因素造成軟黏土地基變形的可能性，作業過程中對船體姿態進行監控。

2） 參考其他坐底式平臺，在平臺底部增加一定數量的抗滑短樁，或在平臺底部設置墊層等，也可提高平臺的抗滑能力。

3）增加平臺基底壓力，能顯著提高平臺的抗滑能力。