風電筒型基礎拖航方案優化分析★

羅 盛 劉憲慶 馬志明 張 杰

(1.陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401331； 2.重慶交通大學河海學院，重慶 400074)

1 概述

自1994年吸力式筒型基礎被成功應用在Europipe 16/11E導管架平臺的基礎以及渤海石油公司CFD1-6-1延長測試系統設計的水泥頂系泊錨上，吸力筒基礎技術進入了工業化適用階段[1,2]。近年來，隨著國家海洋開發戰略的需求，筒型基礎由于良好地質適應性、施工方便性以及可回收利用等特點，被廣泛應用于防波堤基礎、搶修搶建平臺、系泊靠泊設施、人工島基礎以及海上風力發電的基礎[3，4]。吸力式筒型基礎主要由單筒型式、單筒多分艙型式以及多筒型式[5]。單筒型式主要的海上運輸方式是駁船運輸，施工成本較高；而單筒多分艙型式通過合理的分艙設計、多筒型式通過合理的筒位布置具有氣浮拖航的特性，這一特性使得筒型基礎具有濕拖的可能，從而省去了駁船運輸以及特種作業設備的費用，進一步降低海上風電開發的成本[6]。

氣浮拖航過程是拖船—拖纜—筒型基礎構成的拖航系統的施工過程，拖航過程中的外部環境如波浪、水深以及系統自身因素如吃水、拖纜長度以及拖航速度等都會影響結構的安全性。因此，在實際拖航環境下，對拖航系統參數的合理選擇是提升拖航的效率和安全的保證。本文通過MOSES建立了單筒多分艙型式的筒型基礎模型，對影響拖航系統安全性的波浪、吃水以及拖航速度等因素的運動參數進行分析，采用正交試驗方法對測試參數進行極差分析和方差分析，尋求在不同的拖航條件下的最優組合和最不利組合，所得研究成果對指導單筒多分艙型式的筒型基礎的海上施工具有重要的參考價值。

2 數值模型建立及測試組合

2.1 建模參數

模型選取2010年在江蘇啟東建造完成的應用于2.5 MW風機的筒型基礎(如圖1所示)。如圖2所示，該基礎的重量為2 700 t，結構總高度為25.0 m,其中筒型基礎的高度為7.0 m，雙曲過渡段的高度為18.0 m，筒型基礎的直徑為30.0 m，過渡段下端直徑為20.0 m,過渡段上端直徑為4.6 m,過渡段外曲面半徑為22.0 m，結構重心位置為筒底面以上8.91 m。

2.2 數值分析模型

MOSES建立結構模型的方式有兩種，一種是點—線—面—體的自下而上的建模方式，適合于簡單模型的建立；另外一種是點、線、面、體通過布爾運算得到結構模型的自上而下的建模方式，適合于復雜模型的建立。由于單筒多分艙型式的筒型基礎的結構形式比較復雜，本文采用的是自上而下的建模方式，所建立的結構整體模型如圖3所示，拖航模型如圖4所示。

2.3 測試參數組合

從已有的文獻可以看出，波浪因素、吃水深度以及拖航速度是影響拖航系統安全性的主要因素。

實際施工過程中的波浪參數選取距離該地區12 km處的南通洋口港1996年10月～1997年10月測得的方向為N～NNE方向的50年一遇的波浪參數。

為了研究波浪參數對拖航系統運動響應的影響，選取的三種波浪條件分別為：波高0.935 m，波周期6.0 s；波高1.87 m，波周期8.0 s；波高2.805 m，波周期10.0 s。

結構的重量為2 700 t,計算所得的實際施工過程中用于支撐結構重量的需要的內外液面差為3.82 m，為了避免結構在拖航過程中由于搖蕩運動幅度過大而引起的漏氣等現象，結構的吃水必須在5 m以上。同樣的，為了研究吃水對拖航系統運動響應的影響，選取的三種吃水條件分別為：5.5 m，6.0 m和6.5 m。

在實際施工中，拖航速度過小，結構施工周期強，不符合筒型基礎快速施工的要求，拖航速度過大，所需要的拖輪功率變大，不符合筒型基礎經濟性的要求。因此，為了研究航速對拖航系統運動響應的影響，選取的三種航速條件為：2節、4節和6節。

測試參數的組合采用正交試驗法進行設計，在本次試驗中僅考察四個因素即波高、波周期、吃水以及航速對結構垂蕩、橫蕩和縱搖的影響效果，不考察因素間的交互作用，所以設計采用如表1所示的 L9(34)正交表。

表1 L9(34)正交試驗設計

3 測試組合數據分析

3.1 測試組合數值模擬分析

表2為通過數值模擬得到的不同測試組合縱蕩運動、垂蕩運動以及縱搖運動的最大值和最小值統計表，最大值和最小值的取前三個最大幅值的平均值，幅值的變化為最大值減去最小值后得到的值。

表2 測試組合幅值統計表

3.2 模擬結果的極差分析和方差分析

從縱蕩、垂蕩和縱搖的極差R大小可以確定影響結構搖蕩運動的因素的主次順序，即：縱蕩運動的主次因素是ACBD，垂蕩運動的主次因素是ABDC，而縱搖運動的主次因素是ADBC。

從K值大小得到的最優的拖航組合分別為：縱蕩運動：A1B2C1D2；垂蕩運動：A1B2C3D2；縱搖運動：A1B3C1D2。

以上三個指標單獨分析出的優化條件不一致，必須根據因素的影響主次，綜合考慮，確定最佳的拖航組合。

3.3 模擬結果的顯著性檢驗

縱蕩運動：以因子C作為誤差來檢驗其他因子的顯著性水平，從表4中可以看出，因子A高度顯著，因子B和因子D顯著，由此可以判斷因素主次順序是：A-B-D；波浪是影響縱蕩運動的關鍵因素。

垂蕩運動：以因子D作為誤差檢驗其他因子的顯著性，從表4中可以看出，因子C高度顯著，因子A顯著，因子B不顯著，由此可以判斷因素主次順序是：C-A-B，吃水是影響垂蕩運動的關鍵因素。

表3 正交設計測試組合分析表

表4 正交設計測試組合顯著性檢驗

縱搖運動：以因子B作為誤差檢驗其他因子的顯著性，從表4中可以看出，因子A和C顯著，因子B顯著，因素主次順序是：A-C-D，波高和吃水是影響縱搖運動的主要因素。

對于縱蕩運動，根據K值越大越不利的原則，A取A3；結合K值越小越好的原則，A取A1；對于垂蕩運動，結合K值越小越好的原則，B取B1或者B2，C取C1，結合K值越大越不利的原則，B取B2，C取C3；對于縱搖運動，結合K值越小越好的原則，A取A1，C取C1；根據K值越大越不利的原則，A取A3，C取C3。所以最優的組合形式是：A1B1C1D2；最不利組合是A3B2C3D3。

4 結語

本文通過正交試驗法設計參數組合，通過MOSES計算了單筒多分艙型式的筒型基礎的運動響應幅值，通過直觀分析和方差分析確定了最優和最不利的拖航組合，結論如下：

1)波浪是影響結構縱蕩運動的主要因素，而吃水是影響結構垂蕩運動的主要因素；

2)波高和吃水是影響結構縱搖運動的主要因素；

3)最優的拖航組合是波高、波周期以及吃水較小的情況，而最不利的拖航組合是波高、吃水以及航速較大的情況。