風(fēng)電筒型基礎(chǔ)拖航方案優(yōu)化分析★

羅 盛 劉憲慶 馬志明 張 杰

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401331； 2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

1 概述

自1994年吸力式筒型基礎(chǔ)被成功應(yīng)用在Europipe 16/11E導(dǎo)管架平臺(tái)的基礎(chǔ)以及渤海石油公司CFD1-6-1延長(zhǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水泥頂系泊錨上，吸力筒基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)入了工業(yè)化適用階段[1,2]。近年來，隨著國(guó)家海洋開發(fā)戰(zhàn)略的需求，筒型基礎(chǔ)由于良好地質(zhì)適應(yīng)性、施工方便性以及可回收利用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于防波堤基礎(chǔ)、搶修搶建平臺(tái)、系泊靠泊設(shè)施、人工島基礎(chǔ)以及海上風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)[3，4]。吸力式筒型基礎(chǔ)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(yùn)輸方式是駁船運(yùn)輸，施工成本較高；而單筒多分艙型式通過合理的分艙設(shè)計(jì)、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(chǔ)具有濕拖的可能，從而省去了駁船運(yùn)輸以及特種作業(yè)設(shè)備的費(fèi)用，進(jìn)一步降低海上風(fēng)電開發(fā)的成本[6]。

氣浮拖航過程是拖船—拖纜—筒型基礎(chǔ)構(gòu)成的拖航系統(tǒng)的施工過程，拖航過程中的外部環(huán)境如波浪、水深以及系統(tǒng)自身因素如吃水、拖纜長(zhǎng)度以及拖航速度等都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性。因此，在實(shí)際拖航環(huán)境下，對(duì)拖航系統(tǒng)參數(shù)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(chǔ)模型，對(duì)影響拖航系統(tǒng)安全性的波浪、吃水以及拖航速度等因素的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行極差分析和方差分析，尋求在不同的拖航條件下的最優(yōu)組合和最不利組合，所得研究成果對(duì)指導(dǎo)單筒多分艙型式的筒型基礎(chǔ)的海上施工具有重要的參考價(jià)值。

2 數(shù)值模型建立及測(cè)試組合

2.1 建模參數(shù)

模型選取2010年在江蘇啟東建造完成的應(yīng)用于2.5 MW風(fēng)機(jī)的筒型基礎(chǔ)(如圖1所示)。如圖2所示，該基礎(chǔ)的重量為2 700 t，結(jié)構(gòu)總高度為25.0 m,其中筒型基礎(chǔ)的高度為7.0 m，雙曲過渡段的高度為18.0 m，筒型基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)重心位置為筒底面以上8.91 m。

2.2 數(shù)值分析模型

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

2.3 測(cè)試參數(shù)組合

從已有的文獻(xiàn)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(tǒng)安全性的主要因素。

實(shí)際施工過程中的波浪參數(shù)選取距離該地區(qū)12 km處的南通洋口港1996年10月～1997年10月測(cè)得的方向?yàn)镹～NNE方向的50年一遇的波浪參數(shù)。

為了研究波浪參數(shù)對(duì)拖航系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(jié)構(gòu)的重量為2 700 t,計(jì)算所得的實(shí)際施工過程中用于支撐結(jié)構(gòu)重量的需要的內(nèi)外液面差為3.82 m，為了避免結(jié)構(gòu)在拖航過程中由于搖蕩運(yùn)動(dòng)幅度過大而引起的漏氣等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的吃水必須在5 m以上。同樣的，為了研究吃水對(duì)拖航系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(shí)際施工中，拖航速度過小，結(jié)構(gòu)施工周期強(qiáng)，不符合筒型基礎(chǔ)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(chǔ)經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，為了研究航速對(duì)拖航系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，選取的三種航速條件為：2節(jié)、4節(jié)和6節(jié)。

測(cè)試參數(shù)的組合采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在本次試驗(yàn)中僅考察四個(gè)因素即波高、波周期、吃水以及航速對(duì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)采用如表1所示的 L9(34)正交表。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 測(cè)試組合數(shù)據(jù)分析

3.1 測(cè)試組合數(shù)值模擬分析

表2為通過數(shù)值模擬得到的不同測(cè)試組合縱蕩運(yùn)動(dòng)、垂蕩運(yùn)動(dòng)以及縱搖運(yùn)動(dòng)的最大值和最小值統(tǒng)計(jì)表，最大值和最小值的取前三個(gè)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(cè)試組合幅值統(tǒng)計(jì)表

3.2 模擬結(jié)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(jié)構(gòu)搖蕩運(yùn)動(dòng)的因素的主次順序，即：縱蕩運(yùn)動(dòng)的主次因素是ACBD，垂蕩運(yùn)動(dòng)的主次因素是ABDC，而縱搖運(yùn)動(dòng)的主次因素是ADBC。

從K值大小得到的最優(yōu)的拖航組合分別為：縱蕩運(yùn)動(dòng)：A1B2C1D2；垂蕩運(yùn)動(dòng)：A1B2C3D2；縱搖運(yùn)動(dòng)：A1B3C1D2。

以上三個(gè)指標(biāo)單獨(dú)分析出的優(yōu)化條件不一致，必須根據(jù)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(jié)果的顯著性檢驗(yàn)

縱蕩運(yùn)動(dòng)：以因子C作為誤差來檢驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。

垂蕩運(yùn)動(dòng)：以因子D作為誤差檢驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵因素。

表3 正交設(shè)計(jì)測(cè)試組合分析表

表4 正交設(shè)計(jì)測(cè)試組合顯著性檢驗(yàn)

縱搖運(yùn)動(dòng)：以因子B作為誤差檢驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的主要因素。

對(duì)于縱蕩運(yùn)動(dòng)，根據(jù)K值越大越不利的原則，A取A3；結(jié)合K值越小越好的原則，A取A1；對(duì)于垂蕩運(yùn)動(dòng)，結(jié)合K值越小越好的原則，B取B1或者B2，C取C1，結(jié)合K值越大越不利的原則，B取B2，C取C3；對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)，結(jié)合K值越小越好的原則，A取A1，C取C1；根據(jù)K值越大越不利的原則，A取A3，C取C3。所以最優(yōu)的組合形式是：A1B1C1D2；最不利組合是A3B2C3D3。

4 結(jié)語

本文通過正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)參數(shù)組合，通過MOSES計(jì)算了單筒多分艙型式的筒型基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值，通過直觀分析和方差分析確定了最優(yōu)和最不利的拖航組合，結(jié)論如下：

1)波浪是影響結(jié)構(gòu)縱蕩運(yùn)動(dòng)的主要因素，而吃水是影響結(jié)構(gòu)垂蕩運(yùn)動(dòng)的主要因素；

2)波高和吃水是影響結(jié)構(gòu)縱搖運(yùn)動(dòng)的主要因素；

3)最優(yōu)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。