遼河口生態環境監測浮標抗冰結構設計方案研究

呂奇鑫，許 寧，陳 元，袁 帥，張大勇，岳前進

(1.大連理工大學 運載工程與力學學部，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 海洋科學與技術學院，遼寧 盤錦 124221；3.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023)

海冰在我國北方海域屬于一種特殊的生態環境因素，伴隨著每年冬季的來臨，海面都會經歷長達3～4個月的冰期。我國最嚴重的冰情海域位于遼寧省南部沿海的遼河口與遼東灣地區，這兩者也是“渤海綜合治理攻堅戰”的重點區域。海冰的生長與消融對于氣候與海洋環境的變化有重要影響[1]，由于在結冰海域內，海水的水質在各種干擾因素條件下會有很強的波動性，需要對該海域內的海洋環境進行實時監測。但由于常規監測設備耐低溫性能差且易損毀、現場人工操作危險性高且工作效率低、海上突發環境風險性高等客觀問題的存在，加之針對于重污染監管區的長序列環境數據積累、重點海域特征參數在線監控、水質狀況指標快速解析等需求，使得冰區海洋生態環境監測浮標成為一種優先選擇的支撐性海洋生態環境監管手段。

以航標為例，為了盡可能降低海冰對于正常浮標的損壞，北方港口在冰期來臨前大都會把正常浮標更換為冰標，次年3—4月根據冰情再更換回來。數據顯示：1991—1995年，北海航海保障中心季節性航標更換的數量為763座，而2011—2015年，季節性航標更換數量上升到6165座[2]，隨著海洋經濟的不斷開發，浮標更換的工作量日益繁重，不僅不能獲得良好的航標性能，還增大了海上施工人員工作的危險性。

我國國家海洋技術中心2003年就在北極安裝了自行研制的極區衛星跟蹤水文氣象觀測浮標，并成功獲得北極地區連續的海冰與氣象數據[3]。但極區浮標通常是通過在冰層上打孔，將浮標固定在冰層之上[4]，不會出現季節性冰期消融就無須考慮破冰問題，當布放在漂流冰上時，海冰的觀測數據即為漂流軌跡數據[5]。因此在我國的周期性結冰海域也無法應用此類海洋監測浮標，亟需研制一種有一定抗冰能力的浮標結構。

目前國內外還沒有以抗冰為需求的浮標設計理論體系，抗冰浮標的研究涉及冰力學、流體力學、結構力學、浮體靜力學以及系泊等相關理論知識，是多學科知識交叉問題，具有一定的學術前沿性。

1 提出問題

1.1 浮標被推翻

浮標在嚴重冰情時受到的冰力很大，由于系泊存在使得浮標不能跟隨冰排移動，在冰力的作用下浮標的姿態將發生改變，冰力與系泊力給浮標施加一個傾覆力矩，且由于一般浮標儲備浮力空間不足，浮標排水體積改變產生的復原力矩遠遠不能達到恢復正常姿態的需求，因此造成浮標的傾覆失效。導致太陽能板與風力發電儀器無法正常工作，切斷了浮標的能源供給，無法連續完成日常監測任務。

1.2 浮標整體入水

當標體無法破冰時，浮標的正浮姿態發生偏轉，傾斜角度加大，冰排有沿著標體側壁爬升至頂部的趨勢，同時浮標受到向下的壓力被冰排壓至海面以下，浮標主體全部入水，上部太陽能板或風力發電裝置將遭受海冰的沖擊破壞。

1.3 系泊失效

一般海域內浮標的系泊設計不考慮海冰因素，但冰區內海冰的水平作用力對于浮標造成的響應要遠高于風浪流等載荷，冰區浮標的失蹤率也要遠遠高于常規海域內的浮標，最主要原因就是系泊纜繩斷裂，浮標在冰力作用下擺脫系泊纜繩的限制。系泊是保證浮標被限制在某一海域內不發生丟失的唯一手段，當水平系泊力無法約束冰力作用下的浮標運動時，將引起浮標的系泊失效。

2 研究方法

2.1 理論依據

該種浮標設計思路具有開創性，是首次以抵抗海冰為主要需求的浮標設計方案，由于浮標與海冰相互作用時的姿態大都具有一定傾角。為保證浮標不會發生整體入水致使上部自發電結構損毀，標體邊緣水密艙室頂端到達海平面相比標體正浮時的姿態有一傾斜角度，將這一傾角設置為在冰力作用下標體允許的最大傾角。

由于浮標與海冰相互作用時浮標側壁呈正錐體斜面形式，無法保持倒錐體斜面形式進行破冰，因此需要根據水密性儲備浮力空間的基本尺度明確浮標的正倒錐。設計破最大厚度冰的結構方案，只需考慮最危險傾角下標體能否破冰即可。確定標體形式及各角度的方法如圖1所示。其中α為標體側壁與底部之間夾角，β為標體允許的最大傾角，γ為標體姿態處于最大傾角時，側壁與海平面之間的夾角。

圖1 標體結構簡圖及角度

研究表明，錐體的水平靜冰力主要由冰的彎曲強度與上爬力兩部分組成，計算窄錐體時通常不考慮上爬力[6]，即在海冰爬升至標體頂部之前完成破冰。取Hirayama-Obara冰力計算模型[7]進行浮標側壁所受水平冰力F冰X的計算如式(1)所示：

(1)

式中：B為經驗系數，取3.7；σf為海冰彎曲強度，Pa；D′為海平面處錐體的直徑，m；由于海平面處浮標的吃水線非正圓形，可以取來冰方向的水線寬度近似計算,m；t為海冰厚度，m；LC為海冰的特征長度，由式(2)得到：

(2)

式中：E為海冰的彈性模量，E=5×108Pa；ρw為海水密度，取1.025×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

以上公式計算的是海冰作用于帶有一定剛度的錐體結構其水平方向的極值靜冰力，豎直方向的極值靜冰力F冰Y可以通過斜面角度γ進行計算，如式(3)：

(3)

同時可以獲得該傾角下由于上部水密空間入水所增加的實際最大儲備浮力增值F″浮，如式(4)。

F″浮=ρwV′排g

(4)

此外對于浮標姿態有重要影響的還有系泊力，詳細的受力分析如圖2所示。圖中虛線表示將傾斜的力分解為水平和垂直兩個方向。

圖2 標體受力分析簡圖

當浮標成功破冰前，處于動態平衡狀態，水平與垂直的方向合力為零，當浮標入水體積繼續增大時，冰力與系泊力不發生改變，總浮力增大，進而可使冰排發生彎曲破壞。通過受力分析可得以下結論，如式(5)、式(6)：

水平方向：

F冰X=F系泊X

(5)

垂直方向：

F浮=G+F冰Y+F系泊Y

(6)

式中：F系泊Y=tanθ·F系泊X，θ角為繃緊的系泊纜繩與海平面之間的夾角。

由于重力G始終不發生改變，抵消了一部分總浮力F浮，因此動態平衡時有式(7)：

(7)

當水密標體實際增加的最大儲備浮力值F″浮大于海冰發生彎曲破壞時需要的儲備浮力值F′浮時，即可達到成功破冰的目的。

3 結果分析

小型浮標基本尺度以浮標錐體水密結構最大直徑3 m，水密部分海平面以上最大高度1 m為例，針對儲備浮力進行設計計算。通過對水線以上結構進行CAD軟件建模得到不同α角度下(50°～88°)，對應浮標傾斜至規定的最大傾角β時的排水體積增量V′排以及側壁與海平面之間的夾角γ，由公式(4)計算得到如圖3所示的實際最大儲備浮力值F″浮。

圖3 不同α角度下標體的實際最大儲備浮力值

圖3可以看出在該基本尺度下，浮標的設計儲備浮力基本大于30 kN，但隨著α角度的增加，儲備浮力增幅較小。當錐體斜面α角度繼續增大時(α>88°)，γ角度大于70°，超出海冰只發生彎曲破壞的計算范圍，海冰將發生擠壓破碎，冰力會顯著提高[8-9]，因此僅以海冰發生彎曲破壞為目標，浮標在該基本尺度下增加的實際浮力值最大約為35.3 kN。

以目標冰厚0.1 m為例，根據公式(1)、式(2)、式(3)、式(5)、式(7)可以計算該冰厚下浮標處于不同α角度時破冰需要的儲備浮力值F″浮。其中海冰彎曲強度取σf=700 kPa；采用單點系泊，系泊點位置距海底7 m，系泊纜總長30 m，此時tanθ=0.2447。將其與浮標的實際最大儲備浮力值F′浮比較，即可判斷不同角度浮標的結構設計方案是否具有抗冰能力。判斷方法以圖4為例：當α<71.5°時，F′浮F″浮，即浮標結構具有破0.1 m厚冰的能力。

圖4 不同α角度下標體破0.1 m厚冰的能力

當設計冰厚不變，改變浮標側壁角度時，隨著α角度增加，破冰需要的儲備浮力值F″浮呈明顯減小趨勢，對于浮標結構其破冰行為安全性更高。但α角度的最大值由γ角決定，因此在設計范圍允許內盡可能增大α角度為結構設計的優先方案。

取該基本尺度下浮標側壁角度最大值α=88°為例，研究表明：隨著冰厚的增大，標體破冰需要的儲備浮力增幅明顯加大，浮標最大可破13.5 cm厚的冰。在相同的海冰條件下，浮標破冰需要的儲備浮力值都相同，增大浮標的最大儲備浮力(增大基本尺度)即可有效提高標體的抗冰能力。

圖5 α=88°時標體破不同厚度冰的能力

除此之外，海水深度一定(H=7 m)時，還可以通過延長系泊纜繩的長度進一步加大浮標的抗冰能力。圖6為不同冰厚下，系泊力的垂向分量F系泊Y隨系泊纜繩長度的變化趨勢，曲線開始時F系泊Y迅速降低，后降幅逐漸趨于零。在考慮經濟性的同時，適度增大系泊纜長度，可減小tanθ值，根據式(6)與式(7)長系泊纜破冰需要的儲備浮力相比短系泊纜可大幅降低。

圖6 不同系泊纜長度下系泊力的垂向分量

4 結 語

根據分析計算，小型浮標利用儲備浮力使冰排發生彎曲破壞存在理論性可能，但基本尺度較小時無法提供足夠的水密性空間，抗冰能力較差。此外在常規的浮標設計過程中，儲備浮力按照以上抗冰理論方法進行設計，浮標的基本尺度越大、系泊纜繩長度越長，可以抵抗越厚的海冰。