變水深地形下建設平臺系泊系統(tǒng)模型試驗

丁愛兵， 汪學鋒， 柳存根， 徐勝文

（上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240）

0 引 言

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對海洋空間和資源開發(fā)利用的需求日益增長，各種各樣的海洋工程裝備越來越受到人們的重視。其中，建設平臺作為一種重要的海洋浮式結構物［1］，主要布置在島礁附近，其不僅可作為浮動式碼頭支撐島礁建設，還可作為多用途海上綜合保障平臺，為島礁提供旅游基地、物資補給、環(huán)境檢測、信息樞紐等多種功能，給島礁生產與生活提供全面保障［2］。

系泊系統(tǒng)是影響海洋浮式結構物安全可靠性的最薄弱環(huán)節(jié)［3］，特別是對于布置于近島礁水域的建設平臺，面臨著極淺水、變水深非對稱地形等環(huán)境條件，其系泊系統(tǒng)的設計及性能驗證更為重要［4］，水池模型試驗是其中一種必要的驗證手段。

系泊系統(tǒng)水池模型試驗研究國內已經(jīng)有了大量的研究工作，開展了多型深海平臺系泊系統(tǒng)和纜索的線性與非線性動力學計算方法［5］與試驗技術的研究，分析了不同環(huán)境載荷下［6］的平臺運動響應和系泊受力［7］情況。但相關試驗［8］多數(shù)是針對深水系泊系統(tǒng)［9］，針對近島礁極淺水環(huán)境下的系泊試驗研究還較少，同時也未涉及海底非對稱變水深的地形影響［10］。

本文針對近島礁地形條件下建設平臺的系泊系統(tǒng)開展水池模型試驗研究，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究其在不同風、浪環(huán)境作用下的運動規(guī)律、動力響應以及系泊受力情況等，為最終系泊系統(tǒng)的設計優(yōu)化和工程應用提供支撐。

目標建設平臺擬布置于近島礁附近，通過棧橋與島礁相連，其系泊系統(tǒng)既需要在工作海況下最大限度控制平臺運動，以滿足平臺作業(yè)要求；同時也需要在臺風海況下控制錨鏈張力及平臺的運動，以保證平臺自身、系泊系統(tǒng)等的安全性。通過本次試驗，需要獲得不同海況中平臺在所設計的系泊系統(tǒng)作用下的錨鏈受力和運動情況。通過對數(shù)據(jù)的比較分析，為系泊系統(tǒng)的設計參數(shù)的優(yōu)化提供初步的方案。

1 試驗模型

本次試驗除了需要按照相似準則加工制作平臺模型、系泊系統(tǒng)模型外，還需要精確模擬平臺所處的地形環(huán)境條件以及風浪流環(huán)境條件。

1.1 相似原理

海洋平臺在波浪中模型和實體的兩個系統(tǒng)需要滿足3個相似條件：幾何相似、運動相似和動力相似［11］。在模型試驗中通常保持弗勞德數(shù)和斯特羅哈數(shù)相等，即

式中：v，L，T分別為特征速度、特征線尺度和周期；下標m和s分別表示模型和實體。綜合考慮平臺尺寸和試驗水池的尺度及試驗能力，模型縮尺比選為1∶36。

1.2 平臺模型

本試驗研究對象島礁建設平臺為駁船式海洋平臺，相關主尺度模型值和實驗值分別如表1所示，總布置圖如圖1所示。

表1 建設平臺主要參數(shù)

圖1 島礁建設平臺總布置圖

1.3 地形模擬

本次試驗對象島礁建設平臺布置在近島礁附近，水深10～15 m，平臺兩側水深變化較大，海底地形不平坦。為簡化研究，試驗中對海底地形地貌進行簡化處理，如圖2所示，將海底地形簡化為不同斜率的二維斜坡處理，平臺中心位置水深為10 m。

圖2 平臺布置位置海底地形簡化圖（m）

試驗中，對海底地形的模擬，將在原水池假底的基礎上增加模擬斜坡的斜坡假底，如圖3所示，為模擬圖2中15～50 m水深地形的裝置，制作9個2.5 m×4.5 m的斜坡拼裝而成，斜坡角度可調節(jié)范圍為1°～4°。通過對海底地形測量數(shù)據(jù)的分析，該部分坡度約2°，同理制作類似裝置模擬圖2中其他部分水深不同坡度的地形。

圖3 地形模擬裝置示意圖

1.4 系泊模型

島礁建設平臺采用傳統(tǒng)的懸鏈線系泊方式［12］，由于平臺兩側水深相差較大，設計時采用非對稱系泊，如圖4所示，深水側和近岸側錨鏈參數(shù)各不相同［13］。同時，考慮其系泊系統(tǒng)需同時滿足工作海況下工作船旁靠和臺風海況下抗臺安全性要求，設計時分為工作海況和臺風海況兩個情況［14］，工作海況采用8點系泊（圖4中1～8號），臺風海況在平臺兩邊各增加2組抗臺風錨（圖4中9～16號）。

圖4 系泊系統(tǒng)布置示意圖

試驗中共需要制作16根系泊纜，分為4組，其物理屬性見表2。其中9～16號抗臺風錨鏈工作海況下處于解脫狀態(tài)。

表2 系泊纜物理屬性

1.5 環(huán)境模擬

由于平臺部署于淺水水域，試驗中不考慮流的影響，環(huán)境模擬主要包括風和波浪的模擬。風的模擬采用定常風，通過改變風機轉速來模擬不同海上風況［15］。不規(guī)則波浪的模擬采用Jonswap譜，gamma值取2.0，由于平臺靠近島礁，本試驗僅研究由深海到岸邊的風浪，即橫浪對系泊性能的影響。試驗中，所模擬的風、浪均同向，單個波浪造波時間不小于30 min（對應實際3 h），具體模擬的風浪海況參數(shù)如表3所示。同時，為分析波浪周期對系泊性能的影響，在部分海況下增加了波浪譜峰周期6.5 s和9 s的試驗。

表3 系泊試驗風浪環(huán)境參數(shù)

2 試驗內容

本次試驗主要包括：平臺自身特性試驗、靜水試驗和風浪試驗。平臺自身特性試驗主要包括平臺重心位置及慣量調整、無系泊的平臺橫搖、縱搖、垂蕩衰減試驗等；靜水試驗包括平臺運動衰減試驗和系統(tǒng)水平剛度試驗；風浪試驗主要測量平臺不同風浪環(huán)境條件下平臺的六自由度運動情況和系泊受力情況，圖5所示為風浪試驗實際照片。

圖5 系泊系統(tǒng)風浪試驗

3 試驗結果分析

試驗完成后，首先對靜水試驗數(shù)據(jù)進行處理分析，得到了平臺在不同系泊系統(tǒng)作用下的六自由度靜水衰減特性和系泊系統(tǒng)的水平剛度。如圖6所示為建設平臺在臺風海況下使用16根錨鏈時的橫搖衰減曲線，由圖可知，此時平臺的固有橫搖周期為5.8 s。

圖6 平臺在16根錨鏈作用下橫搖衰減曲線

通過對工作海況下風浪試驗數(shù)據(jù)處理分析，得到表4所示結果。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在有義波高1m、譜峰周期4.32 s的波浪下，建設平臺采用圖4中8根懸鏈線系泊（預張力40 t），此時平臺的六自由度運動和最大系泊力受地形和風的影響均不是很大，最大橫搖在3°左右，最大橫蕩在3 m左右，最大瞬間系泊張力均出現(xiàn)在6號錨鏈上。

表4 工作海況下平臺運動和系泊力測量結果

通過對臺風海況下風浪試驗數(shù)據(jù)處理分析，不難發(fā)現(xiàn)，在有義波高3 m譜峰周期7.48 s波浪、風速36 m/s、斜坡假底的條件下，平臺采用圖4中所設計的16根懸鏈線系泊，預張力10 t時，平臺最大橫搖13°，最大橫蕩5.32 m，最大瞬間系泊力出現(xiàn)在15號錨鏈上，最大受力為114.4 t，最小安全系數(shù)2.88，滿足設計規(guī)范要求。

本次試驗中，還開展了相同海況和地形條件下不同預張力對系泊性能的影響研究。在有義波高3 m譜峰周期7.48 s波浪、風速36 m/s、考慮斜坡假底的條件下，平臺僅利用圖4中1～8號錨鏈定位，預張力40 t時，最大橫蕩11.17 m，最大系泊力172.2 t；預張力20 t時，最大橫蕩14.4 m，最大系泊力155.79 t；預張力10 t時，最大橫蕩16.24 m，最大系泊力133.63 t。由此可見，預張力對懸鏈線系泊系統(tǒng)的性能影響較大，同等情況下，預張力越大，運動越小，系泊力則較大。

同時試驗還研究了波浪譜峰周期對平臺運動的影響。在波浪有義波高3 m、風速36 m/s、斜坡假底的條件下，平臺采用圖4中所設計的16根懸鏈線系泊，預張力10 t，譜峰周期6.5 s時，最大橫搖15.11°；譜峰周期7.48 s時，最大橫搖13°；譜峰周期9 s時，最大橫搖10.47°。由此可見，譜峰周期越接近平臺固有橫搖周期5.8 s，橫搖運動越大。因此，在系泊系統(tǒng)設計中，應盡量使固有頻率避開波浪譜峰周期。

4 結 論

本文以極淺水變水深環(huán)境條件下的建設平臺為對象，進行系泊系統(tǒng)水池模型試驗研究，通過對試驗數(shù)據(jù)的分析處理得到以下結論：

（1）無論是工作海況還是臺風海況，平臺的最大系泊力均小于錨鏈的設計破斷載荷，最小安全系數(shù)滿足設計規(guī)范要求。

（2）對于懸鏈線系泊，預張力對系泊性能的影響較大。

（3）在進行系泊系統(tǒng)設計時，對于六自由度運動中最需要控制的部分，應優(yōu)先考慮使其固有頻率避開平臺布置區(qū)域的波浪譜峰周期。

上述結論不僅為系泊系統(tǒng)的設計和優(yōu)化研究提供了試驗數(shù)據(jù)支撐，對建設平臺的布置安裝也具有一定的工程指導價值。