海上風電三筒導管架基礎浮運特性研究

練繼建，劉 瀟，郭耀華，王海軍1,

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350；2.河北工程大學水利水電學院，河北邯鄲 056038；3.天津大學建筑工程學院，天津 300350）

關鍵字：三筒導管架基礎；拖航阻力；吃水深度；波流耦合；浮運特性

引言

國際可再生能源機構（IRENA）[1]的最新數據顯示，從2010 年到2019 年，可再生能源在產能擴張中所占的份額不斷上升，于2019 年達到72 %。全球風能理事會(GWEC)2020 年4 月16 日發布的統計數據中顯示[2]，全球風電裝機容量在2019 年達到了650.8 GW，較去年增加了59.7 GW。截至2020年底，全球海上風電累計裝機容量達32.5 GW，全球共有162 個海上風電場已經投入使用。

我國對于氣浮結構的研究起步較晚，別社安等[3-6]研究了三筒系纜平臺的漂浮穩性，提出了在拖航過程中，實浮結構和氣浮結構浮力的變化差異可以通過氣浮力折減系數來換算，并將理論分析結合模型試驗和現場原型拖航對結構的靜穩性、小傾角穩性和拖航運動特性進行了分析。丁紅巖、張浦陽等[7-13]通過大量的現場拖航試驗及模型試驗對多筒氣浮結構和帶有分艙的復合筒型基礎進行了分析，主要分析了氣浮結構拖航穩性與拖航速度、吃水深度、拖纜繩長度、龍須角、初始傾角和波浪要素等因素之間的關系。唐友剛、張積樂等[14]對由六個獨立的大直徑圓筒和上部裙板組成的氣浮人工島基礎的拖航穩性和運動特性進行了分析，該人工島的氣浮拖航通過向六個圓筒內打氣來實現。劉憲慶[15]以理論計算與模型試驗和數值模擬相結合的方式對在波浪下氣浮筒型基礎的響應進行研究，為在實際項目中快速安裝筒型基礎提供參考和依據。閔巧玲[16]將數值模擬與模型試驗的結果進行對比，對在靜水中復合筒型基礎的運動特性進行了分析。

隨著三筒導管架基礎的應用越來越廣泛，對三筒導管架基礎的浮運特性研究十分必要。本文結合數值模擬的手段分析不同吃水深度、水流速度以及規則波要素對三筒導管架基礎浮運期穩性的影響。

1 吃水深度對基礎浮運特性的影響

1.1 模型設計

試驗模型以鋼質三筒導管架基礎為原型，每個筒直徑20 m，筒高20 m，每兩個筒軸線距離44 m。試驗模型底部筒采用有機玻璃材質以便觀察，上部導管架采用pvc 管來代替，模型比尺為1：40，滿足重力相似準則。

根據某海上風電場海洋水文實測數據，選取波浪高度2.5 cm，周期1.26 s（波浪方向為逆浪），拖航速度為0.21 m/s 作為邊界條件，分析三筒導管架基礎在不同的吃水深度下，浮運過程中所受的拖纜力、產生的縱搖角、垂向加速度以及各艙室內氣壓的變化，拖航實驗工況如下表1 所示。

表1 實驗工況表

1.2 試驗結果分析

通過調節模型三筒導管架基礎內部水氣比進而調節三筒導管架基礎吃水深度，根據實驗工況表2 進行模擬，提取模型運動狀態達到穩定后三筒導管架基礎拖纜力、縱搖角以及各艙室內氣壓的結果，見下圖1、2、3。

圖1 吃水深度對基礎拖纜力的影響

1）吃水深度對基礎拖纜力的影響

2）吃水深度對基礎縱搖角的影響

3）吃水深度對基礎艙壓的影響

從圖1 中可以看出，隨著吃水深度的增加，三筒導管架基礎水下濕表面積越大，在浮運過程中所受到的阻力越大，因此基礎結構的拖纜力不斷增大，并且起始階段所受到的沖擊力逐漸增大；從圖2 中可以得出，隨著吃水深度的不斷增大，三筒導管架基礎所能提供的回復力臂越大，因此基礎結構在浮運過程中晃動程度不斷減弱，所產生的縱搖角不斷減小；當吃水從6 m 增加到10 m 的過程中，縱搖角的波動范圍從-0.86°～0.51° 減小至-0.72°～0.33°，但吃水從10 m 增加到14 m 時，縱搖角的波動范圍從-0.72°～0.33°減小至-0.71°～0.13°，說明三筒導管架基礎縱搖角的降低幅度隨吃水的不斷增加而逐漸減小。三筒導管架基礎具有對稱性，因此2 號艙和3 號艙的氣壓值基本相同，故選取2號艙進行分析，從圖3 中可以看出，隨著吃水深度的不斷增加，艙室內的氣壓不斷減小。

圖2 吃水深度對基礎縱搖角的影響

圖3 吃水深度對基礎艙壓的影響

2 波流耦合作用對基礎浮運特性的影響

由于試驗在波流水槽內進行，波浪方向只能取0°、180°進行拖航分析，但是在實際拖航過程中，拖航方向往往與波浪方向存在一定的夾角，因此運用Moses 軟件對波流耦合作用進行補充研究。

2.1 Moses 模型的建立

建立原型三筒導管架基礎Moses 模型并進行分艙，如圖4 所示，調節水與氣的比例，進而改變Moses 中模型的吃水，模型水氣比及艙室內外吃水數值如下表2 所示。

表2 Moses 中原型三筒導管架基礎參數設置

圖4 原型三筒導管架基礎分艙示意圖

為了在Moses 軟件中對三筒導管架基礎進行時域下的拖航分析，在模型中將系纜繩一端施加一個固定的拖纜力來模擬三筒導管架的拖航過程。出于對拖航的合理性和安全性的考慮，采用Y 型拖纜進行拖航，增設龍須纜，龍須纜長度為31.11 m，兩根龍須纜之間的夾角為90°，拖纜點設置在距離水面2 m 處。為考慮三筒導管架基礎內部氣壓關系，為模擬三筒導管架結構筒內氣壓的變化，在各個筒底開孔，水可從該孔進出。

2.2 數值模擬結果分析

為研究波流耦合作用對三筒導管架基礎拖航過程的影響，選取波浪周期8 s，平均波高為1 m 的波浪為分析對象，波浪方向分別取0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°進行分析，在分析結果中提取三筒導管架基礎橫（縱）搖角幅值、垂蕩位移以及垂向加速度幅值的變化，如圖5、6所示。

圖5 波浪方向對結構橫（縱）搖角幅值的影響

1）波浪方向對結構橫（縱）搖角幅值的影響

2）波浪方向對垂蕩位移及垂向加速度的影響

由圖5 可知，在波浪周期和波浪高度不變的情況下，隨著波浪角度從0°變化至180°，三筒導管架基礎在拖航過程中所產生橫搖角的幅值先增大后減小，縱搖角幅值先減小后增大，在波浪方向為60°時最小；從圖6 中可以得出，當波浪方向從0°變化至180°時，三筒導管架基礎的垂蕩位移和垂向加速度均呈現先減小后增大再減小的趨勢，分別在波浪方向為0°和135°時出現極大值，在波浪方向為45°、60°和180°時出現極小值。從以上三張圖中可以看出，在外界條件允許的情況下，可以選取波浪方向為60°進行拖航，拖航過程較為安全，同時應盡量避免在波浪方向為0°、90°進行拖航，拖航過程較為危險。

圖6 波浪方向對垂蕩位移及垂向加速度的影響

3 結語

本文通過實驗研究了三筒導管架基礎的在不同吃水深度下的拖纜力、運動特性以及艙室氣壓，并運用數模補充分析了波流耦合作用對基礎浮運特性的影響，可得出以下結論：

1）隨著吃水深度的增加，三筒導管架基礎在浮運過程中的所受到的拖纜力不斷增大，所產生的縱搖角不斷減小，各艙室內的氣壓也逐漸減小，說明吃水深度的增加會提高拖航穩定性但也會增大拖航阻力。

2）波浪方向為60°時，拖航過程中三筒導管架基礎所產生的縱（橫）搖角、垂蕩位移以及垂向加速度均相對較小，拖航過程較為安全。在外界條件允許的情況下，可以選取波浪方向為60°進行拖航。當波浪方向為0°、90°時拖航過程中三筒導管架基礎所產生的橫（縱）搖角、垂蕩位移以及垂向加速度相對較大，基礎穩定性較差，拖航過程較為危險，應盡量避免。