海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)整機(jī)深水導(dǎo)向沉放及穩(wěn)性分析

練繼建，熊 浩，郭耀華，王海軍1，，王芃文

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北邯鄲 056038；3.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

筒型基礎(chǔ)為底部開口，頂部密封，具有分艙的寬淺式結(jié)構(gòu)，它能夠進(jìn)行氣浮托航和壓差下沉。練繼建[1]在研究復(fù)合筒型基礎(chǔ)壓差沉放調(diào)平時，提出了壓差沉放過程中要仔細(xì)監(jiān)測沉放姿態(tài)，一旦傾斜過大，應(yīng)及時停止沉放，進(jìn)行調(diào)平。丁紅巖[2]通過模型試驗(yàn)測定了海上風(fēng)電一步式安裝船體和復(fù)合筒形基礎(chǔ)之間的豎向壓力和船體的運(yùn)動響應(yīng)，并研究了筒內(nèi)氣壓的影響。Chenu B[3]證明了對氣浮結(jié)構(gòu)進(jìn)行分艙能夠提高其穩(wěn)性的結(jié)論。劉憲慶[4]基于傳統(tǒng)剛底浮體在波浪中的運(yùn)動機(jī)理，將筒內(nèi)氣體的作用等效為阻尼作用形式，建立了筒型基礎(chǔ)在波浪中的運(yùn)動方程。目前，針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)及機(jī)組整機(jī)沉放的應(yīng)用及研究較少，且多集中于較淺水深（15 m以內(nèi)），對于較深海域整機(jī)沉放技術(shù)及穩(wěn)性分析的較少。

面對我國逐步向較深海域大規(guī)范開發(fā)海上風(fēng)電的需求，本文對新型深水導(dǎo)向沉放技術(shù)展開研究。本文考慮安裝船-筒型基礎(chǔ)-機(jī)組整體耦合分析模型，研究了不同外界荷載條件下筒型基礎(chǔ)整機(jī)的運(yùn)動響應(yīng)特性，對筒型基礎(chǔ)整機(jī)水中沉放穩(wěn)定性展開深入的分析。

1 整機(jī)深水導(dǎo)向沉放及姿態(tài)控制方法

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸船模型

針對深水整機(jī)沉放過程中所面臨的失穩(wěn)風(fēng)險，本文提出了深水導(dǎo)向沉放技術(shù)。過渡段為斜撐結(jié)構(gòu)，更適應(yīng)深水的大直徑筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[5]和具有管架結(jié)構(gòu)、尺寸更大且穩(wěn)性滿足要求的安裝船等。

筒型基礎(chǔ)整機(jī)及安裝船模型如圖1所示。

圖1 筒型基礎(chǔ)整機(jī)及安裝船模型Fig.1 Simplified model of whole machine with bucket foundation and installation ship

筒型基礎(chǔ)為鋼制結(jié)構(gòu)外加鋼筋混凝土頂蓋，底部為大直徑圓筒，直徑為38 m，筒內(nèi)有蜂窩形分艙，有利于負(fù)壓調(diào)平，過渡段高度為50 m，采用變厚度全鋼結(jié)構(gòu)。

安裝船是一個前端開口的近似U型的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)[6]，在船頭上部布置有支撐桁架，利用抱箍綁定整機(jī)塔筒，起到扶正的作用，塔箍的存在有助于降低機(jī)頭的運(yùn)動響應(yīng)，使得機(jī)頭加速度滿足風(fēng)機(jī)機(jī)組制造商的要求[7]。下部有四根方形布置的可伸縮的導(dǎo)向管，下部導(dǎo)向裝置與筒型基礎(chǔ)通過滑動底架連接并能夠進(jìn)行上下移動，滑動底架與筒型基礎(chǔ)通過拉索柔性連接，以達(dá)到穩(wěn)定與“導(dǎo)向”的作用。筒型基礎(chǔ)和安裝船參數(shù)如表1所示。

表1 筒型基礎(chǔ)整機(jī)與安裝船結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of whole machine with bucket foundation and installation ship

1.2 導(dǎo)向沉放方案及姿態(tài)控制方法

海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)整機(jī)深水沉放裝備主要由安裝船和筒型基礎(chǔ)整機(jī)組成，風(fēng)電筒型基礎(chǔ)整機(jī)導(dǎo)向沉放安裝主要有以下步驟。

①安裝船運(yùn)輸至指定地點(diǎn)之后，設(shè)置系泊鏈以增強(qiáng)深水船體的穩(wěn)定性，待穩(wěn)定后下放導(dǎo)向架至海底并輕微插入海床。

②松開抱箍，筒型基礎(chǔ)排出筒內(nèi)氣體，使得整機(jī)重力大于所受浮力，豎向拉索僅承擔(dān)筒型基礎(chǔ)整機(jī)重力與浮力差。

③緩慢松開豎向拉索，當(dāng)筒型基礎(chǔ)達(dá)到滑動底架處時，橫向拉索張緊并鎖死，同步下放滑動底架與豎向拉索，筒型基礎(chǔ)與滑動底架同步下沉，完成筒型基礎(chǔ)整機(jī)在水中的沉放過程。

④當(dāng)筒型基礎(chǔ)下沉距離海床0.5～1 m時，松開橫向拉索，繼續(xù)下放豎向拉索，依靠筒型基礎(chǔ)自身重力與浮力差入泥，抽取筒內(nèi)氣體和水，利用真空下壓，直至基礎(chǔ)頂蓋入泥，完成沉放安裝，回收輔助導(dǎo)向架。

筒型基礎(chǔ)整機(jī)與滑動底架同步在水中沉放，下沉速度通過吊索進(jìn)行控制，整機(jī)-運(yùn)輸船耦合結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 筒型基礎(chǔ)整機(jī)深水沉放安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of sinking of whole machine with bucket foundation in deep water

2 多體耦合分析理論

對于一個具有移動位移的物體，可以將其轉(zhuǎn)化為繞著一個合適的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一定的歐拉角[8]。在下沉過程中將組合式單筒筒型基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為若干個小位移的質(zhì)點(diǎn)，而各個質(zhì)點(diǎn)組成的微小元件的運(yùn)動位置可以描述為x=[xi，yi，zi，θi，φi，φi]T，筒型基礎(chǔ)-船體耦合系統(tǒng)的多體動力學(xué)方程為

筒型基礎(chǔ)整機(jī)與船體耦合多體運(yùn)動方程可通過DNV SESAM中的sima模塊利用三階龍格庫塔法進(jìn)行求解[9]。

3 無導(dǎo)向沉放安全性分析

筒型基礎(chǔ)加上塔筒和上部結(jié)構(gòu)之后，重心向上移動導(dǎo)致初穩(wěn)性高減小，重心位于穩(wěn)心之上。考慮安全液封并結(jié)合筒型基礎(chǔ)與船體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，取初始外壁吃水為9.4 m，模擬計算得出整機(jī)結(jié)構(gòu)初穩(wěn)性高為-5.9。筒型基礎(chǔ)整機(jī)靜穩(wěn)性分析如圖3所示。

圖3 筒型基礎(chǔ)整機(jī)靜穩(wěn)性分析圖Fig.3 Static stability analysis diagram of whole machine with bucket foundation

由圖3可知，當(dāng)筒型基礎(chǔ)整機(jī)受到一個傾覆力矩，此時結(jié)構(gòu)的重心G高于其穩(wěn)心M，使得復(fù)原力矩的方向與傾覆力矩相同，從而加劇了筒型基礎(chǔ)整機(jī)的傾覆，以致其難以回復(fù)至原來的平衡狀態(tài)。由此可知，筒型基礎(chǔ)整機(jī)結(jié)構(gòu)不具備自浮穩(wěn)性，在整體托航與下沉過程中均需要輔助扶正措施。

4 整機(jī)深水導(dǎo)向沉放穩(wěn)性分析

4.1 環(huán)境因素及海況組合

筒型基礎(chǔ)整機(jī)在下沉過程中受到的主要環(huán)境荷載影響因素為風(fēng)、波浪和海流。本文在模擬風(fēng)荷載時選用DavenPort風(fēng)譜生成風(fēng)速時程序列，在模擬波浪時采用Jonswap波譜生成隨機(jī)波浪，在模擬海流時采用流速遞減斷面。根據(jù)實(shí)際海域及相應(yīng)規(guī)范選取的若干海況如表2所示。

表2 下沉模擬海況參數(shù)Table 2 Sea conditions parameters of sinking simulation

由表2可知，為了研究環(huán)境因素對筒型基礎(chǔ)整機(jī)下沉的影響，本文研究了9種海況。海況1，2，3為不同風(fēng)速的模擬結(jié)果對比，海況3，4，5為不同有義波高和譜峰周期的比較，海況5，6，7為不同海流流速的比較，海況7，8，9為不同風(fēng)浪流方向的對比。在進(jìn)行數(shù)值模擬時，設(shè)置沉放水深為50 m。

4.2 風(fēng)荷載的影響

在進(jìn)行沉放施工時，風(fēng)機(jī)與塔筒主要將風(fēng)荷載傳遞至組合式基礎(chǔ)上，使整機(jī)產(chǎn)生一定的傾覆力矩。圖4為不同平均風(fēng)速下的垂蕩時程圖。

圖4 不同平均風(fēng)速下的垂蕩時程圖Fig.4 Heave time curves under different average wind speed

由圖4可知：筒型基礎(chǔ)整機(jī)的垂蕩較小，最大為0.7 m左右；隨著平均風(fēng)速的增大，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的垂蕩曲線有整體上移的趨勢，這是因?yàn)殡S著平均風(fēng)速的增大，造成的運(yùn)動響應(yīng)更大，同時筒型基礎(chǔ)整機(jī)與船體豎直方向通過吊索耦合連接增大了運(yùn)動響應(yīng)；船體在風(fēng)速增大時，垂蕩平均值有增大趨勢，因此會造成筒型基礎(chǔ)垂蕩曲線整體上移的效果，同時下部的四根拉索提供了必要的回復(fù)力，從而降低了筒型基礎(chǔ)整體的垂蕩。

圖5所示為不同平均風(fēng)速下的橫搖時程圖。由圖5可知：筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖角在1.5 °以內(nèi)，隨著平均風(fēng)速的增加呈增大趨勢；在海況1的風(fēng)速時程圖中，y方向上的速度分量在0 m/s左右波動，所形成的橫搖傾覆力矩較小。所以，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖角較小。

圖5 不同平均風(fēng)速下橫搖時程Fig.5 Roll time curves under different average wind speed

圖6為不同平均風(fēng)速下筒型基礎(chǔ)整機(jī)縱搖時程曲線圖。

由圖6可知，風(fēng)速對筒型基礎(chǔ)整機(jī)的縱搖影響較大，海況3的最大縱搖角達(dá)到2.469 °，而且在初始時，有一個縱搖角突然減小的現(xiàn)象。這是因?yàn)槌跏紩r上部纜繩處于較松弛狀態(tài)，當(dāng)受到風(fēng)浪流傾覆彎矩之后會立刻張緊并產(chǎn)生拉力突變，從而會出現(xiàn)突然抑制筒型基礎(chǔ)縱搖的效果。

圖6 不同平均風(fēng)速下筒型基礎(chǔ)整機(jī)縱搖時程Fig.6 Pitch time curves of whole machine with bucket foundation under different average wind speed

4.3 波浪荷載的影響

為了研究波浪對整機(jī)沉放過程的影響，主要選取了海況3，4，5進(jìn)行分析。圖7為在海況3，4，5下的筒型基礎(chǔ)整機(jī)垂蕩時程對比曲線和對應(yīng)的功率譜密度曲線。

圖7 不同波浪下筒型基礎(chǔ)整機(jī)垂蕩時程及垂蕩功率譜密度Fig.7 Time curves and power spectrum density diagram in heave of whole machine with bucket foundation under different waves

由圖7可知：隨著波高的增加，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的垂蕩位移有較為明顯的增大趨勢；在下沉耦合系統(tǒng)中，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的垂蕩頻率與波浪頻率相一致，即筒型基礎(chǔ)的垂蕩主要由波浪引起，所以，波高的增加對作用于筒型基礎(chǔ)垂蕩方向上的波浪荷載有一定的增大作用，從而引起了垂蕩的相應(yīng)增大。

圖8為不同波浪下筒型基礎(chǔ)整機(jī)橫搖時程圖及橫搖功率譜密度圖。由圖8可知，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖頻率分量主要為橫搖自振頻率和波浪頻率，也即筒型基礎(chǔ)的橫蕩響應(yīng)主要是由基礎(chǔ)與橫搖自振頻率上的外界荷載共振和波浪共同引起的。由于外界環(huán)境荷載在此頻率內(nèi)的荷載分量較小，同時波浪的入射方向?yàn)閤方向，在y方向的波浪荷載分量小，所以筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖角較小且變化不大，均在1°以內(nèi)。

圖8 不同波浪下筒型基礎(chǔ)整機(jī)橫搖時程及橫搖功率譜密度Fig.8 Time curves and power spectrum density diagram in roll of whole machine with bucket foundation under different waves

隨著波浪的增加，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的縱搖角有較為明顯的增大，其縱搖運(yùn)動主要由與外荷載的縱搖共振和波浪共同疊加而形成（圖9）。

圖9 不同波浪下筒型基礎(chǔ)整機(jī)縱搖時程及縱搖功率譜密度Fig.9 Time curves and power spectrum density diagram in pitch of whole machine with bucket foundation under different waves

由圖9可知，波浪的增大促進(jìn)了筒型基礎(chǔ)的縱搖。

4.4 流荷載的影響

在進(jìn)行海流對筒型基礎(chǔ)整機(jī)下沉的影響分析時，對于筒型基礎(chǔ)，水流作用相當(dāng)于一個定常力，不具有波浪的荷載波動性，同時水流在垂直于流速方向無流速分量，因此，隨著流速的增大，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖、縱搖幅值變化均不大。

圖10為不同流速下筒型基礎(chǔ)整機(jī)垂蕩時程圖。由圖10可知，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的垂蕩位移曲線中幅值變化不大，但曲線整體有較小的上升，即其垂蕩平均值有所增大。這是因?yàn)榱魉俚脑黾釉诃h(huán)境荷載中加大了一個恒定的流荷載分量，但相對于風(fēng)浪荷載，流荷載所占的比例較小，所以筒型基礎(chǔ)所受的傾覆力矩有少許增加，造成垂蕩平均值有少許加大的現(xiàn)象。

圖10 不同流速下筒型基礎(chǔ)整機(jī)垂蕩時程Fig.10 Time curves in heave of whole machine with bucket foundation under different flow rates

4.5 荷載方向的影響

為了研究環(huán)境荷載方向?qū)ν残突A(chǔ)-運(yùn)輸船耦合系統(tǒng)中筒型基礎(chǔ)整機(jī)下沉過程中穩(wěn)性的影響，本文依次選取了相對于波浪方向的順浪、逆浪和橫浪，分別對應(yīng)于海況7，8，9。圖11為不同荷載方向筒型基礎(chǔ)整機(jī)橫搖時程圖。由圖11可知，橫浪對筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖響應(yīng)的影響非常明顯，最大橫搖角達(dá)到了5.203°。這已經(jīng)超過了筒型基礎(chǔ)在下沉中所限定的搖擺角度（5°），因此應(yīng)該盡量避免。

圖11 不同荷載方向筒型基礎(chǔ)整機(jī)橫搖時程Fig.11 Time curves in roll of whole machine with bucket foundation under different load directions

4.6 筒型基礎(chǔ)整機(jī)上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)證

由上面的討論及數(shù)模結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)、浪、流荷載均達(dá)到最大時，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的運(yùn)動響應(yīng)達(dá)到最大，其中最大縱搖角達(dá)到了3.531°。此外風(fēng)機(jī)廠商有對于機(jī)頭的加速度響應(yīng)的相關(guān)要求：機(jī)頭水平向加速度要小于0.25g；垂向加速度要小于0.2g。因此，依次選取順風(fēng)向和橫風(fēng)向響應(yīng)最大所在的海況7和海況9進(jìn)行核對（表3），發(fā)現(xiàn)筒型基礎(chǔ)整機(jī)在下沉過程中機(jī)頭的水平最大加速度為0.078g，垂向加速度最大值為0.056g，均小于風(fēng)機(jī)廠商的要求，能夠滿足筒型基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求，保證了筒型基礎(chǔ)整機(jī)結(jié)構(gòu)下沉的穩(wěn)定性。

表3 筒型基礎(chǔ)整機(jī)機(jī)頭處加速度Table 3 The acceleration at the head of the whole machine with bucket foundation

5 結(jié)論

本文針對筒型基礎(chǔ)整機(jī)深水沉放過程中的穩(wěn)性問題展開了研究，提出了整機(jī)導(dǎo)向沉放姿態(tài)控制技術(shù)。通過建立船-筒一體式動力學(xué)模型，對整機(jī)深水導(dǎo)向沉放的穩(wěn)性展開了分析，得到以下結(jié)論。

①海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)整機(jī)深水無輔助自沉放存在失穩(wěn)的風(fēng)險，在下沉過程中需要輔助扶正措施。

②筒型基礎(chǔ)整機(jī)-運(yùn)輸船體耦合下沉系統(tǒng)穩(wěn)性較高，在所選取的下沉工況中筒型基礎(chǔ)整機(jī)的橫搖角和縱搖角均小于4°，且機(jī)頭處加速度均能保持在風(fēng)機(jī)廠家所限定的范圍內(nèi)。

③在下沉系統(tǒng)中，筒型基礎(chǔ)整機(jī)的垂蕩運(yùn)動主要的影響因素是波浪，橫搖運(yùn)動和縱搖運(yùn)動主要受波浪和風(fēng)的影響，海流不會對筒型基礎(chǔ)的運(yùn)動響應(yīng)幅度產(chǎn)生太大的影響，但能夠影響其運(yùn)動的均值。

④在實(shí)際進(jìn)行筒型基礎(chǔ)整機(jī)下沉工作時，應(yīng)盡量避免在橫浪的條件下進(jìn)行，在波高小于2 m的海況更為安全。