近島礁非均勻波浪下超大型浮體系泊試驗

丁愛兵， 汪學鋒， 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

隨著全球經濟的發展和陸地資源的日益緊張，人類越來越注重開發和利用海洋空間和資源，超大型浮體正是人們開發利用海洋的一項重要裝備［1］。超大型浮體由若干個浮體模塊化連接構成，整體平臺尺度往往以km計，其通常布置在沿海島嶼附近或遠海海島瀉湖內，帶有永久或半永久性，具有綜合性、多用途的功能。

上世紀末以來，國內外針對超大型浮體相繼開展了一系列相關技術研究［2］，提出了幾種概念設計方案，也形成了針對復雜海洋環境中浮體水動力響應分析的部分理論方法［3］，但在水池模型試驗研究方面尚存在相當的不足［4］。系泊系統作為保證超大型浮體安全定位的一項關鍵技術，其設計［5］、數值分析［6-7］和水池試驗［8］研究也與常規的海洋平臺有很大的差別。針對超大型浮體開展水池模型試驗研究不僅需要考慮比常規海洋平臺更復雜的多模塊連接［9］、復雜的系泊系統模擬［10］，同時還需要考慮由于浮體大尺寸所帶來的復雜的海洋環境［11］和海底地形［12］的模擬等難點問題。

本文以由8個半潛式平臺模塊組成的超大型浮體為研究對象開展水池模型試驗研究，通過對超大型浮體及其系泊系統、浮體遭遇的風浪海洋環境、浮體布置位置海底地形條件的模擬，重點分析超大型浮體在非均勻波浪環境下不同模塊的運動響應和系泊受力情況［13］，驗證復雜環境條件對超大型浮體安全性和可靠性影響。同時為后續超大型浮體系泊性能評估和優化以及相關數值計算方法的驗證提供試驗數據支撐。

1 試驗概述

本次試驗研究對象超大型浮體由8個半潛式單體平臺模塊串聯構成，每個單模塊由上部甲板、中間立柱與5個下部浮箱組成。超大型浮體的部署地點考慮為由環礁包圍的水深為50 m左右的瀉湖內，由于靠近島礁且超大型浮體尺寸較大，其系泊性能的研究必須考慮海底地形以及非均勻波浪條件的影響。

1.1 相似原理

海洋平臺在波浪中模型和實體兩個系統需要滿足3個相似條件：幾何相似、運動相似和動力相似［14］。在模型試驗中通常忽略或放棄黏性的影響，保持弗勞德數和斯特羅哈數相等，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。綜合考慮超大型浮體及其系泊系統尺寸和水池的試驗能力，本次試驗模型縮尺比選為1∶100。

1.2 試驗布置及坐標系

圖1所示為整個試驗的水池布置方案，包括水池造波系統、島礁模型、超大型浮體模型、地形模擬裝置等組成。其中地形模擬裝置用于模擬平臺所處的邊水深海底地形條件；島礁模型用于模擬產生平臺遭遇的非均勻波浪條件，W1～W13為布置在水池中不同位置的浪高儀，用于測量平臺不同模塊的遭遇波浪條件。

試驗中采用大地坐標系XEOYE和浮體坐標系XFOYF兩個坐標系，風浪方向在大地坐標系中沿Y軸負向。超大型浮體從左到右依次為1～8號模塊，浮體坐標系原點定義在4、5號模塊中心連線的中點。8模塊超大型浮體的每個單體模塊可視為一個剛體，每個單體模塊在任意時刻的復雜運動可以分解為6個自由度運動，即3個線運動（縱蕩、橫蕩、垂蕩）與3個角運動（橫搖、縱搖、艏搖）。試驗中采用由模型初始靜平衡位置決定的旋轉大地坐標系來描述超大型浮體的6自由度運動，即：艏向為縱蕩正方向，左舷為橫蕩正方向，向上為垂蕩正方向，右舷向下為橫搖正方向，艏部向下為縱搖正方向，艏部向左舷為艏搖正方向。

2 試驗模型

為了精確模擬超大型浮體所處的環境條件，試驗除了需要加工制作8個單模塊平臺模型、連接器模型、系泊系統模型外，還需要模擬海底地形條件以及風浪流環境條件。

2.1 單模塊平臺模型

超大型浮體單體模塊由上部甲板平臺、立柱與下部浮箱組成，圖2所示為其俯視圖和側視圖。單模塊平臺模型詳細參數如表1所示，試驗中嚴格按照選定的縮尺比加工模型，調節重量重心位置、慣性半徑。單體模塊模型總長、總寬的幾何尺寸誤差不超過其數值的千分之一，模型的重量、重心位置的誤差不超過目標值的3%，慣性半徑誤差不超過目標值的5%。

表1 單模塊平臺主要參數

2.2 連接器模型

相鄰單模塊模型之間在上部甲板平臺間通過左右對稱的2個連接器相連，連接器釋放了兩模塊間的相對縱搖，限制了其他5個自由度模塊間的相對運動。連接器安裝如圖3所示，中心距平臺中縱剖面0.29 m，連接器模型長度為60 mm，寬度40 mm，高度40 mm，連接器中心距平臺上下甲板為30 mm。

2.3 地形模擬

超大型浮體布置處水深為50 m，但由于靠近島礁，浮體系泊系統的布放點水深變化較大，系泊系統參數設計以及性能分析均需要考慮地形條件的影響。在本次模型試驗中，將對海底地形地貌進行簡化處理，如圖4所示，將海底地形簡化為不同斜率的二維斜坡處理。

試驗中，對海底地形的模擬將在原水池假底的基礎上，安裝地形模擬裝置模擬不同斜率的斜坡地形條件，如圖5所示。

2.4 島礁模型

試驗中在來浪方向放置一島礁模型，干擾波浪的傳播方向和波高，以模擬實際環境中的沿超大型浮體長度方向上的波浪非均勻性。如圖6所示，將島礁簡化為5層階梯式模型，島礁模型沿長軸方向長度約為15 m，沿短軸方向寬度約為7 m，高度約為0.7 m，島礁模型每層的形狀為不規則橢圓型。試驗時，島礁模型距離8模塊超大型浮體約為12.5 m，短軸與波浪傳播方向平行。

2.5 系泊模型

本次試驗中，8模塊超大型浮體使用的是張力腿懸鏈線復合系泊系統［15］，如圖7所示。在單體模塊的5個下浮箱兩側中心位置各設置1個導纜孔，每個導纜孔上連接一根錨鏈。每個單體模塊上連接10根錨鏈，其中懸鏈線式錨鏈6根，張力腿式錨鏈4根。

試驗中所有張力腿式錨鏈的水中質量、剛度等屬性參數均相同，懸鏈線錨鏈按照水中重量、剛度屬性不同分為兩類，I類是1和8號模塊上的1、3、5、6、8、10、71、74、75、76、78、80這12根錨鏈，II類包括2～7號模塊上對應的36根懸鏈線錨鏈，各種錨鏈主要參數的實際值和模型值見表2。由于試驗布置超大型浮體的x軸與大地坐標系xF軸有10°夾角（見圖1），因此80根錨鏈的長度根據錨點位置和水深的不同也略有差別。

表2 錨鏈屬性

3 海洋環境條件模擬

3.1 初始波浪校核

本次試驗不考慮風和流的影響，主要針對非均勻波浪條件下的系泊性能展開研究。試驗中不規則波浪的模擬采用Jonswap譜，gamma值取2.0［16］，首先對沒有島礁模型和地形模擬裝置下的初始波浪進行校核，主要模擬的初始波浪條件如表3所示。

表3 初始波浪條件下不規則波參數

3.2 非均勻波浪模擬

試驗中的非均勻波浪由初始不規則波通過島礁模型繞射生成。通過在超大型浮體每個模塊前布置浪高儀陣列（圖1中W4～W11）可以測得每個模塊的遭遇波浪，圖8分別給出了初始波浪為表3中1～4情況下超大型浮體各模塊遭遇波浪的有義波高對比情況。由圖中可以看出，兩端模塊1和8因為不在島礁遮蔽范圍內，所以波浪幾乎沒有能量損失，其有義波高比較接近初始值，中間幾個模塊特別是4號模塊由于正對島礁，遭遇波浪的有義波高明顯低于兩側，波浪能量損失較為嚴重。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗內容

試驗中首先需要對超大型浮體8個模塊分別進行質量、重心位置及慣量調節，之后在水中組裝成完整的超大型浮體。試驗內容主要包括浮體水平剛度測試和波浪作用下系泊性能試驗。由圖8的波浪非均勻情況可以看出，在試驗的4種波浪條件下，1號和4號模塊的遭遇波浪相差較大，因此波浪試驗中除了測量各錨鏈的系泊受力情況外，重點測量模塊1、4的6自由度運動。圖9顯示了8模塊超大型浮體風浪試驗的布置情況。

4.2 試驗結果分析

本試驗主要研究非均勻波浪環境條件下浮體系泊性能，對超大型浮體水平剛度和不規則波下的運動響應和系泊力等數據進行了處理分析。

4.2.1 水平剛度測試

對8模塊超大型浮體系泊系統進行水平剛度試驗，測量得到的系統水平剛度曲線，并與設計的系泊系統用數值計算結果進行對比。如圖10所示為系統在來浪方向上的水平剛度，紅點代表的試驗測量值與藍線代表的理論計算結果較為接近，表明系泊系統的模擬符合設計要求。

4.2.2 系泊受力分析

表4給出了不同波浪條件下錨鏈最大受力情況，通過對比分析發現：

表4 最大系泊受力情況

（1）總體而言，錨鏈所受的拉力隨著波浪的增大而增大，且在相同工況下張力腿錨鏈的受力大于懸鏈線錨鏈的受力。

（2）在波高為8 m時，錨鏈受力出現最大值。其中：張力腿錨鏈的最大值出現在模塊8第79號錨鏈上，系泊力129 082 kN，為設計破斷強度的89.5%；懸鏈線錨鏈的最大值出現在模塊1的第6號錨鏈上，系泊力25 536 kN，為設計破斷強度的19.1%。

（3）幾種不同的波浪條件下，系泊系統受力最大的錨鏈均出現在模塊1和模塊8兩側模塊上，一方面由于非均勻波浪影響，兩側模塊遭遇波浪相對較大；另一方面中間模塊受到連接器作用力，系泊受力相對較小［17］。

4.2.3 運動響應分析

表5給出了不同波浪條件下8模塊超大型浮體模塊1和模塊4測得的6自由度運動統計數據（｜A｜max、｜A｜mean、｜A｜std分別代表6自由度運動各自的最大值、均值和標準差）。

表5 不同波浪條件下模塊1和4測得6自由度運動統計值

由表5可見：

（1）隨著風浪的增大，模塊1和模塊4 6自由度運動的均值和幅值總體上是增大的，標準差也明顯增大，這說明這兩個模塊的運動幅度隨風浪增加而增加。

（2）由于受到非均勻波浪的影響，模塊1和模塊4的橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖運動的均值和極值有明顯的差別，特別是風浪較大的情況下，模塊1的運動幅值明顯大于模塊4的運動幅值。

（3）平臺的縱蕩、艏搖運動相對較小，這主要與連接器的設計形式有關。

5 結 語

本文主要開展了8模塊超大型浮體在非均勻波浪作用下的系泊系統模型試驗研究，通過對試驗數據的分析處理，一方面發現不同模塊系泊系統的受力情況和運動響受非均勻波浪的影響較大；同時還對系泊系統的安全性進行了分析，所設計的系泊系統在有義波高5 m以下的波浪作用下安全性較高，但波高8 m的情況下安全系數相對較低，需要進一步進行錨鏈優化。