海底數據中心防沉板基礎設計研究

摘 要：本文分析了首個商業化海底數據中心示范項目的土壤性質，根據淤泥地質條件，通過調節限定尺寸質量下的裙擺高度，對防沉板基礎水平和垂直載荷進行穩定性設計、抗傾覆設計、裙擺穿透性檢查，使水平和垂直載荷的安全系數均達到要求且無冗余，同時滿足各項安全系數指標。設計分析表明，防沉板基礎能夠滿足軟黏土地質下海底數據中心的使用要求，不僅為海底數據中心的海洋基礎設計提供了參考，也為防沉板基礎在淺水軟黏土條件下的應用提供了示范。

關鍵詞：海底數據中心；防沉板基礎；淤泥；滑動穩定性

中圖分類號：P 75" 文獻標志碼：A

海洋結構和設備需要利用底部支撐結構來固定或固定滑動范圍，保證設備不會因垂直方向荷載及質量影響而下陷，不會因水平荷載而滑移。在海洋工程中，為海底生產設備服務的海洋基礎結構主要分為防沉板基礎、樁基礎以及吸力樁基礎3種。

防沉板屬于淺基礎，可以將載荷分布到海床上，減少結構沉降[1]。海底的水文和地質條件都會影響防沉板基礎設計，同時防沉板承載的海洋結構物或者設備設施、安裝方法選擇都會直接影響防沉板結構的尺寸確定。防沉板具有容易安裝且經濟性較好的特點，但容易受到水平載荷的影響，因此結合地質特點設計裙板來穿透海底，可以提供橫向抗剪強度并減少沖刷影響。通常在海洋工程領域遇到對穩定性要求較高的設施，且水深較淺、土體強度較差的情況下不推薦使用防沉板的這些基礎特質。海底數據中心除了對海洋基礎的穩定性有要求外，還要求安裝布放具有便捷性和可維護性。目前將海底數據中心示范項目建在50m以內的近海海域，海底為軟質淤泥。本文將對這種海域環境下的防沉板基礎設計進行研究。

1 海底數據中心示范項目設計基礎

1.1 地質特征

海底數據中心示范項目在海南省陵水清水灣海域。布放海域海底地貌屬于平滑海底，海床面標高約為-33m～-36m，海床較為平坦，海床自西北往東南緩緩降低，海床底質為淤泥底質。 本項目海底表層6～7m均為軟泥，然后是細沙，因此土壤的抗剪強度為關鍵參數。圖1為海洋地質勘測獲取的原狀土不排水抗剪強度數據。在后續設計分析中，參考原狀土不排水抗剪強度的建議值和最大值來進行穩定性設計及安全校核。

淤泥土性質見表1。

重新塑形后的土壤不排水強度見表2，用該土體強度計算防沉板基礎安裝的穿透性設計，重塑后的土體強度為2.5kPa～5kPa，數值與離海床的深度相關。

1.2 載荷數據

海底數據中心的防沉板基礎是重力式基礎，外部荷載與地基阻力的關系決定了基礎的穩定性。對防沉板的貫入檢查來說，外部載荷來源于海底數據中心結構基礎質量的水下質量，包括所有附屬物。對基礎的承載力、抗滑性、抗傾覆性和抗扭性的能力檢查來說，外部載荷為極端工況下海底數據中心的水平載荷。該項目防沉板的最大水平載荷為887kN，最大垂直載荷約為3000kN。

2 海底數據中心基礎設計

海底數據中心布放海域水深較淺，需要水下落底布放，且有快速部署的需求，同時對布放水平度和穩定性要求較高。海底數據中心需要具有可運維性，且在服務器服役期滿可出水更換，因此需要對海底基礎和數據艙進行分離設計，且可在水下組合安裝，選擇水平度較好，安裝簡單，可直接布放的永久性基礎結構防沉板基礎可以滿足以上設計。

從圖1的勘測數據可以看出，示范項目的海底屬于軟黏土中的淤泥地質，幾乎無法獲取0.5m以內的土體強度，因此勘測建議表層土體強度取0，這個地質條件不屬于通常認為的淺基礎的適用地質。因為吸力樁能夠在水平和垂直方向上提供合成載荷的能力，所以認為是適用于松軟地質的基礎，但其對安裝要求較高。在較軟的地質下，防沉板設計如果過大會影響安裝，因此需要縮小尺寸，并通過增加裙擺來提高穩定性。因此當設計防沉板時，要根據海底數據中心對安裝船舶的要求和數據艙模塊的質量和尺寸來設置防沉板基礎質量和尺寸的上限，設定上限：空氣中質量為500t，面積上限為400㎡，通過穩定性分析來確定裙擺高度，并合理設計質量和尺寸。

2.1 水平和垂直載荷的穩定性設計

在不排水條件下，基礎能夠支撐的最大垂直載荷的計算過程如公式（1）所示。

Q = F× [Suo×Nc + （k×B/4）] Kc×A （1）

式中：F為kB/Suo的函數給出的校正系數；k 為不排水抗剪強度隨深度增加的速率；Suo為土壤的不排水抗剪強度；Nc為無量綱常數，取5.14；B為最小有效側向基礎尺寸；A為基礎的有效面積，數值取決于荷載的偏心率；Kc為校正系數。

當防沉板基礎及其上部模塊的水下質量滿足防沉板基礎承載極限的安全系數時，就認為承載力設計是滿足要求的。根據規定，土壤極限承載力的安全系數為2.0。

在淺水和土體強度較差的環境不選用防沉板作為淺基礎的重要原因是其容易受到水平載荷的影響發生平移或滑動。因此在承載力設計滿足要求的情況下，最重要的是要進行滑動阻力檢查，檢查阻力是否能承受最大水平載荷。通過滑動阻力來確定裙擺高度范圍，裙板高度對防沉板基礎單向承載力影響較大[2]。

滑動阻力包括基礎底部不排水情況的摩擦阻力和被動土壓力，計算摩擦阻力如公式（2）所示。

Hd = Suo × A （2）

計算被動土壓力如公式（3）所示。

Pp = 1/2 × Gama ×H2 + 2Suo × H （3）

式中：Gama為有效土壤密度；H為裙邊高度。

從原狀土抗剪強度來看，表層土體強度過低，因此從1m的裙擺高度開始對水平載荷和垂直載荷進行計算分析。表3為水平和垂直載荷作用下不同裙擺高度要求的計算結果，在垂直載荷安全系數滿足要求2.0的情況下，如果地基上的最大水平荷載低于允許的摩擦力，那么斷定地基的抗滑能力符合相關規范。根據規定，水平載荷的安全系數為1.5。

由以上分析可以看出，1.4m的裙擺水平安全系數為1.61，垂直安全系數為2.5，均可滿足規范對垂直和橫向阻力的要求。同時不存在安全系數過多冗余的情況，因此設定的尺寸和質量是合理的。基于以上數據，再對1.4m裙擺進行抗傾覆和滲透分析檢查。

2.2 抗傾覆性設計檢查

海底數據中心的上部模塊為圓形艙體，通過鞍座將上部模塊放在防沉板基礎的中心位置。防沉板基礎在水下是全部貫入泥土的狀態，作用在上部模塊的水平力產生傾覆力矩，作用在防沉板基礎上的垂直載荷提供保持力矩。將防沉板設計為矩形基礎，傾覆可以發生在矩形基礎的縱向邊緣或橫向邊緣。因此，用公式（4）計算淺層地基的一個邊緣的傾覆能力。

Mrs =Fs × Drs （4）

式中：Fs為垂直力；Drs為Fs 中心到基礎邊緣的距離，即垂直力的臂。

針對本次海底數據中心防沉板基礎的各項力檢查的示意圖如圖2所示。作用在上部模塊上的水平力Fh將產生一個傾覆力矩（Mov），保持力矩應比傾覆力矩大1.5倍。

該項目傾覆的安全系數：Fsov=Mov/Mrs=12＞1.5，抗傾覆設計滿足要求。

2.3 裙板穿透性設計

本文的穩定性設計均基于數據中心的防沉板裙板能夠穿透到海底的土壤中，因此良好貫入才能使防沉板基礎有效。防沉板基礎的裙部穿透阻力包括側摩擦力和裙板的末端承載阻力。如果計算阻力小于來自防沉板基礎的總垂直荷載和地基上設施的有效質量，就認為防沉板裙板會被穿透至設計深度，滿足設計要求。如果穿透阻力過大，那么防沉板基礎有不能完全貫入的風險，會導致基于貫入良好所做的穩定性分析無效。

利用公式（5）計算裙板的抗穿透性。

Qd = Qf + Qtip = f ·Asjde + q·Atip （5）

式中：Qd為穿透的阻力；Qf為軸的摩擦阻力；Qtip為總阻力和承載阻力；f為單位軸的摩擦力；Asjde為嵌入特定穿透深度的裙邊或桶的側表面積（包括兩邊）；q為裙邊或斗尖上的單位端部壓力，Atip為裙尖的端部面積。

示范項目的防沉板獨立安裝：在防沉板布放完好后再放上部模塊。防沉板裙擺的穿透性設計需要檢查安裝過程中的土壤阻力是否小于防沉板質量，以保證基礎正常安裝。土壤阻力包括裙邊頂端的承載阻力和側表面的摩擦力。關鍵土壤參數土體強度應考慮圖1勘測數據的最大值和表2重塑土的不排水抗剪強度。

表4是防沉板基礎基于原狀土剪切強度勘測最大值進行的滲透檢查，表5是基于表2重塑后的不排水抗剪強度進行的穿透檢查。從兩個表格中可以看到，該防沉板裙板為1.4m，土壤強度上限和下限的滲透系數分別是6.0和10.0。兩者都大于要求的2.0。防沉板裙擺的穿透力沒有問題。

2.4 防沉板基礎設計示例

防沉板除了主體結構，還包括陽極和配重。在設計質量滿足要求的前提下，要盡可能增加配重比例來降低成本。圖3為海底數據中心防沉板設計示例圖，通過導向柱將上部數據艙模塊布放在防沉板基礎上中心位置。導向柱設計要考慮長短區分，保證上部模塊水下安裝時有較好的導向作用。防沉板設計在生命周期內不需要考慮出水，吊耳設計可以不用考慮帶上部模塊的整體吊裝需求。裙帶貫入泥底會增加其水平抗剪切能力，以此防止沖刷。防沉板表面的開孔設計可以保證水的自由流動并減輕質量，同時調節防沉板的各向極限承載力[3]。在防沉板框架形成的方框內可貫入配重來調節質量，以此保證防沉板設計的空氣質量和水下質量均滿足設計要求。

當防沉板設計通過調節裙擺高度、質量、面積等仍然無法平衡上述各項穩定性安全系數時，還可以通過增加其他基礎特征或者復合基礎設計來增加或調節防沉板基礎的各項穩定性。例如防沉板基礎復合圓形沉箱可通過增加局部貫入深度來提高抗滑移能力和承載能力。防沉板基礎嵌入樁腿設計，可以通過樁腿延伸到到土體強度較好的土壤，提高抗滑移能力的同時，也不減少貫入安全系數。防沉板基礎復合吸力樁基礎可大大減少對承載面積的需求，同時有效調節各向安全系數。因此，通過調整局部設計或者結合不同基礎的特點進行設計調節可以有效解決設計問題，滿足穩定性及安全性設計要求。

2.5 結果與分析

該項目的地質勘測數據土體強度差，水深較淺，不適合選用防沉板作為海洋基礎。因此本文根據地質勘測的抗剪強度，分析了在該環境下防沉板基礎最敏感的滑動阻力，在極端工況下，滑動阻力的安全系數高于規定的安全系數。需要根據滑動阻力的分析結果確定防沉板裙高，并檢查防沉板基礎的抗傾覆性和穿透能力。以上結果均滿足安全系數要求。結果表明，在50m以內的淺水海域下，即使是土體強度較差的情況，只要設計合理也可以滿足各項安全系數要求，可以使用防沉板淺基礎。示范項目在實際應用中對不同的安全系數進行了對比應用，后續的使用情況可以提供更多參考數據。該項目設計屬于防沉板基礎應用，也為后續海底數據中心海洋基礎設計提供了基礎。

3 結論

海蘭云海底數據中心示范項目是在水深約為30m、表層幾乎沒有土體強度的軟泥地質布放海底數據中心的項目。防沉板基礎雖然對剪切力敏感，但是當它承載的裝置可能承受的最大水平荷載和滑動阻力設計安全系數大于規定的安全系數 1.5 時，就認為設計是可行的。研究主要對滑動阻力、抗傾覆性、裙擺的穿透性進行設計分析，當對防沉板基礎做實際設計檢查時，除了以上方面，還需要對地基的沉降、抗扭性、地震載荷等進行檢查。每種基礎的適用性都不會限定在固定的地質、水深及水文環境。海底數據中心示范項目的海洋基礎設計選用不僅可以為近海海洋結構基礎設計提供參考，還可以為海底數據中心海洋基礎設計及進一步發展提供基礎。

參考文獻

[1]譚越，劉明.水下生產系統防沉板基礎分析[J].船海工程，2012，41（4）：133-135，141.

[2]劉孟孟. 水下生產系統防沉板基礎多維受荷承載特性研究[D].天津：天津大學，2018.

[3]吳姝娜. 海底有孔方形防沉板在黏性土中的承載特性研究[D].杭州：浙江大學，2019.