干舷高度影响筒型基础平台拖航试验研究

丁红岩 ， 刘宪庆 ， 刁景华

（1天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 200072；2天津大学建筑工程学院，天津 300072；3滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室（天津大学），天津 300072；4海军工程大学（天津校区），天津 300450）

1 引 言

目前，在海洋油气开发的过程中，开发的主体设备是海洋平台和浮式采油结构物。筒型基础是一种新型的采油平台基础形式，该结构是一种上端封闭、下端开口的筒形结构[1]。该结构的优势主要体现在灵活的安装运输形式和可重复利用性。相对于传统的导管架桩基础形式，在浅海区水深不足，大型施工机械无法通过运输船进入施工海域时，筒型基础可以在场地组装，待其下水后，对其充气，依靠其浮力，用拖轮将其拖到指定的施工地点，通过放气自沉完成沉放施工[2]；其可重复利用性大大降低了工程成本，特别适合于我国渤海及北部湾海域边际油田的开发。在筒型基础拖航入海的过程中，筒型基础的气浮稳性是平台运动过程中必须要考虑的首要因素。拖点位置、重心高度、浮心高度都是影响结构稳性的主要因子。

现在，国内外对气浮结构研究比较少，已有研究主要针对结构的静稳性的分析[3-5]，对于筒型基础在波浪作用下的运动以及拖航研究非常少，对干舷高度的选择还缺乏试验依据，高的干舷使结构中心位置升高，降低结构的初稳性，低的干舷，将导致结构的抗浪性能和抗沉性能不足，并且导致结构拖航阻力的增大，所以对结构干舷高度的选取是拖航中必须要考虑的一个重要因素[6]。本文通过模型试验分析结构的方法，通过在结构上设置压力、拉力和加速度传感器采集数据，分析筒型基础不同干舷高度对结构整体性能的影响[7]。

2 试验部分

本次试验以吸力锚抢修平台为原型，采用1:20比例模型（原型平台筒直径6.0 m、筒高7.0 m、平台整体高度22 m）。模型为钢质结构。试验模型按重力和惯性力傅汝德相似定律进行相似比尺设计，为使平台模型的重量分布与平台原型相应地缩小，试验模型与原型满足总重量、重心位置以及惯性矩相似。根据平台的重量分布，模型配有一定重量的压载以模拟平台上的设备重量。表1和表2分别表示模型主要尺寸和平台结构的浮稳性参数，图1为试验的模型图，图2为模型入水图。

图1 1:20模型Fig.1 Model 1:20

图2 拖航模型入水Fig.2 Model of towing in water

2.1 试验模型相似律

模型试验中采用的相似理论公式[8]如下:

式中:l、b和h分别为模型或原型的长、宽和高，下标m和p分别表示模型和原型。

表1 筒型基础平台结构参数Tab.1 Parameters of bucket foundation platform

2.2 试验场地及仪器设备

（1）试验在中交天津港湾工程研究院的水槽内进行，水槽长98 m，宽4 m，高2 m。水池尺寸以及平台结构的布置满足《波浪模型试验规程》[9]，试验水池设有造波机，可以制造出规则波浪和随机波浪。

（2）拖航设备:拖车，可以控制拖航速度以及拖航距离；拖缆一端系于筒体上，另一端通过固定于拖车上的距水面10 cm高的定滑轮与拉力传感器相连，拖缆采用钢缆。

（3）测量设备:包括水压力传感器，气压力传感器、水压力传感器、拉力传感器、加速度传感器、摄像系统、波浪率定系统、水温计、以及相应的信号放大器和计算机信息采集系统。

表2 原型结构浮稳性参数Tab.2 Parameters of prototype floating stability

2.3 传感器布置

在试验中，采用拉力、压力（包括气压力和水压力传感器）和加速度传感器，拉力传感器固定于拖车上，拖缆经过滑轮将结构模型与拉力传感器连接；气压力传感器布置在筒内顶部，水压力传感器布置于筒底，加速度传感器固定于平台顶部中间位置。传感器布置如图3所示，筒体编号见图4。

图3 结构立面及传感器布置图Fig.3 Vertical structure and layout of sensors

图4 筒体编号图Fig.4 Number of cylinders

2.4 测试组合布置方案

为了只考虑干舷高度影响对拖航的影响，所以在保证拖航速度、波浪条件和拖点位置一致的条件下，取只改变干舷高度单一因素的组合方案。参照渤海水域的波浪资料设波浪参数为:波高1.0 m，周期6 s的规则波，模型试验取波高为5 cm,周期为1.34 s的规则波。拖航速度为2 Kn，体现在模型上为24 cm/s，1、3筒在前为系缆筒，2、4筒在后为非系缆筒，水深为10 m，体现在模型上为50 cm。

由于模型的入水后的自然干舷为8.0 cm，取模型拖航的干舷高度分别为7.5 cm，5 cm和2.5 cm，对应于原型的干舷高度为1.5 m，1 m和0.5 m，平台的初始倾斜角度为0°，具体的拖航组合见表3。

表3 顺浪/逆浪模型拖航组合表Tab.3 Combinations of towing in following and head waves

3 测试结果分析

3.1 顺浪拖航

此次试验采用计算机信息采集系统采集数据，实验数据采用ORIGIN低通滤波处理，为了比较好地分析干舷高度的影响，取拖航稳定阶段的测量参数曲线。图5～6为顺浪拖航情况下干舷高度变化时，拖航方向加速度和拖缆力的时程变化曲线，表现为脉冲变化；图7为顺浪拖航下各测试参数1/3实测峰值随干舷变化曲线。

图5 顺浪拖缆力时程变化曲线Fig.5 Time curve of tension in following wave

图6 顺浪加速度时程变化曲线Fig.6 Time curve of acceleration in following wave

图7 顺浪0.5-1.5 m干舷高度测试参数变化曲线Fig.7 Curves of test index with freeboard 0.5-1.5 m in following wave

在顺浪拖航过程中，由图7（a）可以看出，拖航过程中加速度的变化可以分为两个阶段:由于原型结构拖航的系缆点在距筒顶0.8 m处，第一阶段为干舷高度（0.5～1.0 m）低于系缆点，可称之为后倾拖航；第二阶段为干舷高度（1.0～1.5 m）高于系缆点的位置，可称之为前倾拖航。

在后倾拖航阶段，在三个方向上的加速度呈增加趋势，增幅分别为66%、106%和76%，并且在X方向（纵荡）和Z方向（垂荡）的加速度明显大于Y方向（横荡）上的幅值，并且都在干舷高度为1.0 m处取得幅值；在前倾拖航阶段，随着干舷升高，三个方向上加速度呈线性递减的趋势，在Z方向有最大降幅为43%；从图7（b）和（c）可以看出，在后倾拖航阶段，系缆筒即1#和3#筒的气压幅值明显小于2#和4#筒的幅值，也间接地证明了在干舷低于系缆点时为后倾拖航，气压力变化幅值最大发生在4#筒，增加了2.7 kPa，在前倾拖航阶段，筒内气压变化剧烈，最大的气压变化也是发生在4#筒内，最大变化幅值为3.6 kPa，无论是前倾还是后倾拖航，筒底水压的变化都是随着干舷的增加而递减的，并且系缆筒的幅值也是小于非系缆筒的幅值。

从图9可以看出，拖缆力在顶浪拖航的过程中，拖缆力呈现脉冲变化，这是因为，在拖车速度恒定且不大的情况下，开始结构速度小于拖车，当拖缆被拉直时结构受到拖缆拉力，瞬时值将比较大，这样结构会有一个较大的瞬时加速度，结构速度将超过拖车速度，拖缆恢复到松弛状态，没有拉力，而且由于阻力作用结构此后将减速，当速度减到小于拖车速度后，拖缆又被拉直，进而又对结构作用一个瞬时力，所以结构将以脉冲形式作用的；从图7（c）可以看出，拖缆力随着干舷高度从0.5～1.5 m变化，也呈现和加速度相同的变化趋势，后倾拖航的拖缆力明显大于前倾拖航的拖缆力，这与实际情况是相符合的。

3.2 逆浪拖航

图8～10为逆浪拖航情况下干舷高度变化时，拖航方向加速度和拖缆力的时程变化曲线。

图8 逆浪拖缆力时程变化曲线Fig.8 Time curve of tension in head wave

图9 逆浪加速度时程变化曲线Fig.9 Time curve of acceleration in head wave

图10 逆浪0.5-1.5 m干舷高度测试参数变化曲线Fig.10 Curves of test index with freeboard 0.5-1.5 m in head wave

相比于顺浪拖航，逆浪拖航的气压/水压和加速度变化明显地相对稳定，这说明逆浪状态下拖航波浪能够平稳地作用在结构上。从图10（a）可以看出，在逆浪拖航过程中，后倾拖航阶段，在X方向上和Y方向上的加速度变化呈增大趋势，两者的升幅分别为28%和16%，干舷的增加对横荡方向的影响较小；在前倾拖航阶段，X方向变化幅度很平缓，而Y方向变化幅度横荡明显，降幅为3%，而在干舷高度从0.5 m增加到1.5 m的过程中，垂荡方向加速度保持稳定状态，受到干舷的变化影响不大，还可以得到，在横荡方向上的加速度幅值明显大于其余两个方向上的幅值，说明在拖航中，筒在Y方向上的漂移明显。从图10（b）和（c）可以看出，在后倾逆浪拖航中，筒内气压力和筒底水压力的变化明显地小于前倾拖航的变化，这与顺浪拖航的结果是相同的；从图12可以看出，逆浪拖航过程中，拖缆力变化为三角函数分布，表明在拖航中，拖缆一直处于被拉直状态，随着波浪的变化而变化，而不同于顺浪拖航的脉冲式变化；从图10（d）的逆浪拖缆力的变化可以看出，随着干舷高度从0.5～1.5 m变化，后倾拖航时随着干舷增大拖缆力降低，前倾拖航时随着干舷增大而增加，这是因为逆浪后倾拖航中，干舷越低，吃水越大，迎浪面积小；在前倾拖航中，干舷越高，迎浪面积越大，所以拖缆力成增大趋势。

3.3 顺浪拖航与逆浪拖航比较分析

对比分析顺浪拖航和逆浪拖航两种情况，干舷高度和系缆点的位置的关系影响对拖航的影响是必须重视的。

干舷高度低于系缆点时，对加速度而言，随着干舷的增加，三个方向加速度呈增加趋势，X方向最大增幅为66%，Y方向加速度最大增幅为106%，Z方向加速度幅值可增加76%，三个方向的最大增幅都发生在顺浪拖航阶段；对于拖缆力而言，顺浪拖航中，拖缆力是随着干舷增加而增加的，逆浪拖航时，拖缆力是随着干舷的增加而减小的，这是因为顺浪中，后倾拖航使得受波面积增加，逆浪时，后倾拖航使得受波面积降低。

干舷高度高于系缆点时，对加速度而言，随着干舷的增大，都呈下降的趋势变化，X方向、Y方向和Z方向的最大降幅分别为34%、37%和37%，且都发生在顺浪拖航阶段；对于拖缆力而言，顺浪拖航随着干舷的增加拖缆力增加，逆浪拖航随着干舷的增加拖缆力降低，这是因为顺浪中，前倾拖航使得受波面积减小，波浪力降低，逆浪时，前倾拖航使得受波面积降低。

4 结 论

本文通过模型试验对顺浪、逆浪时筒型基础随着干舷高度变化的各个测量参数进行了分析，得到如下结论:

（1）在波浪不大，航速稳定，干舷高度不小于0.5 m的情况下，结构在拖航过程中不发生漏气和倾倒现象，说明拖航是安全的，结构能够满足拖航要求；

（2）干舷高度的选择受到系缆点位置、筒内气塞高度和水塞高度的影响，在干舷高度高于系缆点位置的前提下，干舷高度不能大于平台的自然入水干舷高度，考虑必须有一定的水塞高度，对于该平台取干舷为1.0 m进行拖航；

（3）无论是顺浪拖航还是逆浪拖航，后倾拖航的稳定性和耐波性明显优于前倾拖航，在后倾拖航中水压力和气压力的变化幅度都是较小的，在前倾拖航中水压力和气压力变化幅度较大；

（4）拖缆力在顺浪和逆浪拖航中由于波浪作用方式的改变，呈现不同的时程变化趋势，顺浪拖航为脉冲变化，逆浪拖航为三角函数形式变化。

[1]丁红岩,刘振勇,陈 兴.吸力锚土塞在粉质粘土中形成的模型试验研究[J].岩土工程学报,2001,23(4):441-444.

[2]丁红岩,刘建辉,张浦阳,等.筒型基础平台模型拖航试验研究报告[R].天津:天津大学,2006:101-130.

[3]别社安,时忠民,王翎羽.气浮结构的静浮态分析[J].中国港湾建设,2000(6):18-23.

[4]别社安,时忠民,王翎羽.气浮结构的小倾角浮稳性分析[J].中国港湾建设,2001(1):31-35.

[5]别社安,时忠民,王翎羽.气浮结构的运动特性研究[J].中国港湾建设,2001(2):18-21.

[6]盛振邦.船舶静力学[M].上海:上海交通大学出版社,1992.

[7]Hua Jianbo.Assessment of the course-keeping ability of a fast ship in following waves[J].Journal of Ship Mechanics,2004,8(6):1-12.

[8]李忠献.工程结构试验理论与技术[M].天津:天津大学出版社,2004.

[9]中华人民共和国交通部.JTJ/T 234-2001波浪模型试验规程[S].北京:人民交通出版社,2002.