新型超大型浮式海上基地消浪室方案试验研究

寇雨丰，肖龙飞，刘建辉，杨立军

（1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451；3.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240）

新型超大型浮式海上基地消浪室方案试验研究

寇雨丰1，3，肖龙飞1，3，刘建辉2，杨立军1，3

（1.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津300451；3.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240）

新型超大型浮式海上基地（VLFOB）设计采用了由两层直立开孔式消浪墙组成的消浪室结构。根据内、外消浪墙开孔率的不同，提出6组消浪室方案。通过模型试验研究，对比分析不同消浪室方案下的消波效率和VLFOB水动力性能，结果表明：一般地，消浪室开孔率越小，消波效率越高，VLFOB的纵荡幅值和系泊力越大，单体间连接载荷相对较大；相同消浪室方案下，入射波能级提高使得消波效率降低；采用内外开孔率分别为0.16和0.24的消浪室方案，不仅消波效率较高，而且单体间的连接载荷也较小。

超大型浮式结构物；海上基地；消浪室；模型试验

0 引 言

我国南海深水海域资源丰富，但远离大陆，环境恶劣。研制新型深远海超大型浮式海上基地（VL-FOB），将有助于解决物资储存、后勤补给、工程船避风靠泊、人员设备安全保障等诸多困难。

在超大型浮式结构物（VLFS）的研究和设计中，消波结构因能降低VLFS的水弹性响应、提高VLFS的环境适应性而受到重视[1]。日本提出的箱型VLFS（Megafloat）在应用于环境较恶劣的海域时须设置消波堤[2]；新加坡JTC公司所提出的海上浮式储油设备方案周围也设置了浮式箱型消波堤[3]。这些消波结构都设置在VLFS的外围，起到降低透射波浪能量的作用。

新型VLFOB为环形结构，为了降低内部的波浪能量、实现供工程船避风靠泊的港湾功能，采用了安装于VLFOB上的特殊消浪室结构，其由两层环形直立开孔式消浪墙组成[4-6]。从Jarlan[7]于1961年创新性地提出了开孔沉箱式消浪墙，这类直立开孔式消浪结构被广泛研究。Wang[8]研究证实：固定的双层直立开孔板及其间水体能有效降低波浪的反射和透射，对于给定频率的入射波，通过调整板间距可同时有效降低反射和透射能量。汪宏等[9]研究认为固定的双层直立开孔板结构的透射系数与波陡、板间距、水深和开孔率有关，对于同一周期和波高，透射系数随着开孔率的增大而增大。朱大同[10]对影响双层开孔板沉箱防波堤的反射系数的诸多因子进行了研究，其中一个重要结论是前板开孔率小于后板时双层开孔板沉箱不能有效改善消波效果，其作用几乎与单层开孔板沉箱相同。对于柔性直立开孔板，其消波性能还与结构刚度有着重要关系[11]。基于防波堤刚性垂直薄壁、空间固定、有限水深的假定，程建生等[12]对圆弧型浮式多孔介质防波堤波浪绕射问题进行的解析研究表明：该防波堤的防浪效果与入射波波长、防波堤的垂向深度和孔隙率、掩护区域的位置密切相关；其中，孔隙率越大、防浪效果越差。Huang等[13]研究发现在浮式箱型消波堤的底部安装竖直开孔板能有效降低透射波浪的能量，对于长周期入射波更为显著。尽管在海岸工程领域有大量的应用和研究，但对于带有消浪功能的浮式海洋平台及VLFS却少有报道。

作为VLFOB的重要组成部分，消浪室结构不仅发挥消波作用以降低VLFOB内部水域波高，同时也会对VLFOB的运动和波浪载荷产生很大影响。针对消浪室的设计和选型问题，本文借鉴前述研究成果，设计提出采用不同开孔率组合的6组消浪室方案，通过水池模型试验，对比研究各组消浪室的消波性能，及其对VLFOB运动响应、系泊载荷和连接载荷的影响，并分析推荐目标消浪室方案。

1 消浪室方案

新型VLFOB是由8座相同的新型单体模块相互连接而形成的环形结构，外围直径达到400 m，型深为185 m，设计吃水为150 m，不仅能储存大量的物资、安置大量的人员，而且对恶劣环境具有较好的适应性，见图1。其单体模块由上、下水平箱体结构和立柱连接而成，立柱内、外侧分别设置内、外消浪墙，组成消浪室结构，以减小VLFOB内部水域波浪能级，为工程船在VLFOB内部的靠泊创造条件，见图2。

图1 新型超大型浮式海上基地Fig.1 New concept VLFOB

图2 单体模块Fig.2 Single module

对于开孔式消波结构，开孔率是影响其消波效率的一个重要因素。单体模块的内、外消浪墙均采用矩形开孔，开孔率μ的定义为：

其中：S1为无孔面积，S2为孔洞面积，如图3所示。

单体内消浪墙弧长135.52 m，外消浪墙弧长151.37 m，两者高度均为85 m，水中高度均为60 m，间距为24 m。设计了开孔率分别为0.24、0.20、0.16的3种内、外消浪墙，孔隙主要参数见表1，其中Lo为孔隙长度、Ho为孔隙高度、Ro为孔隙导角半径。根据外消浪墙的开孔率不小于内消浪墙的原则，可以组合成6组消浪室方案，内、外消浪墙开孔率分别为：（Ⅰ）0.16、0.16，（Ⅱ） 0.16、0.20，（Ⅲ） 0.16、0.24，（Ⅳ）0.20、0.20，（Ⅴ）0.20、0.24，（Ⅵ）0.24、0.24。

消浪室在发挥消波作用的同时，也会由于对波浪的阻挡而增大VLFOB的系泊载荷和连接载荷。因此需要在综合分析消波性能和VLFOB的各项载荷的基础上，选取最优的消浪室方案。

图3 开孔示意图Fig.3 Sketch of openings

表1 孔隙主要参数Tab.1 Parameters of different openings

表2 消浪室性能试验环境参数Tab.2 Environmental parameters for model test

2 消浪室方案性能试验

对消浪室性能进行数值计算难度较大，因此通过模型试验的方法对各消浪室方案进行性能研究。综合考虑各因素，试验采取缩尺比为：λ=80。不规则波试验分别在南海一年一遇波浪、百年一遇波浪的环境中进行，不规则波采用JONSWAP谱，参数见表2，其中Hs为有义波高、Tp为谱峰周期，γ为谱峰因子。

试验水深为5 m，采用水平系泊方式约束VLFOB模型，由4根水平柔软系泊缆（#1～#4）组成，如图4所示。图中，VLFOB的外侧A点和E点、内侧B点和D点布置浪高仪，测量相对波高及内外波高变化情况；中心处C点布置浪高仪，测量VLFOB内部水域波高。

在图4中坐标系第四象限内的模块间3个连接面，上、下箱体之间各安装2个三分力仪，共计12个三分力仪作为模块间固定连接器，并测量连接载荷。每个连接面上三分力的安装方法及方向定义见图5，其中Xf为水平剪切力，Yf为垂向剪切力，Zf为轴向连接力。VLFOB的其他连接面也采用固定连接。

图4 水平系泊系统和波高测量点Fig.4 Horizontal mooring system and locations of wave probes

图5 三分力安装及方向定义Fig.5 Arrangement and coordinates of dynamometers

对不同消浪室方案进行的性能试验工况见表3所示，共13个工况。其中，μi、μo分别为内、外消浪墙的开孔率。试验中，测量A～E点波高，VLFOB的运动响应、水平系泊力和连接力。

表3 消浪室方案性能试验工况Tab.3 Model test cases

3 试验结果与分析

3.1 固有周期和阻尼系数

选取方案（Ⅲ），在安装及不安装消浪室情况下，通过静水衰减试验，分析得到单体模块的垂荡、横摇和纵摇的固有周期T3、T4、T5，以及无因次阻尼系数C3、C4、C5，如表4所示。单体模块的坐标系定义如图6所示。通过对比发现：

表4 单体模块的固有周期和阻尼系数Tab.4 Natural periods and damping coefficients of the single module

图6 单体模块的坐标系Fig.6 Coordinates of single module

消浪室的有无对单体模块的垂荡周期和阻尼系数影响甚微；安装消浪室的单体模块的纵摇周期比不安装时增大了18.07 s，这说明附加惯性矩大大增加，纵摇阻尼系数由0.035显著增大到0.12，这导致单体模块纵摇衰减更快，见图7，其中，β表示纵摇，t表示时间；安装消浪室的单体模块的横摇周期和阻尼系数比不安装时略微增大。

消浪室的投影面积是影响结构物运动的重要因素。对于单体模块，消浪室在X方向投影最大，因此消浪室对单体模块的纵荡、纵摇运动影响较大。据此，对于VLFOB，消浪室的采用将增大其纵荡、横荡、纵摇、横摇运动模态的阻尼和附加质量，使得运动衰减加快、固有周期增大。

3.2 消波性能分析

为了更直观地反映VLFOB内部波高降低的情况，用消波效率来评价消浪室的消波性能。定义：

图7 静水中纵摇衰减曲线对比Fig.7 Comparison of pitch decay in clam water

其中：f为消波效率，H为无结构物影响的入射波有义波高，HC为VLFOB内部C点的有义波高。根据此定义，f越大，内部波高越小，消浪室的消波性能越好。

A～E点的有义波高（记为HA～HE）和消波效率见表5，其中有义波高为时域统计分析结果。可见：

（1）对于同一消浪室，随着有义波高及谱峰周期的增大，消波效率降低。

（2）对于一年一遇波浪，消浪室方案Ⅰ消波效率较好，方案Ⅱ、Ⅲ次之，方案V、VI较差；对于百年一遇波浪，消浪室方案Ⅰ消波效率较好，方案III次之，方案VI较差，如图7所示。综合考虑，消浪室方案Ⅰ和方案Ⅲ的消波效率较高。

（3）VLFOB内部B点和D点的波高基本一致，侧面E点的波高稍大于入射波。VLFOB前沿A点的波高明显大于入射波，这是因为波浪被VLFOB迎浪面消浪墙阻挡而爬高，当波浪较大时，甚至会出现甲板上浪的情况。这不仅起到破波作用，也会增大VLFOB的波浪载荷。

（4）在百年一遇波浪作用下，去掉VLFOB尾部两个单体上的消浪墙后，内部水域的有义波高由10.04 m下降到8.86 m，可见尾部消浪墙的反射对降低内部水域波高起到了消极作用。

表5 A～E点的有义波高及消波效率Tab.5 Significant wave height at points A～E and wave-breaking efficiency

对于方案Ⅲ，VLFOB内部C点的波浪的能量谱与入射波能量谱的对比如图8所示，其中，S表示能量谱密度，ω表示圆频率。可见：

VLFOB内部的波浪能量大大降低，特别是谱峰频率附近降低明显。对于一年一遇波浪，VLFOB内部波浪能量集中在0.40 rad/s至0.65 rad/s的频率范围内；对于百年一遇波浪，VLFOB内部波浪能量集中在0.30 rad/s至0.50 rad/s的频率范围内。

图8 不同消浪室方案消波效率比较Fig.8 Comparison of wave-breaking efficiency

3.3 运动响应、系泊载荷及连接载荷分析

VLFOB的纵荡响应最为显著，其他模态运动响应都较小。纵荡的最大幅值（以Xmax表示）如图10所示，最大水平系泊力（以Tmax表示）如图11所示，单体模块间12个连接器的水平剪切力、垂向剪切力和轴向连接力的最大值（分别以FXmax、FYmax和FZmax表示）如图12所示。可见：

图9 VLFOB内部波浪谱与入射波浪谱比较（左：一年一遇；右：百年一遇）Fig.9 Comparison of power spectrums between the incident wave and the wave inside VLFOB (Left:1-year wave,Right:100-year wave)

图10 纵荡最大值比较Fig.10 Comparison of maximum surge

图11 最大系泊力比较Fig.11 Comparison of maximum mooring force

图12 连接器各向最大受力比较（左：水平剪切力；中：垂向剪切力；右：轴向连接力）Fig.12 Comparison of maximum connecting loads(Left:horizontal shear force,Middle:vertical shear force, Right:axial tension)

（1）采用方案Ⅰ～Ⅳ时，VLFOB的纵荡较大，系泊力也较大。基本上，消浪室消波性能越强，VLFOB纵荡响应和系泊力就越大。对于方案Ⅰ和方案Ⅲ这两种消浪性能较好的消浪室，在一年一遇、百年一遇波浪下，采用后者时，VLFOB的纵荡最大幅值比采用前者时分别减小3.2 m、4.0 m，最大系泊力相差不大。

（2）连接器的三个分力中，以轴向连接力最大，水平剪切力次之，垂向剪切力最小。对于轴向连接力和水平剪切力，采用方案Ⅰ时最大、方案Ⅱ次之，其他方案相对较小；对于垂向剪切力，采用方案Ⅰ～Ⅳ时相对较大，其余两个方案相对较小。

（3）对于方案Ⅰ和方案Ⅲ这两种消浪性能较好的消浪室，在一年一遇波浪、百年一遇波浪下，采用后者时，VLFOB的连接器轴向力最大分别为107.49 kN、513.38 kN，比采用前者时分别少了90.36 kN、197.39 kN。可见，采用方案Ⅲ时，VLFOB的连接器轴向力明显小于采用方案Ⅰ。另外，采用方案Ⅲ时，VLFOB的连接器水平剪切力明显小于采用方案Ⅰ，但其连接器垂向剪切力与采用方案Ⅰ时相当。

4 结 语

（1）提出不同开孔率组合的消浪室方案，通过系列模型试验发现：基本上，开孔率越小，消波性能越好，VLFOB的纵荡响应和系泊力越大，单体模块间的连接载荷相对较大；随着入射波能级提高，消浪室的消波性能降低。

（2）采用内外开孔率分别为0.16和0.24的消浪室方案（即方案Ⅲ），不但具有较高的消波效率，入射波谱峰频率附近波浪能量明显降低，而且VLFOB的连接载荷也较小。

（3）采用消浪室时，VLFOB纵荡、横荡、纵摇、横摇运动模态的阻尼和附加质量增大，使得这几个运动模态衰减更快，固有周期更大。

（4）VLFOB消浪室迎浪面波浪爬高明显，容易产生甲板上浪；内侧水域波高基本一致。

在大型浮式结构物上采用直立开孔式消浪墙结构，国内外甚少见到有关文献报道。相关理论分析和数值计算方法，以及其他设计参数如高度、浸深、内外消浪墙间距等的影响，尚需进一步研究。

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Experimental research on the wave-breaking chambers of Very Large Floating Offshore Base

KOU Yu-feng1,3,XIAO Long-fei1,3,LIU Jian-hui2,YANG Li-jun1,3
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2.Designing Company of China Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China;3.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai 200240,China)

Wave-breaking chamber,composed of inner and outer wave-breakers which are vertical and porous plates,is applied in the design of Very Large Floating Offshore Base(VLFOB).By using different inner and outer opening ratios,six wave-breaking chambers are proposed.Through experimental studies,the wave-breaking efficiency and the hydrodynamic performance of the VLFOB are compared and analyzed. The results show that the wave-breaking efficiency will be higher by utilizing the chamber with lower opening ratio.At the same time,the surge motion,the mooring force and the connector load of the VLFOB will be larger.For the same chamber,the wave-breaking efficiency decreases with the increase of the incident wave energy.Among the six chambers,the best one is selected due to the relatively high wave-breaking efficiency and low connector loads.

Very Large Floating Structure(VLFS);offshore base;wave-breaking chamber;model test

P75

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.006

1007-7294（2016）07-0833-08

2015-12-06

国家高技术研究发展计划资助项目（2008AA09A107）；海洋工程国家重点实验室青年创新基金课题

寇雨丰（1986-），男，工程师，E-mail：Kouyufeng@sjtu.edu.cn；肖龙飞（1972-），男，研究员，博士生导师，E-mail：xiaolf@sjtu.edu.cn。