半潜式坐底安装平台在海上风电施工适应性研究

邱 松，张 洁，王 菁

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

引 言

目前在近海和潮间带施工的安装设备主要以自升船为主，数量远不能满足日益扩大的海上风电安装市场[1-2]。此外，自升式安装船造价昂贵，建造周期长，短期内难以大规模增加。

为解决自升式安装船数量不足的问题，近年来在一些海上风电工程中，采用了船舶坐底施工的方式进行风机安装，通过控制压载舱内外海水的进出使船舶实现下潜坐底和上浮，取得了良好的效果。然而坐底安装施工时，由于船体改变了周围水流流速、流态，造成一定程度的冲刷，当引起船底泥沙掏空时，会引起结构应力改变，存在舯拱破坏风险[3]，在江苏某海域已有过坐底船舯拱断裂的先例。此外，船舶或平台自身还需考虑抗倾、抗滑的安全性、坐底时的地基承载力、上浮时的地基吸附力、工作水深等[4-5]，故本文基于中交三航局的“三航工 5”半潜式坐底安装平台，对其在海上风电安装工程中的施工适应性进行了分析，为类似工平台施工提供参考。

1 工程概况

江苏某海上风电场项目位于江苏省如东县近海海域，该风场位于洋口港海上风电场北区，风电场中心位置离岸约25 km，根据项目要求，拟在该场区进行风机安装作业。场区海底高程在-3.7～-15.3 m，水深0～18 m，局部海床起伏较大，倾角超过1°。海底表面土为粉砂，灰色，松散为主，局部稍密，饱和，含少量贝壳碎屑，局部层间夹有粉质粘土，主要分布于场区西侧。

从距离风电场最近的如东气象站的风速年内变化来看，3月、4月为大风月，月平均风速约为3.9 m/s；秋季风速较小，10月为小风月，月平均风速约为3.0 m/s。

根据工程场区东北方向约28 km的专用波浪站为期1年的实测波浪资料进行统计分析。该站全年有效波高平均值为0.56 m，全年波高最大值为3.89 m。

风场属于正规半日潮流性质，大潮时可达1.1 m/s平均流速，最大流速为1.6 m/s，夏季可能达到的表层最大流速为2.1 m/s，而且潮流运动形式以往复流为主。场区水深受潮汐影响变化较大，日低、高潮间水位差约 5 m，平均高潮位2.59 m。实测最大潮差为8.08 m，出现在8月份，最小潮差 1.79 m，出现在 3月份，平均潮差为4.61 m。

2 船体适应性

2.1 计算工况

平台坐底问题，由众多控制参数（装载量、水文条件、起重机载荷、海底条件等）对稳性及结构安全产生影响。为简化分析，计算只考虑主要参数，对其他参数进行简化处理[6]。

假定海水冲刷泥沙导致海床接触面靠近舷侧位置有掏空现象，最大掏空极限为舷侧向内2 m。计及海底接触面积时，扣除舷侧向内掏空2 m范围面积。在计算各工况时，另外考虑首尾掏空率，即平台首尾掏空面积占海底接触面积的比值。

由于该风场存在退潮露滩工况，即“干式坐底”，坐底压力取为平台及附属设施的全部自重15 000 t，对应漂浮状态下的吃水为4.177 m；平台设计最大排水量为33 373.5 t，对应漂浮状态下的吃水为22 m；平台在达到极限排水量条件下，根据试验实测和理论估算，可保证稳定坐底施工的水深不超过18 m，18 m吃水对应的排水量为31 668.6 t。故以此3个典型排水量下的工况进行坐底稳性分析和坐底强度分析。

计算排水量和对应舷外水深见表2，坐底稳性分析中，考虑水深较小时坐底压力较大，且坐底强度须满足最小要求，此时工况2、工况3的平台纵向弯矩剪力在吊重最大荷载时，达到许用值的60 %；坐底强度分析中，根据试验现场统计实测，对于本平台，坐稳施工的坐底压力一般不得小于 2 000 t，故取使得坐底压力能够满足2 000 t时的水深。干坐时，不考虑舷外水深。

表1 计算排水量及舷外水深

起重机负荷为最大起吊负荷，直接取用起重机厂商提供的设备工作反力，起重机回转角取90°，此时横向力矩最大。

计算环境荷载时，风级取8级，浪高取1.5 m，流速取2 m/s。

2.2 坐底稳性分析

参考中国船级社《海上移动平台入级规范》第三篇的要求，对“三航工 5”坐底式安装平台进行验算分析，最小抗倾安全系数取 1.6，最小抗滑系数取1.4[7]。

稳性计算中，最大掏空率取10 %，其中，工况1因为在掏空率过大时无法保持平衡，故最大掏空率取至5 %；旋转轴取向内掏空2 m后的泥沙边缘；荷载考虑了风倾力矩载荷、浪流载荷、吊重力矩载荷，得到抗倾、抗滑系数见表2。

表2 稳性分析结果

从分析结果上看，在计算工况下，船体可以满足稳性要求。

2.3 坐底强度分析

平台的有限元计算中，考虑了假设平台坐底不破土、平台坐底后垂直破土两种情况，共设100 mm及300 mm两种破土深度。平台排水量、吃水和舷外水深假定与稳性分析假定相同，各个基本工况的假定条件参见表3。

表3 强度计算工况

根据表3，基本工况共72个，考虑起重机首吊（0°～45°回转角）和尾吊（45°～180°回转角）两种起重机作业情况，实际工况共144个。图1为15 000 t干坐，不破土，起重机负荷100 %，尾吊，掏空10 %的工况应力云图。

图1 15 000 t干坐工况应力

根据有限元结果云图查看，平台结构大部分是在强度安全许可范围内的，只在局部舱壁处有破坏风险。从各个工况的具体应力结果反应的有限元分析结果来看，可得到基本结论有：

1）平台处于无水坐底作业时，能进行100 %负荷的起重机作业，但仅限于首吊起吊，尾吊起吊需要降载运行。

2）平台处于有水坐底作业时，平台前部结构无论是尾吊还是首吊，在掏空率不大于20 %时均可以正常吊载。

2.4 基本环境要求

结合相关规范和平台自身结构，明确针对“三航工5”在包括坐底的各个工况下的适宜施工范围[6]。

该海域的高潮位水深可以满足进场要求的4 m水深，同时该海域可退潮露滩，结合潮差可知，在坐底作业时的高潮位水深小于18 m，平台可以满足坐底压力不小于2 000 t的施工稳性要求。

3 地质适应性

3.1 地基承载力计算方法

太沙基承载力公式根据基础底面粗糙、除弹性楔体外滑动区域内的所有土体均处于塑性平衡状态、不考虑基底以上基础两侧土体抗剪强度的影响，用相应的均布超载来代替的基本假设，得到整体剪切破坏时的地基极限承载力公式[8]：

式中：c为地基土的粘聚力，kPa；q为基底水平面上的超载，kPa；b为基础宽度，m；γ为地基土重度，kN/m3；Nc、Nq、Nγ为太沙基承载力系数。

3.2 地基吸附性能计算方法

太沙基吸附力公式将部分浸没于底质的结构体的吸附力计算问题简化为一个浅浸在半无限空间介质中的刚体在受到向上拉力作用时的一个塑性极限问题。参照传统的太沙基承载力理论，离底问题与承载极限问题所不同的仅仅是地基上力的方向。考虑进入深度以及结构物自身等因素的影响，对太沙基承载力公式进行修正，得到了其吸附力公式[9]：

式中：B为结构物的宽度，m；L为结构物的长度，m；D为结构物在地基中的进入深度，m；A为结构物与地基水平投影上的接触面积，m2；S为底质的剪切强度，kPa；SR为结构物与地基的全接触面积，m2；SP为结构物在地基中的投影面积，m2。

3.3 地质适应性计算

在验算地基承载力性能时，由于存在退潮干坐工况，按平台自重全部加载于地基上考虑，将不同入泥深度下计算得到的地面压力与相应的太沙基承载强度比较；在验算上浮地基吸附性能时，按平台空载且外界水深最大时考虑，将上浮力与自重差值与太沙基地基吸附力比较，结果见表4。

表4 地质适应性计算结果

由地质适应性计算结果可知，当平台进入泥面0.1 m范围内时，地基土即满足平台自重干坐承载力要求；在入土0.5 m范围内，平台均满足空载上浮条件。

另外，该海域局部风机处坡度不满足纵横倾角小于1°的要求，具体机位处应进行专门扫海作业，确定海底倾角确实满足条件后，再行坐底施工。

4 结 语

针对“三航工 5”半潜式坐底安装平台，对其在江苏沿海某风电场的施工适应性进行了分析。对坐底典型工况进行了数值计算分析，验算了抗倾抗滑的适应工况，分析了平台的适宜施工范围，采用太沙基承载力和吸附力公式对地质适应性进行判别，得到结论如下：

1）平台处于无水坐底作业时，能进行100 %负荷的起重机作业，但仅限于首吊起吊，尾吊起吊可降载运行。

2）平台处于有水坐底作业时，平台前部结构无论是尾吊还是首吊，在冲刷不大于20 %均可以正常吊载。

3）各个工况对风电场的自然条件均有一定的要求，其作业条件宜满足表5的要求。

4）在满足水文、气象等基本条件的情况下，该风场的地基承载力足以满足平台的承载要求，平台可以克服地基吸附力上浮。

本文对“三航工 5”半潜式坐底安装平台进行的施工适应性分析对类似平台的施工提供了一定的参考。