变水深地形下建设平台系泊系统模型试验

丁爱兵， 汪学锋， 柳存根， 徐胜文

（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240）

0 引 言

随着全球经济的快速发展，人类对海洋空间和资源开发利用的需求日益增长，各种各样的海洋工程装备越来越受到人们的重视。其中，建设平台作为一种重要的海洋浮式结构物［1］，主要布置在岛礁附近，其不仅可作为浮动式码头支撑岛礁建设，还可作为多用途海上综合保障平台，为岛礁提供旅游基地、物资补给、环境检测、信息枢纽等多种功能，给岛礁生产与生活提供全面保障［2］。

系泊系统是影响海洋浮式结构物安全可靠性的最薄弱环节［3］，特别是对于布置于近岛礁水域的建设平台，面临着极浅水、变水深非对称地形等环境条件，其系泊系统的设计及性能验证更为重要［4］，水池模型试验是其中一种必要的验证手段。

系泊系统水池模型试验研究国内已经有了大量的研究工作，开展了多型深海平台系泊系统和缆索的线性与非线性动力学计算方法［5］与试验技术的研究，分析了不同环境载荷下［6］的平台运动响应和系泊受力［7］情况。但相关试验［8］多数是针对深水系泊系统［9］，针对近岛礁极浅水环境下的系泊试验研究还较少，同时也未涉及海底非对称变水深的地形影响［10］。

本文针对近岛礁地形条件下建设平台的系泊系统开展水池模型试验研究，通过对试验数据的分析，研究其在不同风、浪环境作用下的运动规律、动力响应以及系泊受力情况等，为最终系泊系统的设计优化和工程应用提供支撑。

目标建设平台拟布置于近岛礁附近，通过栈桥与岛礁相连，其系泊系统既需要在工作海况下最大限度控制平台运动，以满足平台作业要求；同时也需要在台风海况下控制锚链张力及平台的运动，以保证平台自身、系泊系统等的安全性。通过本次试验，需要获得不同海况中平台在所设计的系泊系统作用下的锚链受力和运动情况。通过对数据的比较分析，为系泊系统的设计参数的优化提供初步的方案。

1 试验模型

本次试验除了需要按照相似准则加工制作平台模型、系泊系统模型外，还需要精确模拟平台所处的地形环境条件以及风浪流环境条件。

1.1 相似原理

海洋平台在波浪中模型和实体的两个系统需要满足3个相似条件：几何相似、运动相似和动力相似［11］。在模型试验中通常保持弗劳德数和斯特罗哈数相等，即

式中：v，L，T分别为特征速度、特征线尺度和周期；下标m和s分别表示模型和实体。综合考虑平台尺寸和试验水池的尺度及试验能力，模型缩尺比选为1∶36。

1.2 平台模型

本试验研究对象岛礁建设平台为驳船式海洋平台，相关主尺度模型值和实验值分别如表1所示，总布置图如图1所示。

表1 建设平台主要参数

图1 岛礁建设平台总布置图

1.3 地形模拟

本次试验对象岛礁建设平台布置在近岛礁附近，水深10～15 m，平台两侧水深变化较大，海底地形不平坦。为简化研究，试验中对海底地形地貌进行简化处理，如图2所示，将海底地形简化为不同斜率的二维斜坡处理，平台中心位置水深为10 m。

图2 平台布置位置海底地形简化图（m）

试验中，对海底地形的模拟，将在原水池假底的基础上增加模拟斜坡的斜坡假底，如图3所示，为模拟图2中15～50 m水深地形的装置，制作9个2.5 m×4.5 m的斜坡拼装而成，斜坡角度可调节范围为1°～4°。通过对海底地形测量数据的分析，该部分坡度约2°，同理制作类似装置模拟图2中其他部分水深不同坡度的地形。

图3 地形模拟装置示意图

1.4 系泊模型

岛礁建设平台采用传统的悬链线系泊方式［12］，由于平台两侧水深相差较大，设计时采用非对称系泊，如图4所示，深水侧和近岸侧锚链参数各不相同［13］。同时，考虑其系泊系统需同时满足工作海况下工作船旁靠和台风海况下抗台安全性要求，设计时分为工作海况和台风海况两个情况［14］，工作海况采用8点系泊（图4中1～8号），台风海况在平台两边各增加2组抗台风锚（图4中9～16号）。

图4 系泊系统布置示意图

试验中共需要制作16根系泊缆，分为4组，其物理属性见表2。其中9～16号抗台风锚链工作海况下处于解脱状态。

表2 系泊缆物理属性

1.5 环境模拟

由于平台部署于浅水水域，试验中不考虑流的影响，环境模拟主要包括风和波浪的模拟。风的模拟采用定常风，通过改变风机转速来模拟不同海上风况［15］。不规则波浪的模拟采用Jonswap谱，gamma值取2.0，由于平台靠近岛礁，本试验仅研究由深海到岸边的风浪，即横浪对系泊性能的影响。试验中，所模拟的风、浪均同向，单个波浪造波时间不小于30 min（对应实际3 h），具体模拟的风浪海况参数如表3所示。同时，为分析波浪周期对系泊性能的影响，在部分海况下增加了波浪谱峰周期6.5 s和9 s的试验。

表3 系泊试验风浪环境参数

2 试验内容

本次试验主要包括：平台自身特性试验、静水试验和风浪试验。平台自身特性试验主要包括平台重心位置及惯量调整、无系泊的平台横摇、纵摇、垂荡衰减试验等；静水试验包括平台运动衰减试验和系统水平刚度试验；风浪试验主要测量平台不同风浪环境条件下平台的六自由度运动情况和系泊受力情况，图5所示为风浪试验实际照片。

图5 系泊系统风浪试验

3 试验结果分析

试验完成后，首先对静水试验数据进行处理分析，得到了平台在不同系泊系统作用下的六自由度静水衰减特性和系泊系统的水平刚度。如图6所示为建设平台在台风海况下使用16根锚链时的横摇衰减曲线，由图可知，此时平台的固有横摇周期为5.8 s。

图6 平台在16根锚链作用下横摇衰减曲线

通过对工作海况下风浪试验数据处理分析，得到表4所示结果。由表中数据可以发现，在有义波高1m、谱峰周期4.32 s的波浪下，建设平台采用图4中8根悬链线系泊（预张力40 t），此时平台的六自由度运动和最大系泊力受地形和风的影响均不是很大，最大横摇在3°左右，最大横荡在3 m左右，最大瞬间系泊张力均出现在6号锚链上。

表4 工作海况下平台运动和系泊力测量结果

通过对台风海况下风浪试验数据处理分析，不难发现，在有义波高3 m谱峰周期7.48 s波浪、风速36 m/s、斜坡假底的条件下，平台采用图4中所设计的16根悬链线系泊，预张力10 t时，平台最大横摇13°，最大横荡5.32 m，最大瞬间系泊力出现在15号锚链上，最大受力为114.4 t，最小安全系数2.88，满足设计规范要求。

本次试验中，还开展了相同海况和地形条件下不同预张力对系泊性能的影响研究。在有义波高3 m谱峰周期7.48 s波浪、风速36 m/s、考虑斜坡假底的条件下，平台仅利用图4中1～8号锚链定位，预张力40 t时，最大横荡11.17 m，最大系泊力172.2 t；预张力20 t时，最大横荡14.4 m，最大系泊力155.79 t；预张力10 t时，最大横荡16.24 m，最大系泊力133.63 t。由此可见，预张力对悬链线系泊系统的性能影响较大，同等情况下，预张力越大，运动越小，系泊力则较大。

同时试验还研究了波浪谱峰周期对平台运动的影响。在波浪有义波高3 m、风速36 m/s、斜坡假底的条件下，平台采用图4中所设计的16根悬链线系泊，预张力10 t，谱峰周期6.5 s时，最大横摇15.11°；谱峰周期7.48 s时，最大横摇13°；谱峰周期9 s时，最大横摇10.47°。由此可见，谱峰周期越接近平台固有横摇周期5.8 s，横摇运动越大。因此，在系泊系统设计中，应尽量使固有频率避开波浪谱峰周期。

4 结 论

本文以极浅水变水深环境条件下的建设平台为对象，进行系泊系统水池模型试验研究，通过对试验数据的分析处理得到以下结论：

（1）无论是工作海况还是台风海况，平台的最大系泊力均小于锚链的设计破断载荷，最小安全系数满足设计规范要求。

（2）对于悬链线系泊，预张力对系泊性能的影响较大。

（3）在进行系泊系统设计时，对于六自由度运动中最需要控制的部分，应优先考虑使其固有频率避开平台布置区域的波浪谱峰周期。

上述结论不仅为系泊系统的设计和优化研究提供了试验数据支撑，对建设平台的布置安装也具有一定的工程指导价值。