拖缆长度对筒基平台气浮拖航影响的试验研究

乐丛欢，丁红岩，张浦阳

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023;2.天津大学建筑工程学院，天津300072;3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072;4.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072)

筒型基础是一种新型的移动式基础，具备自拖航，施工费用低、海上快速安装及可重复利用等特点［1-2］，具有广阔的应用前景，目前已逐渐推广用于海洋平台基础、海上风机基础.自拖航是筒型基础有别于其他海上基础的最大的优势之一，在浅海地区，其优势尤为突出［3-4］.拖航过程中筒型基础平台的气浮不同于船舶或普通导管架平台在水中的漂浮，普通浮体相当于具有刚性基础的结构支承于弹性基床上，而筒型基础平台，由于气体的可压缩性，相当于具有柔性基础的结构支撑于气垫与水塞耦合的弹簧之上，不能采用普通浮体的方法分析其运动特性［5-8］.目前关于筒型基础气浮拖航的研究开展的很少，尤其是四筒筒型基础平台的拖航研究在国内还属空白阶段.目前尚无成熟的商业软件能对其拖航运动特性进行准确的分析计算，模型试验是研究其拖航特性最实用可靠的方法［9］.

筒型基础平台能实现自浮，但其本身不具备动力系统，筒型基础平台前进变向都需要依靠拖轮通过钢缆对其导航，因此连接拖轮和筒型基础平台的钢缆至关重要.影响筒型基础平台拖航特性的因素很多，为分析拖缆长度对筒型基础平台气浮拖航的影响，本文在波浪、航速、吃水深度、筒拖航位置一定的条件下，选择不同拖缆长度进行结构模型的拖航试验，进而分析拖缆长度对于拖航基本力学参数的影响，为实际工程中的拖航提供参考.

1 拖航试验设计

1.1 试验模型

试验模型以四筒钢质筒型基础平台为原型，平台单筒直径6.0m，筒高7.0m，筒轴线间距9.0 m，平台整体高度22 m.试验模型为钢质结构，采用1∶20比例按重力和惯性力傅汝德相似定律进行相似比尺设计［10-11］，试验模型与原型满足总重量、重心位置以及惯性矩相似.

1.2 试验仪器设备

试验水槽:长98 m，宽4 m，高2 m.水槽尺寸满足规程要求.

拖航设备:拖车，可控制拖航速度及拖航距离，拖车位于水槽上方，拖缆一端系于筒体上，另一端通过固定于拖车上的高出水面10 cm的定滑轮与拉力传感器相连，拖缆采用钢缆.

测量设备:水压力传感器、气压力传感器、拉力传感器、加速度传感器、信号放大器、波浪率定系统、计算机信息采集系统、摄像系统和水温计.

1.3 测量仪器布置

图1为传感器测量布置图，图2为随体坐标系标识与筒体编号图.其中，x方向为拖航前进方向;y方向为平台横漂方向;z方向为平台上浮方向.如图1所示，在平台顶部布置一个三向加速度传感器，用于测量x、y、z 3个加速度，其中x向加速度反映了拖航时平台纵荡运动激烈程度，y向加速度反映了平台时横荡运动激烈程度，z向加速度反映了平台垂荡运动激烈程度.在各筒型基础筒顶布置一个气压力计测量筒内气垫压力，在各筒底布置一个水压力计，以测量筒内水塞压力.

图1 传感器布置Fig.1 Sensors position

图2 随体坐标及筒体编号Fig.2 Coordinate system and bucket foundation number

1.4 试验设计组合方案

表1 拖航试验组合Table 1 Combination of towing

拖航时，1号筒、3号筒为系缆筒在前.在规则波(波高1 m，周期5 s)、航速(2 kn)、吃水(6 m)、水深(10 m)、系拖点位置(筒顶以下0.8 m)一定的条件下，测试不同拖缆长度对基本力学参数的影响.表1给出了试验拖航组合.

2 试验结果与分析

2.1 顺浪结果与分析

通过模型试验，得到了大量的数据，利用数字滤波器中的傅里叶滤波对原始数据进行滤波分析［12］.由于篇幅的关系，文中只给出部分试验结果.图3为转化为原型数据后的顺浪组合1～4的部分试验结果，包括1号筒(系缆筒)的水压力、气压力时程曲线及平台拖缆力和x、y、z三向加速度时程曲线.为了更好地分析试验现象，取拖航稳定阶段的参数变化曲线进行研究.

对比图3(a)、(b)中1号筒的气压力和水压力时程曲线，可知筒顶气压力和水压力的变化基本一致，筒型基础气浮拖航时，主要依靠筒内气垫和筒内水塞来维持拖航的稳定性，当筒底水压力变大即筒下沉、筒外水进入筒底，筒内水塞高度变大，水塞压缩筒内空气来完成结构的支撑，筒内气体压力变大;当简底水压力变小，即筒上浮，筒内水从筒底流出，筒内水塞高度减小，筒底水压力变小，气体体积变大，筒内气压力变小.

由图3可以发现拖缆长度为34 m时，筒底水压力和筒内气压力以及各向加速度和拖缆力的变化幅度最大，试验现场观测也验证了这点，拖缆长度为34 m时，拖航过程中振动幅度最大，最不稳定.拖缆长度从48 m到60 m时，水压力和气压力以及各向加速度和拖缆力的变化幅度接近.

由图3(f)可知拖缆长度从34 m增加到54 m，随着拖缆长度的增加，拖缆力的变化幅度能有效减小，有利于增加拖航系统的安全性.但当拖缆长度从54 m增加到60 m时，拖缆力的变化幅度反而增加，可见拖缆长度的增加对拖缆力变化幅度减小的影响是在一定的范围内的，当超过了一定的范围，其影响恰好相反.

图3 顺浪条件下试验结果Fig.3 Test results in the following sea

图4为顺浪条件下，不同拖缆长度下各参数的峰值曲线(ΔPmax，w为水压力变化幅值，ΔPmax，a为气压力变化幅值).由图4(a)、(b)可知，顺浪拖航时，当拖缆长度从48 m到60 m变化时，1号筒、3号筒(系缆筒)的水压力变化和气压力变化均高于2号筒、4号筒(非系缆筒)，当拖缆长度为34 m时情况相反.相比于非系缆筒(2号筒、4号筒)，系缆筒(1号筒、3号筒)的气压值与水压值变化较小.由图4(c)可知，顺浪拖航当拖缆长度为34 m时x、y、z 3个方向加速度均达到最大，可见当拖缆长度过短时，会使纵摇、横摇及垂荡摇摆幅度加大，造成拖航不稳定.当拖缆长度从48 m增加到60 m时，随着拖缆长度的增加，x、y、z方向加速度呈增长趋势，但此时3个方向的加速度值都不大，说明拖航情况较稳定.由图4(d)可知，拖缆力峰值随拖缆长度的增大呈先减后增趋势.即顺浪条件下，在一定的范围内拖缆长度的增加对拖缆力起到减小的作用，当超过了一定的范围，随着拖缆长度的继续增加，拖缆力又开始增大.

图4 顺浪条件下实测峰值Fig.4 Maximum parameters versus towline length (following sea)

2.2 逆浪结果与分析

图5为转化为原型数据后的逆浪组合5～8的部分试验结果，包括1号筒(系缆筒)的水压力、气压力时程曲线及平台拖缆力和x、y、z 3个方向加速度时程曲线.

从图5可以发现逆浪拖航时，拖缆长度为34 m时水压力和气压力以及x向、y向加速度变化幅度仍然是最大，这与顺浪时情况相似，但与顺浪时情况不同的是，拖缆长度为34 m时，z向加速度和拖缆力，变化幅度较小，由于逆浪拖航时，拖缆一直处于拖拽状态，当缆长较短时，其垂荡幅度较小.

图5 逆浪条件下试验结果Fig.5 Test results in the head sea

图6为逆浪条件下，不同拖缆长度下各参数的峰值曲线.图6(a)显示，非系缆筒2号筒和4号筒水压力变化随着拖缆长度的增加呈先减后增的趋势.系缆筒1号筒和3号筒水压力变化在拖缆长度为48 m时最小.图6(b)显示，相比于系缆筒1号筒和3号筒，非系缆筒2号筒和4号筒气压力变化随着拖缆长度的变化较小.

由图6(c)可知，逆浪拖航时随着拖缆长度的增加，x、y、z 3个方向的加速度先减小后增大，其中x、z方向上的加速度较小，变化幅度也很小，这主要是因为逆浪条件下波浪可以持续稳定地作用在平台各筒上，所以x、z向加速度变化较为稳定.相比之下y方向上的加速度较大，变化幅度也较大，这主要是由于逆浪拖航时拖缆一直处于拖拽状态，在横荡方向没有防止飘移措施，导致飘移明显.可见拖缆长度对筒型基础平台气浮拖航横荡影响很大，一定的拖缆长度有利于缓解拖车与筒型基础平台运动不协调而产生的冲击张力，有利于缓解拖航偏荡等.但当拖航长度超过一定的范围时，其纵荡、横荡及垂荡摇摆幅度加大，直线航行能力越差，拖航操纵困难.由图6(d)可知，逆浪条件下，拖缆力峰值随拖缆长度的增大而呈上升趋势，增幅达57.5%.

图6 逆浪条件下实测峰值Fig.6 Maximum parameters versus towline length (head sea)

2.3 顺浪拖航与逆浪拖航比较

逆浪拖航时平台摇摆运动与升沉运动的频率要高于顺浪拖航.对比图4(c)、6(c)可知拖缆长度对平台逆浪拖航的横荡运动方向加速度的影响远大于顺浪下拖航，即逆浪拖航时，由于拖缆长度的改变而引起的偏荡现象越明显.逆浪拖航拖缆力大于顺浪拖航拖缆力，尤其在拖缆长度较长时，如缆长为60 m时，逆浪拖航的拖缆力是顺浪时的2倍，随拖缆长度增长，顺浪与逆浪的拖缆力差距越来越大.

3 结论

1)拖缆长度对筒型基础平台气浮拖航影响很大.合理的拖缆长度有利于缓解拖车与筒型基础平台运动不协调而产生的冲击张力，有利于缓解偏荡等.但当拖缆长度过大，其纵荡、横荡及垂荡摇摆幅度加大，直线航行能力越差，拖航操纵困难.

2)与顺浪拖航相比，逆浪拖航时拖缆长度对平台横荡运动影响较大，不合理的拖缆长度将会引起平台明显的偏荡现象.

3)逆浪条件下拖缆力峰值随拖缆长度的增大而呈上升趋势.当拖缆长度过大时，可能发生拖缆因张力过大而断裂的情况，不利于拖航系统的安全性.

4)综合顺浪与逆浪2种情况，对于本筒型基础平台，拖缆长度48 m(即3.2倍的平台宽度)平台的稳性和耐波性最高.

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