近海吸力锚基础研究现状与展望

张宝杰

(中国海洋大学 山东 青岛 266000)



近海吸力锚基础研究现状与展望

张宝杰

(中国海洋大学 山东 青岛 266000)

吸力锚作为现代的一种重要的基础形式，是一种新型海洋基础。对有关吸力锚的研究现状进行综述，对国内吸力锚抗拔承载力、吸力锚水平承载力、锚承特性以及稳定性的分析进行了概况。

吸力锚；研究现状；综述；稳定性

随着海洋石油工业逐渐向深海和超深海水域发展，张力腿平台(TLP)、立柱式平台(Spar)、船形浮式系统(FPSO)、顺应塔和半潜式平台等新型海洋结构及基础在工程中得到了广泛应用。与浅海平台相比，这些深水平台的系锚荷载显著增加，吸力式基础平台是近年开发出的一种新型海洋平台，由于多种优越性而受到重视，并引起许多研究人员的关注。

一、国内外研究现状

吸力锚具有便于安装和运输、施工时间短、基础稳定性实现较快、便于在海上恶劣气候的间隙施工、材料和制造成本低廉、与传统基础相比筒形基础可以大大节约用钢量、施工就位准确、对不同的土质有广泛的适用性等特点。因此，在深海工程得到广泛应用。

吸力锚技术1958年首先应用于英国，近海吸力锚的概念是20世纪60年代提出的，国内对负压原理的研究始于20世纪70年代，80年代初才开始在工程中获得实现，其实践应用经历了复杂的过程。1981年吸力锚首次成功运用于欧洲北海的GORM油田，1995年7月在渤海CFD16-1油田延长测试系统中，吸力锚在我国浅海首次运用并取得成功。此后，由此自然引伸、提出了吸力式基础平台，并在90年代在挪威海上油田首次成功应用。我国吸力锚和筒型基础平台在近海油田的首次工程应用，分别为1995年曹妃甸1-6两点系泊系统和1999年锦州9-3油田系缆平台。1999年NGI在美国墨西哥湾水深1500m的Diana工程施工中使用的吸力锚直径6。5m，长30m，设计单锚静极限拉力达1500ton。2007年世界上最大的的吸力锚安装于波士顿近海，直径14m，高11.5m，重156ton。吸力锚的工作水深从40m到2500m，甚至更深。

除了作为海上石油平台的基础外，吸力式基础也广泛应用于海上风力发电机组的基础。海上风力发电开发主要集中在欧洲。欧洲海上风电研究开始于上80世纪年代，丹麦、瑞典、荷兰、英国是最早进行海上风电开发的国家。国外海上风力发电技术己日趋成熟，而我国海上风电则相对落后。我国有着丰富的海上风能资源，东部沿海水深一的海域面积辽阔，可利用的风能资源约是陆上的3倍，随着海上风电场技术的发展成熟，将来必然会成为重要的可持续能源。海上风力发电机组的基础的成本通常为总成本的巧一，因此其基础的设计是非常重要的。

(一)国内研究与应用

1995年，吸力锚在国内近海渤海曹妃甸工程中首次应用与设计，天津大学海洋与船舶工程系和天津海王星减振技术开发公司根据项目技术条件联合承担了该项目系统中系泊锚的设计工作。针对工程条件，首先对有可能采用的几种锚体形式，其中包括排泥自沉锚、重力式锚、桩式锚和吸力锚进行了方案比较。认为只有吸力锚有可能较全面地适应本项工程的要求。吸力锚在我国近海工程中的首次设计和应用是基本成功的，这无疑将为它今后更广泛的应用和发展开辟了前景。

2002年徐继祖、王翎羽等人根据1994年以来在渤海及南海海域从事吸力描及筒型基础平台的设计、研究、现场实验与监测以及制造与安装等系列工作的经验，并从一个致力于近海工程开发事业的专业企业发展的角度回顾总结这些经验，提出了筒形基础平台，这种平台带来了明显的经济技术效益。

2003年赵冲久、别社安等人介绍了筒形基础和吸力锚筒两种水上沉桩的新装置。其中吸力锚筒静载沉桩装置，该装置利用插入到海底泥土中的吸力锚筒提供沉桩力，通过桩帽和连接吸力锚筒的钢缆具将静压力施加于桩顶，该装置不存在噪声污染和对周围建筑物的振动破坏。另一种是筒型基础水上打桩平台，该装置由筒型基础和框架式上部平台组成，筒型基础可插入地基土中提供水平抗力，又可提供气浮力使打桩平台在水上漂浮，在上部平台上安装有可以在水平面上移动和可以调整角度的桩锤导向架和打桩锤，该装置抗风浪和水流能力强，定位和移位方便快捷。这两种水上沉桩装置具有打桩船不具备的一些优点，有一定的开发和推广应用价值。

2009年苗笛对吸力锚的抗拔承载力进行了分析。通过吸力锚在粘土和砂土2种不同土质中的破坏形式，以及其受力状态的实例分析，提出新的承载力分析方法，能够反映一些主要的影响因素，并力求在已有基础上能有所改进。

2011年张其一等人对深海吸力锚承载特性与稳定性进行了研究。给出了一种精确模拟吸力锚承载能力的有限元模型。在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS研究系泊点位置对吸力锚极限承载力的影响，并给出深海吸力锚失稳模式。

2013年吕建伟等人对吸力锚防腐进行了研究。采用阴极保护联合涂层防护，阴极保护采用安装牺牲阳极，涂层防护采用涂装水下环氧涂料。无论是阴极保护还是涂层防护都要满足吸力锚的设计寿命。

(二)国外研究与应用

众所周知，我们在研究使用一种新型结构基础是，首先考虑的是基础的安全性，特别是在海洋这种复杂的环境之中。

Bye等对EuroPiple-16/11E平台和SleipnerT平台基础设计进行的场地、模型实验、理论模型和设计中实际应用的分析工具等进行了总结。在位于该平台区域的现场做了实验。实验从1992年下半年开始到1993年下半年结束。静拉拔实验表明，砂土的剪胀性、排水特性和实验时间是控制因素。受到循环载荷后，砂土会密实但静拉拔力不降低。基础承载力的分析是基于不排水剪切强度的，用Janbu方法计算，其中的有效应力还需根据设计风暴和循环载荷产生的孔隙压力和其消散进行修正。承载力的分析是用滑移面类型的方法进行的。

Andesren等进行了针对软勃土中张力腿锚基础的野外场地实验。包括一个静载和3个循环载荷实验。载荷与垂直方向成10度。施加的循环载荷采用不同的加载历史、不同的偏向和几何特性。在实验之前，用重力式平台的分析方法对拉拔承载力和循环位移进行了预测。结果表明，尽管重力式平台与吸力锚在几何形态和加载条件等方面有较大区别，给出的预测结果与测量结果吻合得较好。

Byrne等对砂土中吸力式沉箱在循环作用下的响应进行了分析。实验是在1g条件下采用复杂的加载设备，可以独立控制频率为1Hz的水平、垂向和力矩载荷。基础放在油浸的密实的土中。根据实验结果得到了对载荷位移关系较深入的理解，在此基础上提出了简单的理论和数值模型。他们的实验在1Hz以内，对于高频率的动载，他们的理论需要检验。

Deng等进行了吸力式沉箱的垂向拉拔力的理论研究。在有限元分析、场地实验和室内实验的基础上，得到了垂向拉拔力的半经验的理论解，但其中的参数仍然是经验参数。

Narasimha等进行了软黏土中吸力锚拉拔行为的实验研究。针对不同长径比的锚施加短期或持续单向的静态载荷。结果表明，吸力可以表述为位移的函数。

Takatani等研究了波浪载荷下软薪土地基上吸力式基础的动力响应。针对波浪作用于基础前方时的情况进行了数值模拟。对裙深、吸力和材料参数等的影响进行了分析。计算中采用孔隙弹性模型与软土的实际情况有差别。

二、结语

吸力锚近年来成为了一种热门的基础形式，它不仅可用在系泊储油系统中,而且还可作为各种平台的基础形式。根据上述国外已有的经验,深感对于吸力锚技术还必须作进一步的完善和提高。

[1]徐继祖,王翎羽,陈星等.从吸力锚到筒形基础平台[J].中国海上油气,2002,(2)

[2]赵冲久、别社安等.筒型基础和吸力锚筒水上沉桩装置[J].中国港湾建设,2003,(2)

张宝杰(1993-)，男，汉族，山东临沂人，硕士研究生，中国海洋大学，桥梁与隧道工程。