风电筒型基础拖航方案优化分析★

罗 盛 刘宪庆 马志明 张 杰

(1.陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331； 2.重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

1 概述

自1994年吸力式筒型基础被成功应用在Europipe 16/11E导管架平台的基础以及渤海石油公司CFD1-6-1延长测试系统设计的水泥顶系泊锚上，吸力筒基础技术进入了工业化适用阶段[1,2]。近年来，随着国家海洋开发战略的需求，筒型基础由于良好地质适应性、施工方便性以及可回收利用等特点，被广泛应用于防波堤基础、抢修抢建平台、系泊靠泊设施、人工岛基础以及海上风力发电的基础[3，4]。吸力式筒型基础主要由单筒型式、单筒多分舱型式以及多筒型式[5]。单筒型式主要的海上运输方式是驳船运输，施工成本较高；而单筒多分舱型式通过合理的分舱设计、多筒型式通过合理的筒位布置具有气浮拖航的特性，这一特性使得筒型基础具有湿拖的可能，从而省去了驳船运输以及特种作业设备的费用，进一步降低海上风电开发的成本[6]。

气浮拖航过程是拖船—拖缆—筒型基础构成的拖航系统的施工过程，拖航过程中的外部环境如波浪、水深以及系统自身因素如吃水、拖缆长度以及拖航速度等都会影响结构的安全性。因此，在实际拖航环境下，对拖航系统参数的合理选择是提升拖航的效率和安全的保证。本文通过MOSES建立了单筒多分舱型式的筒型基础模型，对影响拖航系统安全性的波浪、吃水以及拖航速度等因素的运动参数进行分析，采用正交试验方法对测试参数进行极差分析和方差分析，寻求在不同的拖航条件下的最优组合和最不利组合，所得研究成果对指导单筒多分舱型式的筒型基础的海上施工具有重要的参考价值。

2 数值模型建立及测试组合

2.1 建模参数

模型选取2010年在江苏启东建造完成的应用于2.5 MW风机的筒型基础(如图1所示)。如图2所示，该基础的重量为2 700 t，结构总高度为25.0 m,其中筒型基础的高度为7.0 m，双曲过渡段的高度为18.0 m，筒型基础的直径为30.0 m，过渡段下端直径为20.0 m,过渡段上端直径为4.6 m,过渡段外曲面半径为22.0 m，结构重心位置为筒底面以上8.91 m。

2.2 数值分析模型

MOSES建立结构模型的方式有两种，一种是点—线—面—体的自下而上的建模方式，适合于简单模型的建立；另外一种是点、线、面、体通过布尔运算得到结构模型的自上而下的建模方式，适合于复杂模型的建立。由于单筒多分舱型式的筒型基础的结构形式比较复杂，本文采用的是自上而下的建模方式，所建立的结构整体模型如图3所示，拖航模型如图4所示。

2.3 测试参数组合

从已有的文献可以看出，波浪因素、吃水深度以及拖航速度是影响拖航系统安全性的主要因素。

实际施工过程中的波浪参数选取距离该地区12 km处的南通洋口港1996年10月～1997年10月测得的方向为N～NNE方向的50年一遇的波浪参数。

为了研究波浪参数对拖航系统运动响应的影响，选取的三种波浪条件分别为：波高0.935 m，波周期6.0 s；波高1.87 m，波周期8.0 s；波高2.805 m，波周期10.0 s。

结构的重量为2 700 t,计算所得的实际施工过程中用于支撑结构重量的需要的内外液面差为3.82 m，为了避免结构在拖航过程中由于摇荡运动幅度过大而引起的漏气等现象，结构的吃水必须在5 m以上。同样的，为了研究吃水对拖航系统运动响应的影响，选取的三种吃水条件分别为：5.5 m，6.0 m和6.5 m。

在实际施工中，拖航速度过小，结构施工周期强，不符合筒型基础快速施工的要求，拖航速度过大，所需要的拖轮功率变大，不符合筒型基础经济性的要求。因此，为了研究航速对拖航系统运动响应的影响，选取的三种航速条件为：2节、4节和6节。

测试参数的组合采用正交试验法进行设计，在本次试验中仅考察四个因素即波高、波周期、吃水以及航速对结构垂荡、横荡和纵摇的影响效果，不考察因素间的交互作用，所以设计采用如表1所示的 L9(34)正交表。

表1 L9(34)正交试验设计

3 测试组合数据分析

3.1 测试组合数值模拟分析

表2为通过数值模拟得到的不同测试组合纵荡运动、垂荡运动以及纵摇运动的最大值和最小值统计表，最大值和最小值的取前三个最大幅值的平均值，幅值的变化为最大值减去最小值后得到的值。

表2 测试组合幅值统计表

3.2 模拟结果的极差分析和方差分析

从纵荡、垂荡和纵摇的极差R大小可以确定影响结构摇荡运动的因素的主次顺序，即：纵荡运动的主次因素是ACBD，垂荡运动的主次因素是ABDC，而纵摇运动的主次因素是ADBC。

从K值大小得到的最优的拖航组合分别为：纵荡运动：A1B2C1D2；垂荡运动：A1B2C3D2；纵摇运动：A1B3C1D2。

以上三个指标单独分析出的优化条件不一致，必须根据因素的影响主次，综合考虑，确定最佳的拖航组合。

3.3 模拟结果的显著性检验

纵荡运动：以因子C作为误差来检验其他因子的显著性水平，从表4中可以看出，因子A高度显著，因子B和因子D显著，由此可以判断因素主次顺序是：A-B-D；波浪是影响纵荡运动的关键因素。

垂荡运动：以因子D作为误差检验其他因子的显著性，从表4中可以看出，因子C高度显著，因子A显著，因子B不显著，由此可以判断因素主次顺序是：C-A-B，吃水是影响垂荡运动的关键因素。

表3 正交设计测试组合分析表

表4 正交设计测试组合显著性检验

纵摇运动：以因子B作为误差检验其他因子的显著性，从表4中可以看出，因子A和C显著，因子B显著，因素主次顺序是：A-C-D，波高和吃水是影响纵摇运动的主要因素。

对于纵荡运动，根据K值越大越不利的原则，A取A3；结合K值越小越好的原则，A取A1；对于垂荡运动，结合K值越小越好的原则，B取B1或者B2，C取C1，结合K值越大越不利的原则，B取B2，C取C3；对于纵摇运动，结合K值越小越好的原则，A取A1，C取C1；根据K值越大越不利的原则，A取A3，C取C3。所以最优的组合形式是：A1B1C1D2；最不利组合是A3B2C3D3。

4 结语

本文通过正交试验法设计参数组合，通过MOSES计算了单筒多分舱型式的筒型基础的运动响应幅值，通过直观分析和方差分析确定了最优和最不利的拖航组合，结论如下：

1)波浪是影响结构纵荡运动的主要因素，而吃水是影响结构垂荡运动的主要因素；

2)波高和吃水是影响结构纵摇运动的主要因素；

3)最优的拖航组合是波高、波周期以及吃水较小的情况，而最不利的拖航组合是波高、吃水以及航速较大的情况。