杜宇，王菁，謝錦波，王晨旭

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.天津大學，天津 300072）

1 研究背景

船舶坐底作業(yè)通常只適用于近海淺水海域。理論上坐底作業(yè)時，由于坐落于海床，在環(huán)境荷載作用和采取必要措施的條件下依然可以保持穩(wěn)定，因此適合于海上風電安裝這類對安裝條件要求較為苛刻的船舶海上施工。練學標[1]總結(jié)了將半潛駁改造成坐底船在潮間帶進行風機坐底安裝的技術(shù)要點和安全措施。本文以不具有坐底平臺入級符號的“三航工5”半潛駁（照片見圖1、參數(shù)見表1）在某海上風電場施工項目中采用坐底施工方式作業(yè)進行了分析，梳理了坐底作業(yè)的全過程，提出可供參考的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)指標，并對作業(yè)可行性進行評價，提出應(yīng)對策略。

圖1 “三航工5”半潛駁Fig.1 The semi-submersible barge Sanhang Gong 5

表1 “三航工5”參數(shù)表Table 1 Parameters of Sanhang Gong 5

2 海上風場環(huán)境條件及坐底作業(yè)過程分析

2.1 海上風場環(huán)境條件

該風場位于我國浙江沿海海域，最大風機機位水深約為13 m。場區(qū)100 m、 95 m、 90 m、50 m 高度年平均風速分別為7.5 m/s、 7.5 m/s、7.4 m/s、 6.9 m/s。海域潮差較大，最高潮位與最低潮位之差可達6.62 m。風場海域波浪以小浪級和輕浪級波浪出現(xiàn)最多，全年波浪海況的有義波高取值在0.1耀1.25 m 區(qū)間的頻次最高。風場海域的潮流為正規(guī)半日潮、呈往復(fù)流運動形式，漲、落潮流主軸走向十分接近，其夾角約為150毅，最大流速約2.3 m/s。海床表層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度達23~31 m。

2.2 坐底作業(yè)過程分析

“三航工5”拖航吃水狀態(tài)下遷移至作業(yè)海域后錨泊定位，通過調(diào)整壓載水進行下潛坐落于海床，再增加一定量的壓載水使船舶能夠穩(wěn)定于海床上。因此，對船舶操作過程涉及4 個技術(shù)問題：1）半潛穩(wěn)性；2） 下潛/上浮過程中的錨固定位；3）坐底穩(wěn)性；4）船舶強度。

對于1）半潛穩(wěn)性，“三航工5”在設(shè)計階段進行了半潛工況下的強度和穩(wěn)性計算，連同半潛操作手冊獲得了中國船級社認可，因此嚴格按照半潛操作流程進行操作即可滿足半潛穩(wěn)性和強度要求。對于4）船舶強度方面，可采用船舶行業(yè)通用的分析方法和手段進行，與船舶普通浮況相比，船舶下潛和坐底階段的強度分析僅為結(jié)構(gòu)模型邊界條件的區(qū)別，由于本文篇幅限制不做討論。本文僅對2）下潛/上浮過程中的錨固定位和3）坐底穩(wěn)性結(jié)合海上風場條件進行個案化分析。

3 “三航工5”坐底作業(yè)分析

3.1 錨固定位

在“三航工5”下潛/上浮過程中，采用八字錨系泊的方式進行錨固定位，抵御環(huán)境荷載。由于不同形狀的半潛駁有所區(qū)別，“三航工5”的錨泊系統(tǒng)如果按照常規(guī)的舾裝數(shù)配置，可能無法滿足下潛/上浮過程中的錨固定位要求，存在走錨風險。所以根據(jù)舾裝數(shù)（3 138.5）實船配置艏錨2 口，為海軍錨，每口重量10 t。另外船尾配置艉錨2 口，與艏錨規(guī)格相同。船首又另配斯貝克錨1 口，重8.7 t，如圖2 所示。

圖2 “三航工5”錨泊示意圖Fig.2 Anchoring of Sanhang Gong 5

“三航工5”下潛操作過程中為避免漂移，選擇在適宜的風浪環(huán)境條件下進行，并始終保持八字系泊形態(tài)（圖2）。“三航工5”下潛過程中，隨著吃水的逐漸增加受海流作用的船體浸沒表面積也不斷增加。由于船舶所受的海流力與海流的流速平方成正比（式（1），拖曳力系數(shù)參考Munson 的相關(guān)教材[2]），當海流較大時“三航工5”在不同吃水條件下所受到的海流力差異較大（表2）。

式中：籽為海水密度；A 為迎流面積；V 為海流流速。

表2 “三航工5”順流海流力Table 2 Current load of Sanhang Gong 5 under head sea condition

由于作業(yè)風場為淤泥底質(zhì)條件，“三航工5”所采用的海軍無桿錨的抓地力與錨重比值大概為3頤1[3]。當流速達到2.3 m/s、吃水接近12 m 時，海流力將達到200 t。順流條件下，船首方向2 口無桿海軍錨和1 口斯貝克錨同時起作用可提供沿海流方向的抓地力不足70 t，遠小于海流力，此時“三航工5”將出現(xiàn)走錨，影響施工安全。

為應(yīng)對走錨風險，可行的辦法是嚴格限制作業(yè)時的海水流速，尋找合適的作業(yè)窗口。經(jīng)計算，當“三航工5”嚴格順流下潛作業(yè)時，流速限制應(yīng)在1.3 m/s 以下。由于下潛作業(yè)持續(xù)時間較短（約1.5 h），尋找流速較低的作業(yè)窗口是可行的（如平潮期和停潮期）。

3.2 坐底穩(wěn)性

當船舶坐落海床之后，環(huán)境荷載作用于船體將迫使船舶出現(xiàn)傾斜與平移的趨勢，形成傾覆力矩和滑移力。船舶依靠海床的支撐抵消傾覆力矩、依靠船底與海床之間的摩擦力來抵消滑移力，使得船舶穩(wěn)定于海床的能力就是坐底穩(wěn)性。中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》[4]規(guī)定了在坐底穩(wěn)性中需要考慮的3 個技術(shù)指標：抗傾覆穩(wěn)性、抗滑移穩(wěn)性和地基承載力，并考慮海底沖刷的影響，可作為“三航工5”坐底的相關(guān)計算參考。

在計算坐底穩(wěn)性時需要考慮風、浪、流的共同作用。從抗傾覆和抗滑移2 項坐底穩(wěn)性指標來說，最為不利的風浪流組合是當三者沿同一方向橫向?qū)Α叭焦?”入射。“三航工5”在下潛過程中，由于錨固定位船舶時需要嚴格順流作業(yè)，考慮該風場的海流方向較為一致，最大的漲落潮流流向夾角的余角為30毅，因此實際坐底時海流方向不會橫向入射。在計算時，可認為嚴格按照順流下潛作業(yè)的“三航工5”，最不利的海流方向為沿船長偏30毅方向（圖2）。

計算環(huán)境荷載時，風和流荷載可認為是定常荷載，海水流速2.3 m/s、風速（采用6 級風的數(shù)據(jù)）13.8 m/s。波浪力的計算采用基于邊界元法的水動力計算：首先通過邊界元法計算波浪力傳遞函數(shù)TransF（圖3），通過式（2）計算得到波浪力譜SR（棕）（圖4）。

其中：S（棕）為波浪譜（圖5）。對于淺水波條件的隨機涌浪，可選取PM 譜。

3 h 隨機海況的最大波浪力可采用計算對應(yīng)某一超越概率琢的波浪力的方法（式（3））得到。根據(jù)風場實測環(huán)境數(shù)據(jù)，選取有義波高1 m 的隨機波計算波浪力。經(jīng)計算，對應(yīng)12 m 吃水、橫浪條件下（圖2）的最大波浪力為353 t。

其中：m0為SR（棕）的零階矩。

圖3 波浪力傳遞函數(shù)Fig.3 Wave force transfer function

圖4 波浪力譜Fig.4 Wave force spectrum

圖5 波浪譜Fig.5 Wave spectrum

坐底穩(wěn)性的抗力計算需要考慮船底海床接觸面積的掏空。對于樁式結(jié)構(gòu)物的沖刷研究表明，沖刷深度會隨著雷諾數(shù)的增大而增大[5]。但大尺度結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沖刷相對較為復(fù)雜，并且同時需要關(guān)注沖刷導(dǎo)致的底部掏空。王仲捷[6]針對坐底式鉆井平臺的沖刷進行了試驗研究，研究結(jié)果表明不同的波流入射角度所引起的流線區(qū)別會導(dǎo)致沖刷掏空出現(xiàn)較大差別，其試驗測出最大掏空面積比例為15%。由此認為中國船級社《海上移動平臺入級規(guī)范》中規(guī)定的20%掏空面積是足夠保守的，可適用于“三航工5”坐底穩(wěn)性的抗力計算。

在抗傾覆穩(wěn)性計算中，不考慮任何海床的有利作用（如吸附力）[2]，抗傾覆彎矩完全由船舶自身重力來平衡。計算結(jié)果表明，6 級風況、流速2.3 m/s、有義波高1 m 的隨機波浪海況下傾覆力矩為29 837 t·m?？紤]船底20%面積掏空、超加壓載水為3 000 t 時，抗傾覆力矩約為51 637 t·m，可以滿足抗傾覆穩(wěn)性衡準要求。

在抗滑移穩(wěn)性計算中，抗滑移力的計算需要考慮結(jié)構(gòu)-土相互作用，是目前業(yè)界計算方法差異較大的部分。針對淤泥底質(zhì)條件，目前業(yè)界使用較多的是API 方法[7]（式（4））和DNV 方法[8]（式（5））。DNV 方法與API 方法的主要區(qū)別在于DNV 方法考慮了一定的被動土壓力。

式中：c 為土的不排水抗剪強度；A 為平臺坐底面積；AS為船體埋深部分所形成的側(cè)向投影面積。由于“三航工5”的船底具有一定傾角（0.9毅），因此當其垂直坐底時，入泥深度隨著超加壓載水量發(fā)生變化，進而船底的坐底面積會發(fā)生變化，最終影響抗滑移力（圖6）。采用抗傾覆穩(wěn)性計算相同的環(huán)境條件，得到滑移力為574 t，按照規(guī)范要求的安全系數(shù)1.4 進行復(fù)核，若采用API 方法計算抗滑移力，超加壓載水量需達到4 500 t。

當“三航工5”坐底吊裝作業(yè)時，吊機吊重力矩使得基底最大壓力有所增加，當超加壓載水為4 500 t 時，將無法滿足地基承載力的要求。為保證坐底船不產(chǎn)生非均勻沉降，可通過減少壓載水的手段來保持地基承載能力。經(jīng)驗算，考慮最不利吊重力矩為8 000 kN·m 時，對于初始壓載量為4 500 t 的工況，壓載水需卸載至2 500 t 以保證滿足地基承載力的要求。此時，由于超加壓載水4 500 t 所形成的入泥深度不會隨著壓載水的卸載而發(fā)生變化（即海床變形不會回彈），抗滑移力保持不變。同時，壓載水卸載至2 500 t 時，抗傾覆力矩約為43 030 t·m，安全系數(shù)為1.44。

4 結(jié)語

1）“三航工5”在設(shè)計階段已進行半潛工況的計算，在實船作業(yè)過程中，嚴格按照半潛操作手冊進行操作可滿足穩(wěn)性和強度指標，無需進行個案分析。

2）從風場淤泥底質(zhì)條件以及所配錨的抓力系數(shù)角度分析，證明了“三航工5”在下潛、上浮過程中存在走錨風險。基于作業(yè)安全考慮，必須采用限制作業(yè)流速條件的方式進行操作，即流速限制在1.3 m/s 以內(nèi)，選擇平潮或停潮期間進行下潛、上浮，可避免走錨發(fā)生。

3）當“三航工5”坐底后，其抗傾覆穩(wěn)性完全由其自身重量提供，3 000 t 超壓載水即可以滿足抗傾覆穩(wěn)性衡準要求。然而，計算表明船舶超加壓載水量需提高至4 500 t 才能滿足抗滑移穩(wěn)性的要求。但超壓載水量增加至4 500 t 之后，無法滿足地基承載力的要求，因此需采用預(yù)壓載4 500 t后將超加壓載水減小至2 500 t 的方法來滿足地基承載力的要求。