閆宏生， 苑 恒， 李懷亮， 于文太， 孟祥偉

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072；2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300252)

0 引 言

隨著我國開發(fā)海洋步伐的穩(wěn)步推進，越來越多的海洋固定式平臺、浮動式平臺和單點系泊系統(tǒng)不斷地在我國渤海、南海投入使用，各種形式的系泊基礎(chǔ)在海洋工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。懸鏈錨腿系泊(Catenary Anchor Leg Mooring，CALM)型單點系泊系統(tǒng)的系泊方式靠錨鏈或鋼纜附加一定配重，以此提供恢復(fù)力。系泊所用錨鏈的一端附著在海底，此時系泊基礎(chǔ)主要承受橫向水平載荷。但是在極端海況下，系泊基礎(chǔ)可能會與錨鏈產(chǎn)生一定的夾角，使其承受較大的垂向載荷。國內(nèi)外工程實例普遍使用大抓力拖曳錨和打入式錨樁兩種形式，但近年來吸力錨因具有安裝施工方便、可重復(fù)利用及可承受較大垂向載荷等優(yōu)點被廣泛研究和使用。因此，對系泊形式進行計算比較和分析對海上重大工程項目施工前的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。

當(dāng)前，已有國內(nèi)外學(xué)者針對大抓力錨和吸力錨在實際生產(chǎn)工程應(yīng)用中的技術(shù)問題進行研究。蔣治強[1]在不同的底質(zhì)條件下對新型大抓力錨的抓力系數(shù)進行模型試驗，分析錨鏈鋪臥在海底土壤上對錨抓底性能的影響。尚謹(jǐn)[2]對大抓力錨的強度和疲勞特性進行優(yōu)化分析，優(yōu)化錨桿形狀，并對延長錨的疲勞壽命提出合理建議。陳峰等[3]基于砂土和黏土中的室內(nèi)模型試驗采用能量法創(chuàng)建拖曳錨落深的理論計算方法，開展數(shù)值模擬分析，對不同土質(zhì)條件中的下落深度進行研究。徐偉等[4]分別用理論計算方法和基于耦合歐拉拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL)算法的有限元數(shù)值分析方法，得出常用大抓力錨嚙土深度和影響范圍，并通過砂土中的拖錨試驗確定海底錨鏈或線纜的最佳埋設(shè)深度。秦春蕾[5]對砂土地基貫入過程中吸力大小和初始埋深對整體沉貫效果的影響進行分析，得到吸力錨筒負壓值、初始埋深與沉貫速度的關(guān)系。金書成等[6]利用三維有限元模型，依靠極限平衡解法推導(dǎo)吸力錨筒在飽和砂土條件下極限水平承載力的計算公式。李大勇等[7]分析吸力錨筒的靜力平衡條件，獲得滿足沉貫的最小吸力值，運用Hencky應(yīng)力方程推導(dǎo)錨筒內(nèi)外側(cè)土體間有效應(yīng)力表達式。李颯等[8]運用ANSYS建立深海吸力錨錨鏈與海底土壤相互作用模型，改變錨固點的埋深、土體強度等自變量，得到出土點載荷與系泊點載荷的比值隨自變量的變化情況。馮婷婷等[9]應(yīng)用有限元軟件Abaqus，編制Python腳本程序，實現(xiàn)不跟蹤循環(huán)載荷即可模擬吸力錨在軟土中受循環(huán)載荷作用而逐漸累積變形至最終失穩(wěn)過程的擬動力算法。張大朋等[10]運用OrcaFlex 軟件對吸力錨下放過程進行動力學(xué)分析，得到吸力錨在順浪和橫浪作用下的動力響應(yīng)。

本文在國內(nèi)外研究規(guī)范的基礎(chǔ)上，針對大抓力拖曳錨和吸力錨兩種系泊基礎(chǔ)進行研究，分析各自的適用環(huán)境條件和規(guī)律，總結(jié)其在實際應(yīng)用中的優(yōu)劣勢，對其使用特點加以比較，利用程序設(shè)計語言Visual Basic設(shè)計研發(fā)輔助分析設(shè)計軟件，通過算例驗證可靠性。

1 系泊機理分析

1.1 大抓力錨

大抓力拖曳錨是常用的最古老的系泊基礎(chǔ)形式之一，在船舶與海洋工程暫時或永久系泊等方面有著廣泛的應(yīng)用。大抓力錨的拋錨形式為穿透海底土壤后拖行埋置，可以選擇局部或全部穿入海床土壤中，由錨爪前土壤阻力產(chǎn)生抓力，并以抓重比(或抓力系數(shù))來表征其錨固特性。拖入式埋置錨抵御大的水平負載能力較強，但對于抵御較大垂直負載則略顯不足。因此，與錨爪相連的錨鏈須保證足夠的長度，盡可能滿足錨鏈在連接處與海底土壤平面相切。

在CALM型單點系泊系統(tǒng)中，通常采用大抓力錨作為系泊基礎(chǔ)。在設(shè)計應(yīng)用大抓力錨時，需要解決以下問題：

(1) 錨固阻力與安裝線張力的關(guān)系；

(2) 安裝程序步驟以及海底土壤固結(jié)和循環(huán)加載影響；

(3) 錨的最小安裝張力。

如圖1所示：設(shè)定特征錨固阻力RC是安裝錨固阻力Ri與預(yù)計安裝后固結(jié)和循環(huán)加載時的阻力(ΔRcons和ΔRcy)總和；在下沉點處阻力增加了可能的海底摩擦ΔRfric。在錨固階段，假設(shè)海床土壤上的錨鏈長度為LS，當(dāng)LS>0時，RC的求解表達式為

RC=Ri+ΔRcons+ΔRcy+ΔRfric

(1)

假設(shè)目標(biāo)安裝線張力Ti得到充分的測量和記錄，然后將預(yù)阻力ΔRcons、ΔRcy、ΔRfric和Ri相加，得到所需的特征錨固阻力RC即為接地點所需的最小安裝張力Tmin，可得表達式如下：

Ti=Tmin-μW′lLS,i

(2)

式中：μ為海底土壤的摩擦因數(shù)；W′l為單位長度的接觸海床的錨鏈所受重力大?。籐S,i為錨鏈與海床的實際接觸長度。

由式(1)和式(2)可知，Ri取決于LS,i和線張力的正確評估。若LS,i>LS，則Tmin必須相應(yīng)增加，使得轉(zhuǎn)移至下沉點的負載等于該點的Ti。

注：zi為大抓力錨錨固狀態(tài)的穿透深度圖1 大抓力錨錨固狀態(tài)受力分析示例

在觸地點處的設(shè)計線張力Td是計算出的2個特征線張力分量TC-mean和TC-dyn與其各自的局部安全因數(shù)gmean、gdyn的乘積之和。同樣地，設(shè)計錨固阻力在計算中也須附上局部安全因數(shù)的考量，即

Td=TC-meangmean+TC-dyngdyn

(3)

Rd=Ri+(ΔRcons+ΔRcy+ΔRfric)/gm

(4)

式中：TC-mean為預(yù)張力的特征平均線張力，受環(huán)境狀態(tài)和環(huán)境平均負荷的影響；TC-dyn為特征動態(tài)線張力，張力數(shù)值的增加由振蕩低頻和波頻效應(yīng)引起；gm為錨固阻力局部安全因數(shù)。

Tmin的具體數(shù)值將在很大程度上決定安裝大抓力錨過程中巖土工程的安全性。在錨固期間海床上的錨鏈長度LS,i可能與錨設(shè)計計算中假設(shè)的長度LS不同，在海床沒有隆起的情況下，Tmin可由式(5)計算得到：

Tmin=Td+μW′lLS,igm,i-
(ΔRcons+ΔRcy+ΔRfric)/gm

(5)

式中：gm,i為海床局部安全因數(shù)。ΔRcons的數(shù)值與土壤固結(jié)因子有關(guān)。計算過程中所需的海底土壤摩擦因數(shù)μ和土壤固結(jié)因子兩項參數(shù)可通過查表(見表1和表2)方式進行數(shù)值選取。土壤敏感性這一自變量的值等于土壤不排水抗剪強度與重塑的不排水抗剪強度的比值，其數(shù)值與土壤試驗結(jié)果相關(guān)。

表1 海底土壤摩擦因數(shù)μ參考表

表2 土壤固結(jié)因子參考表

1.2 吸力錨

吸力錨形狀近似于一個頂部密封、底部開口的圓筒，由其側(cè)面的土壤阻力和摩擦力產(chǎn)生抓力，主要用于黏土型底質(zhì)，也可用于細沙或顆粒層，能同時承受錨鏈水平和垂向載荷。吸力錨筒設(shè)計較為簡單、安裝較方便、安裝時間較短，在深海錨固基礎(chǔ)中得到廣泛的應(yīng)用，已成功應(yīng)用于多種海洋工程結(jié)構(gòu)物。

如圖2所示，與大抓力錨拖入埋置土壤安裝拋錨形式不同，吸力錨在安裝時,利用其自重加上壓載使錨筒保持豎直下沉貫入海床土壤一段距離,而后以封閉管口和抽水等形式降低錨筒內(nèi)部的壓力,使錨筒內(nèi)外產(chǎn)生壓強差，從而在頂部產(chǎn)生持續(xù)向下的力并超過海床土壤的阻力，保持吸力錨沉貫至錨筒內(nèi)頂部與海床土壤相接觸停止，穩(wěn)定后錨筒內(nèi)外壓強會在一段時間內(nèi)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，吸力錨完成安裝并保持錨固狀態(tài)，由錨筒內(nèi)外側(cè)壁的土壤摩擦阻力和吸附力來承受水平或垂直載荷。與大抓力錨相比，吸力錨施工定位準(zhǔn)確，使其對其他海上作業(yè)活動產(chǎn)生干擾的可能性顯著降低[11]。

在實際應(yīng)用拋錨形式的對比中，吸力錨最大的優(yōu)勢在于：大抓力錨在拖曳進土的安裝過程中須滿足與錨爪相連的錨鏈保持預(yù)張緊狀態(tài)；吸力錨系泊基礎(chǔ)則略有不同,在其安裝過程中與錨筒相連的錨鏈可保持較松弛狀態(tài)，如圖3所示，其中p點為錨筒與錨鏈的交接處，為負載附接點，當(dāng)水下錨筒安裝結(jié)束后,需要水面設(shè)備對連接錨鏈進行張緊，使其滿足系泊所需的張力，能夠為浮式平臺等海上設(shè)施提供更加有效且穩(wěn)定的系泊。

圖2 吸力錨的安裝過程

圖3 吸力錨的錨泊線布置

(6)

循環(huán)加載因子Ucy的取值取決于吸力錨失效的等效循環(huán)次數(shù)Neqv。由此確定的在邊墻穿透之前完整的不排水循環(huán)剪切強度τf,cy,D=Ucysu,D用作參考循環(huán)強度，用于確定相應(yīng)的三軸壓縮循環(huán)剪切強度τf,cy,C=CCτf,cy,D和三軸延伸循環(huán)剪切強度τf,cy,E=CEτf,cy,D。這些強度之間的轉(zhuǎn)換比率CC、CE和不排水抗剪強度su,D的值隨特定海床土壤位置變化而改變，并且理想錨固位置應(yīng)基于來自實際場地的海底土壤樣本充分的試驗結(jié)果得出。

由于沿邊墻的垂直剪應(yīng)力與土壓力之間的耦合，以及錨底部的水平剪切應(yīng)力和反向承載力，得到的水平和垂直錨固阻力分量Rh=Tpcos(αp)和Rv=Tpsin(αp)，其中在水深zp處的線張力失效(此處假設(shè)錨的水下重量W′包括在Rv中)，通過令由土壤反作用力產(chǎn)生圍繞邊墻端部中心水平處作用于錨的合成力矩Msoil為零來找到負載附接點的最佳深度zp：

Msoil=Tpcos(αp)(H-zp)-Tpsin(αp)xp

(7)

式中：Tp為在負載附接點處施加與水平方向所夾為αp的加載角度方向的線張力；H為吸力錨邊墻高度；xp為從錨的垂直中心線至負載附接點的水平距離。

當(dāng)吸力錨失效模式是無旋轉(zhuǎn)的純平移時，通?？梢詫崿F(xiàn)取得穿透阻力Qtot：

Qtot=Qside+Qtip=
Awallαsu,D,av+(Ncsu,tip,av+γ′H)Atip

(8)

式中：Qside為吸力錨筒側(cè)壁提供的阻力；Qtip為吸力錨筒頂部提供的阻力；Awall為吸力錨內(nèi)外邊墻面積；α為剪切強度系數(shù)(通常假設(shè)為黏土敏感性的倒數(shù))；su,tip,av=(τf,cy,C+τf,cy,D+τf,cy,E)/3，為平均不排水剪切強度；γ′為土壤有效容重；Atip為端部面積。

2 計算分析流程及軟件設(shè)計

2.1 計算流程的程序框架

根據(jù)理論計算原理，分別繪制大抓力錨和吸力錨兩種計算流程程序框架，如圖4和圖5所示。

圖4 大抓力錨計算程序流程圖

圖5 吸力錨計算程序流程圖

2.2 軟件設(shè)計

依據(jù)上述理論，編制“CALM型單點系泊系統(tǒng)設(shè)計軟件”。該軟件可用于系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)的選擇應(yīng)用和安全性校核。輸入相應(yīng)備選錨的成品型號、土壤和風(fēng)浪等其他環(huán)境參數(shù)，模擬計算得出理論承載力、錨鏈張力等可靠性數(shù)值并一鍵生成導(dǎo)出詳細的工程報表，以供對比選擇。軟件計算程序主界面如圖6和圖7所示。

圖6 大抓力錨計算程序主界面

圖7 吸力錨計算程序主界面

3 算例分析

以同種特定海洋環(huán)境條件下分別應(yīng)用大抓力錨和吸力錨為例呈現(xiàn)CALM算例進行分析。由計算可知，水面端位置的錨鏈在該處風(fēng)浪流等外部環(huán)境條件作用下，錨鏈負載附接點處所需承受的預(yù)張力為1 017 kN。水深為20.7 m，海底土壤為細質(zhì)砂土，其環(huán)境條件主要參數(shù)如表3所示，其中特別注意選取無明顯分層、海床坡度角為0°的土壤，兼顧大抓力錨和吸力錨的基本錨固安裝要求。算例驗證過程中計算所需確定的各項運算因數(shù)如表4所示。

表3 土壤環(huán)境條件主要參數(shù)對照表

表4 算例驗證各項運算因數(shù)對照表

在對大抓力錨和吸力錨兩種錨的選擇上，不僅需要考慮錨自身的固有參數(shù)，而且需要考慮錨鏈和負載所施加的角度等特定環(huán)境下的參數(shù)，如表5和表6所示。在所設(shè)計的計算軟件程序的協(xié)助下，根據(jù)這些參數(shù)可直接進行代入求解。

借助計算輔助軟件程序分別進行算例參數(shù)的輸入，輸出相應(yīng)計算結(jié)果如表7和表8所示，同時可根據(jù)需要一鍵生成算例計算報表，其中涵蓋所有輸入輸出項，并以Excel表格文檔的形式導(dǎo)出，更加直觀便于比較。

表5 大抓力錨參數(shù)

表6 吸力錨參數(shù)

表7 大抓力錨算例結(jié)果 kN

表8 吸力錨算例結(jié)果

由上述算例驗證過程可知：在實際應(yīng)用安全穩(wěn)定性對比中，大抓力錨需要計算驗證錨鏈設(shè)計線預(yù)張力Td小于錨的設(shè)計錨固阻力Rd，方可確定在該土壤環(huán)境下大抓力錨不會出現(xiàn)錨鏈將錨爪從土壤中帶出的走錨事故，而后通過計算確定最小安裝張力可以滿足工程需要的能力范圍即可考慮投入應(yīng)用；吸力錨需要通過計算驗證，首先保證其端部所受土壤產(chǎn)生水平合成力矩Msoil趨近于零，從而保證土壤相對于吸力錨筒穩(wěn)定不因力矩失衡而破壞或產(chǎn)生滑移，防止走錨事故發(fā)生，而后通過計算得出吸力錨穿透阻力Qtot以及允許負壓和必要負壓。

4 結(jié) 論

單點系泊系統(tǒng)中系泊基礎(chǔ)形式的選擇對于海上工程項目的平穩(wěn)推進有著重要的作用。對大抓力錨和吸力錨系泊機理進行概括梳理，應(yīng)用計算輔助程序進行實際工程算例計算驗證分析，并進行安裝過程詳解和計算結(jié)果的比較，結(jié)果表明：

大抓力錨和吸力錨在如上相同海洋土壤環(huán)境下進行測試：大抓力錨的錨鏈線張力和錨固阻力均超過環(huán)境工況下預(yù)張力1 017 kN；吸力錨的穿透阻力為3 591.500 kN，顯著優(yōu)于大抓力錨的錨固阻力1 502.499 kN。因此，在海床土壤條件允許的情況下，與大抓力錨相比，選擇吸力錨進行錨泊會有更佳的安全穩(wěn)定性，且吸力錨對筒內(nèi)負壓的求解結(jié)果可以允許在實際安裝施工過程中采用負壓下沉，加快施工進度，加速錨泊系統(tǒng)穩(wěn)定性的實現(xiàn)。

在實際應(yīng)用海洋工況環(huán)境中，大抓力錨對海底土壤的顆粒大小有較為廣泛的適用性，但在有明顯分層的土壤環(huán)境中使用大抓力錨有較大的走錨風(fēng)險。在實際應(yīng)用拋錨形式對比中，大抓力錨較為傳統(tǒng)的安裝方式?jīng)Q定了大抓力錨更加便于攜帶和安裝，適用于大型船舶的海上臨時作業(yè)拋錨固定或海上大型工程項目的短期錨固，能在保證穩(wěn)定的情況下有效降低作業(yè)難度，自有其應(yīng)用優(yōu)勢。

與大抓力錨相比，在實際應(yīng)用海洋工況環(huán)境中，吸力錨對細軟土質(zhì)的適用性相對更廣泛，可以相對弱化考慮土壤分層的問題，且錨的承載力和錨固穩(wěn)定性相對突出。但吸力錨垂直安裝的特殊拋錨形式要求海底土壤的坡度角不可超過5°，這對安裝使用技術(shù)要求更高。但是垂直安裝的方式可以保證施工定位準(zhǔn)確，對其他海上作業(yè)活動產(chǎn)生干擾的可能性顯著降低。同時與傳統(tǒng)的大抓力錨等系泊基礎(chǔ)形式相比，采用吸力錨筒還可以節(jié)約用鋼材料的量，為工程項目節(jié)約資金、降低制造成本，更具優(yōu)勢。