海管碎石保护结构抵抗拖锚危害的模型试验研究

闫澍旺，郭冠群，任宇晓，孙立强，雷震名

(1.天津大学建工学院，天津 300072;2.海洋工程股份有限公司，天津 300451)

船在强风暴作用下可能发生走锚，拖动的锚可能对海底管线造成破坏，目前已经有这方面的报道［1］。现有海管保护措施主要为将海管放置在挖好的沟槽中并覆盖碎石进行保护［2］，但对其保护效果和机理的研究还很少。唐尧［3］对走锚船运动形式进行了研究，分析了锚泊船走锚的机理。挪威船级社提出的海底管线系统规范DNV-OS-F101［4］对管线可能受到的坠落物的撞击、锚的拖拉以及渔网拖拉的保护措施提出了建议。Wang等［5］利用有限元软件ABAQUS建立模型模拟锚体拖动经过管线保护层的过程和拖动轨迹，并与离心模型试验的结果进行了对比。

通过在模型槽中对不同比尺的锚进行拖曳试验，研究发生走锚时，碎石结构对海底管线的保护效果和保护机理，供实际工程中铺设海管保护结构设计参考。

1 试验装置

1.1 试验槽

本试验采用特制的工字钢和钢化玻璃组成的大型试验槽，试验槽尺寸为3 000 mm×1 000 mm×600 mm(长×宽×深)，如图1所示。

1.2 地基土与碎石材料

试验槽内土体包括细砂和碎石保护结构，细砂和碎石上表面齐平，细砂平均粒径d50=0.43 mm。碎石保护结构横截面为梯形，高约420 mm，底面宽度500 mm，面向拖锚一侧坡度为1∶3，另一侧为1∶0.6，平均粒径d50=20 mm。

1.3 模型锚

本试验以商船常用的霍尔锚为原型，按不同比尺定制了质量分别为70.5 kg、23.9 kg和5.7 kg三种尺寸的模型锚，如图2所示。

图1 大型试验槽Fig.1 A large test flume

图2 模型锚Fig.2 Anchor models

1.4 量测和加荷设备

本试验中，将量程为5 t的拉力传感器与锚相连从而实时测量拖拽力，测得的拉力变化通过数据采集仪传输到笔记本电脑中;加荷设备由电机、变速箱、带滑轮的支架、钢丝绳和铁链组成，钢丝绳和铁链基本水平，模拟实际船舶锚链的拖底部分，使锚体受到水平拉力。

2 试验方法和过程

根据落锚位置的不同情况，对3个模型锚共进行10次拖锚试验，每次试验时锚的初始位置和埋设深度如表1所示。模型锚的具体初始位置和拖拽距离可以从图4至图6中读出。

表1 拖锚试验情况说明Tab.1 Introductions of dragging anchor tests

每次试验开始时，将相应模型锚放置于表1对应位置，用连接好拉力传感器的锚链将锚体与电机相连。启动电机后，每隔一定时间测量锚爪尖端的水平位置和深度，直到锚体运动到试验槽尽头。以落锚处距离碎石较远工况下70.5 kg模型锚试验为例，试验现场拖锚过程如图3所示。

图3 拖锚试验过程Fig.3 Anchor dragging test procedure

拖拽过程中，锚可视为刚体，因此可以根据固定测点位置的变化由几何关系计算出锚爪尖端的竖向和水平位置。

3 试验结果与分析

3.1 锚爪尖端运动轨迹

对试验结果进行处理，得到70.5 kg、5.7 kg和23.9 kg模型锚不同工况下锚爪尖端入土深度和锚抓力随锚爪尖端位置变化，如图4至图6所示。所有曲线图的横轴以试验槽起始一端端点为零点。

图4 70.5 kg模型锚试验曲线Fig.4 Test curve of the anchor model weighing 70.5 kilograms

图5 5.7 kg模型锚试验曲线Fig.5 Test curve of the anchor model weighing 5.7 kilograms

通过观察试验过程及试验曲线可知，模型锚受拖拽经过碎石保护结构前后的运动过程:

1)锚体落在细砂表面。拖拽开始时，锚爪开始向砂土中嵌入，锚爪与锚柄夹角增大，锚抓力增大，锚体在砂土中的深度先增大然后趋于稳定;锚体接触到碎石保护结构后，锚爪与水平面夹角增大，锚冠抬升，锚爪深度有所减小，锚抓力减小，然后再次达到稳定状态。

图6 23.9 kg模型锚入土深度和锚抓力变化曲线Fig.6 Changing curve of depth and anchor holding power of anchor model weighing 23.9 kilograms

2)锚体落下时嵌入细砂一定深度。拖拽开始时，锚体在斜向上的拖拽力作用下深度稍有减小，锚抓力增大，进入碎石结构之后，锚体抬升，锚抓力减小，达到稳定状态。

由试验结果可知，锚体进入碎石保护结构后，土阻力增大，作用在锚上的不平衡力矩使锚体发生旋转，锚爪尖位置上移远离埋设管线，因而可以起到对海底管线的保护作用。

3.2 碎石结构保护机理分析

碎石结构使锚爪深度减小的原因是锚爪与水平面夹角增大，锚冠抬升，这一过程可以看做是锚体围绕锚柄一端端点发生旋转的过程，以下将对锚体旋转的过程和机理进行分析说明。

3.2.1 拖锚过程中锚体受力分析

为便于说明，将锚体形状简化为丁字形，简化方法如图7(a)所示，锚在土体中运动时的受力图如图7(b)所示。

图7 锚体受力简化示意Fig.7 Sketch map of the anchor under stress

图7(b)为锚在细砂中运动的受力图，如图所示，拖动过程中，锚体所受外力包括:锚自身的重力G，拖拽力F，土体对锚爪的被动土压力F土1和对锚冠的被动土压力F土2，以及土体对锚体的支持力N。对同一个锚来说，导致锚体在碎石中抬升的主要原因为锚体在不同土体中所受的被动土压力不同，因此对锚体所受被动土压力进行重点分析。

根据库伦土压力理论，锚体受到的被动土压力PP等于锚冠和锚爪所受被动土压力之和，可由式(1)计算:

式中:γ为土体容重，H1和H2为被动区厚度，Kp1和Kp2分别为锚冠和锚爪被动区的被动土压力系数，可由式(2)确定。

式中:φ为土体内摩擦角，α为锚冠或者锚爪与竖直方向夹角，δ为土体与锚体摩擦角，β为被动区土体表面与水平面夹角。将式(2)简化后对φ求导可知，被动土压力随内摩擦角φ增大而增大。

3.2.2 锚体转动机制分析

锚体所受的上述作用力形成使锚体转动和抵抗转动两方面的力矩，转动方向为顺时针方向，矩心为锚柄与锚链相连的一端端点O(见图7(b))，其中土体对锚的作用力产生转动力矩，锚自身的重力产生抗转力矩。土体对锚的作用力因拖拽力而产生，但拖拽力与矩心共线，不产生转动力矩。

对同一个锚来说，锚自身重力G不变，拖拽力F的大小取决于船舶所受到的凤浪流作用力以及锚链所受阻力，因此锚体能否发生转动直接取决于土体对锚的被动土压力F土1和F土2所产生的转动力矩。试验中，锚体在细砂中运动一定距离后即处于稳定的平动状态，此时锚体自身处于力矩平衡状态，不会发生转动。

碎石内摩擦角较大，对锚爪和锚冠的被动土压力较大，在抗转力矩不变的情况下，转动力矩增大，力矩平衡被打破，从而使锚体发生旋转，进而导致被动土压力减小，转动力矩减小，直到再次达到力矩平衡状态，锚体以较小的深度运动。

根据上述理论，对三个模型锚在细砂和碎石中所受的转动和抗转力矩进行了简单计算，计算结果如表2所示。由计算结果可知，在细砂中，模型锚所受转动力矩小于抗转力矩，因此锚体基本以平动的方式运动;进入碎石后，模型锚所受转动力矩大于抗转力矩，因此试验中锚体发生旋转。

表2 转动力矩和抗转力矩计算结果Tab.2 Calculation results of driving torque and resisting torque

虽然模型锚与实际船锚的尺寸和质量差距较大，但鉴于三种不同尺寸模型锚的试验结果近似，所反映的规律一致，且与计算结果规律吻合，因此本试验的尺寸效应不明显，上述模型锚的运动过程和转动机理适用于实际船锚。

4 结语

在模型槽中模拟了地基土和碎石保护结构，采用三种不同尺度的模型锚进行了模型试验，在试验中通过改变试验初始状态锚体的埋置深度和相距碎石保护结构的距离，模拟不同工况下拖锚经过碎石保护结构的过程，实时测量锚体入土深度和锚抓力的变化。通过试验结果和理论分析，得出了碎石保护结构海底管线免受拖锚危害的机理，即锚体由地基土进入碎石保护结构后，土阻力增大，作用在锚上的不平衡力矩使锚体发生旋转，锚爪尖端位置上移远离埋设管线，因而可以起到对海底管线的保护作用。

［1］ 王茜，赵建平.海底管道第三方破坏失效状况模糊故障树分析［J］.天然气工业，2008，28(5):109-111.(WANG Qian，ZHAO Jianping.Fuzzy fault tree analysis method on submarine pipelines fault by the third-party damage［J］.Natural Gas Industry，2008，28(5):109-111.(in Chinese))

［2］ 宣凯.抛锚作业对海底管线损害研究［D］.大连:大连海事大学，2012.(XUAN Kai.The study on anchoring damage to subsea pipelines［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2012.(in Chinese))

［3］ 唐尧.船舶走锚方式的研究［D］.大连:大连海事大学，2012.(TANG Yao.Research on the movement patterns of ships go anchoring［D］.Dalian:Dalian Maritime University，2012.(in Chinese))

［4］ DNV-OS-FI0l，DNV recommended practice.submarine pipeline systems［S］.Det Norske Veritas，2007.

［5］ WANG L Q，CHIA H K，WEI J W，et al.FEA-based study of pipeline protection from anchors［C］//Proceeding of 28th International Conference on Ocean，Offshore and Arctic Engineering.American Society of Mechanical Engineers，2009:859-866.