淤泥质海床中海上风电坐底安装平台地基稳性研究

喻旭明，王菁，杜宇，胡灵斌

（1.中广核新能源控股（深圳）有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310000；2.中交第三航务工程局有限公司技术中心，上海 200032）

0 引言

随着近年海上能源的进一步开发，海上风电安装作业任务不断加大。为满足海上风电施工现场的起吊安装要求，常改造坐底船应用于风电工程中的风机安装，有效解决了自升式安装船数量不足的问题。“三航工5”即为中交三航局改造过的半潜式坐底式安装平台[1]，在中广核岱山4号海上风电场进行风电机组安装作业施工中，多次发生淘空、倾斜、滑移等事故，不仅严重影响施工生产时效和施工安全，还造成较大经济损失。为避免或最大限度减少此类事故的发生，本文从“三航工5”坐底安装平台的自身结构形状出发，结合中广核岱山4号海上风电场软弱海床地质特点，以及当地风、浪、流特性，分析研究坐底安装平台淘空、滑移的成因，并提出针对性的预防措施保证施工安全作业。

1 工程概况

“三航工5”在船舶设计阶段结合江苏海域环境条件，主要针对粉性土、砂性土海床进行了坐底稳性的计算，假定船体坐底不入泥，重点考虑坐底后基床冲刷导致的接地面积减少，采用的抗倾覆、抗滑移安全系数分别为1.6与1.4[2]。但由于岱山风场海域为极软弱的淤泥质海床，海床条件差异会导致坐底稳性的计算相对于船舶设计阶段的计算出现变化。

1.1 地质条件

根据岱山风场的地勘资料，风场场址表层为淤泥层，其厚度高达十余至数十米。淤泥不排水抗剪强度cu为8 kPa，水下浮容重γ为6.6 kN/m3。

1.2 环境荷载

由于岱山风场海域的波浪以短波为主，长峰波及规则涌浪不明显。作业工况条件下有义波高设置为0.8 m，谱峰周期3 s。海流流速按照施工组织设计中提供的最大海流流速数据2.24 m/s来考虑。施工作业考虑6级风，风速稳定，为13.8m/s。

波浪计算采用基于边界元法（BEM）的波浪势流水动力数值计算，算得3 h稳定随机海况的最大波浪力为353 t；波浪与海流作用在小结构构件上的荷载采用莫里森方程进行处理，计算得到横流条件下，海流流速叠加波浪水质点速度在横流条件下的船舶拖曳力为212 t，顺流条件下为269 t；风荷载的计算采用原船设计单位提供的值，对应6级风况条件，风荷载为33 t。

2 坐底稳性分析

根据坐底船坐底施工时地基的实际破坏模式及相关规范，坐底稳性主要考虑地基承载能力、抗倾覆稳定性与抗滑移稳定性。

2.1 地基承载能力

坐底安装平台在进行下沉坐底作业时，在相应工况的环境载荷和重力载荷作用下，其对海床地基的应力应小于地基承载能力，并应防止过大的不均匀沉陷。

1）对一般黏性土，根据CCS[2]推荐，可采用API[3]中不排水分析公式计算：

式中：Q为地基破坏时的最大垂向力；cu为土壤的不排水剪切强度；Nc为无因次常数，取5.14；γ为土的总的单位重；D为基础埋置深度；A′为根据载荷偏心确定的基础的有效面积；Kc为考虑载荷倾斜、基础形状、埋置深度、基底倾斜、土表面倾斜的修正系数。

2）对很软的淤泥海床，也可使用DNV[4]中的不排水分析公式：

式中：Nc为无因次常数，取5.14；cu为土壤的不排水剪切强度；dca、sca、ica分别为深度因子、形状因子、倾斜因子，无量纲。

3）对于砂土，参考API[3]中的排水分析，如式（3）所示：

式中：Q′为地基破坏时的最大垂向力；c′为摩尔包络线的有效凝聚力截距；Nc、Nq、Nγ为承载力因数，Nc=（Nq-1）cot φ′，Nq表达式为[exp（πtan φ′）]·[tan2（45°+φ′/2）]，Nγ可近似为2（Nq+1）tan φ′；φ′为摩尔包络线的有效摩擦角；γ′为单位有效重量；B′为基础最小横向尺寸；A′为根据载荷偏心确定的基础有效面积；Kc、Kq、Kγ为考虑载荷倾斜、基础形状、埋置深度、基底倾斜、土表面倾斜的修正系数。

4）DNV[4]中完全排水条件下的计算公式如下所示：

式中：c为土体的黏结力；φ为土体内摩擦角；dγ、dq为深度因子，无量纲；sγ、sq为形状因子；iγ、iq为荷载倾斜因子。

用式（1）和式（2）计算淤泥质海床下，不同深度处地基极限承载力，并绘制两者变化关系曲线，根据平台底面受到的基底压力，即可找出对应的土层深度，如图1所示。

图1 设计承载强度qu随入泥深度变化关系曲线Fig.1 The relationship curve of the designed bearing strength quvaried with the penetration depth

2.2 抗倾覆稳定性

平台坐底时的抗倾稳性用抗倾安全系数kq来衡准，可按式（5）计算：

式中：Mk为考虑了平台重量、平台水下部分浮力和海床对平台的垂直支持力等作用后的抗倾覆力矩；Mq为风、浪、流对平台最不利情况的合成倾覆力矩。

参照CCS《海上移动平台入级规范》[2]第3篇第2章第5节对于坐底式平台的要求，抗倾安全系数kq在正常作业工况下不应小于1.6；在风暴自存工况下不应小于1.4。

2.3 抗滑移稳定性

平台坐底时的抗滑稳性用抗滑安全系数kh来衡准，可按下式计算：

式中：Fk为包括土壤的黏聚力、摩擦力、被动土压力的总和；Fh为风、浪、流对平台最不利的合成水平力。

参照CCS《海上移动平台入级规范》[2]第3篇第2章第5节对于坐底式平台的要求，抗滑安全系数Fh在正常作业工况下不应小于1.4；在风暴自存工况下不应小于1.2。

水闸、挡土墙和桥台等在使用期间，会受到较大的水平荷载（土压力、水压力等），其基础（底板）易发生水平滑移。基础（底板）与地基土间的接触面上的垂直压应力p及切应力的临界状态的关系适用于库伦定理[5]及下列关系式：

式中：τ为基础（底板）单位面积上的抗滑阻力（抗剪强度）；p为垂直压应力；φ0为基础（底板）与地基土间的摩擦角；c0为基础（底板）与地基土间的黏着力（附着力）。

而摩擦系数f=tan φ0是抗滑稳定验算中的关键数值。基底摩擦系数的近似值可在《水工建筑物》[6]或GB 5007—2001《建筑地基基础设计规范》[7]等文献中查到。我国对基底摩擦系数的测定十分重视，曾多次进行工地摩擦试验，不论现场浇制或是预制试块，当受力破坏时，滑裂面都是在地基土中发生，而不是在接触面发生。滑裂面基本呈弧形，当垂直压应力p较小时，其弧面上游小于下游；垂直压应力p较大时，弧面则中部较大，如图2所示。

图2 滑裂面形状与垂直压应力关系Fig.2 Relationship between the shape of the sliding surface and the vertical pressure

同时，对比工地摩擦试验与地基土室内直剪试验资料，两者存在一定联系。当基础发生滑动时，并不是沿接触面滑动，而是底板底面带动一薄层土一起滑动，所以其抗滑稳定程度与地基土的内摩擦角和凝聚力有关[5]。

目前通常参照API[3]规范和DNV[4]规范计算坐底式安装平台的抗滑移稳性。

1）参考API[3]规范中关于浅基础抗滑力的推荐算法：

①不排水分析

式中：A为考虑冲刷后的基础与地面的接触面积，m2。

②排水分析

2）DNV[4]规范中对浅埋基础抗滑力的推荐算法：

不同于API规范，DNV在计算抗滑力时考虑了结构物受到的侧向阻力，如式（10）所示。

式中：RE为结构物埋入土体中的侧向面积引起的土阻力，可理解为被动土压力EP与主动土压力EA之差，对正常固结土，当γz＞2cu时，可认为EPEA=4cu；RB为结构物端部受到的阻力，在不同土质条件下有不同计算方法。

①不排水分析

②排水分析

式中：Fv为竖向应力；a为结构物与土接触面之间摩阻力的折减系数。

3）为评估被动土压力对抗滑阻力的贡献，对结构物侧面受到的土压力用朗肯公式计算，而对结构物底部受到的水平阻力仍按式（8）计算。

图3为以上3种不同计算方法算得的淤泥质海床下抗滑力随入泥深度的变化规律。

图3 抗滑力随入泥深度变化关系曲线Fig.3 The relationship curve of sliding resistance varied with the penetration depth

由图3可以看出，入泥深度小于0.3 m前，由于船底入土面积不断增加，算得抗滑力随面积变化较大，当入土深度达到0.3 m后，抗滑力增加趋势变缓。在入泥深度较小的情况下，3种计算方法算得结果比较接近，API计算结果与深度无关，和DNV计算结果较相近，采用朗肯土压力公式计算被动土压力的方法计算结果偏差较大，不建议采用。

在缺乏设计经验指导的工程条件下，DNV[4]采用局部安全系数设计方法，通过调整荷载系数和材料系数取得适用于相应工况的的特征值，获得尽可能接近的目标安全等级，从而得到按这些系数和特征值表示的特殊的设计标准。参考DNV第8章，对于材料强度，规定计算抗滑移采用的土体剪切强度折减系数不小于计算地基承载能力的折减系数；对于荷载，校核地基承载能力时，采用可变荷载的最大值，而校核抗滑力时采用可变荷载最小值。

在校核地基承载能力时，针对不同的土质选取不同的强度折减系数，对于黏土，强度折减系数为1.3，对于砂土则选取较低的值，为1.2。此外，在设计计算工况中，当存在或确定采用预压荷载处理地基时，土体强度折减系数可选取较低的值[4]，这是因为预压荷载消除了某些土体剪切强度的不确定变化，在这种状态下，土体折减强度需考虑循环加载影响、基面结构贯入土体引起的局部重塑效应等不确定因素。

此外，在设计计算工况中，当存在或确定采用预压荷载处理地基时，材料折减系数可选取较低的值[4]，这是因为预压荷载消除了某些土体剪切强度的不确定变化，在这种状态下，土体折减强度需考虑循环加载影响、基础结构贯入土体引起的局部重塑效应等不确定因素。

3“三航工5”坐底安装平台稳性分析

由于“三航工5”船底不规则性，不同的坐底方式使得船底入土面积差别较大，从而对地基稳性计算有较大影响。本文主要考虑两种极端坐底方式。

1）倾斜坐底（静横倾）：假定最初船体一半船底面积接触海床，船舶落地后因外底斜升角0.9°而形成静横倾，船底不入泥，见图4（a）；

2）垂直坐底：假定船舶在海底淤泥中不发生明显横倾，而是左右舷均匀破土。保持此姿态均匀下沉入泥状态，见图4（b）。

图4 船舶坐底方式Fig.4 The bottom-supported mode of ship

3.1 坐底工况下估算入泥深度

针对平台坐底作业，不考虑波流荷载影响，仅根据坐底时压载量和地质参数，按照地基承载力极限平衡状态，预估船底入泥深度。

根据计算，静横倾状态下船底无需入泥；垂直坐底状态下，算得不同压载量下入泥深度如表1所示。由表中可知，压载量越大，对应坐底平台入泥深度越大。

表1 不同压载量下船舶入泥深度Table 1 The penetration depths of ship under different pressure loads

3.2 安装作业工况下平台地基稳性验算

1）抗倾覆稳性

对作业工况抗倾覆稳性进行计算，在计算中考虑抗倾覆力矩的贡献仅来自于船舶的湿重，不考虑吸附力[8]的贡献，算得船舶的抗倾覆安全系数为1.73，满足CCS规范[2]规定。

2）抗滑移稳性

在3.1节入泥深度计算结果的基础上，进一步分析坐底平台稳定性，计算平台的抗滑阻力，计算结果如表2所示。

表2 安装作业工况时不同压载量下抗滑力Table 2 The anti-sliding forces under different pressure loads in the installation condition

由表2可知，静横倾坐底时的抗滑移安全系数1.83，满足要求；垂直坐底时抗滑移安全系数只有在压载量达到45 000 kN时为1.47，满足CCS规范[2]规定的1.4的要求。

3）地基承载能力复核

根据CCS[2]第3章第2篇规定，平台在相应工况的环境载荷和重力载荷作用下，其海床地基应力应小于地基承载能力，并应防止过大的不均匀沉陷。在典型海区的海底地质条件，海床泥表面土体极易在水流作用下产生物理迁移，进而导致海底与船底的接触条件发生改变。具体而言，当水流因船舶的存在产生绕射时，将带起海底泥沙的流动，产生船舶周界的掏空现象（泥沙局部流失），实质减小了海底对船舶的支撑面积，导致船舶结构构件受力状态变化，严重时可导致船舶构件开裂破坏甚至船体梁断裂[9-10]。

在安装风机的作业工况下，坐底平台所受外荷载增加了吊机吊重力矩，基底压力明显增大，此时承载力安全系数均明显降低，不再满足要求。经验算，在作业安装工况下，考虑最不利吊重力矩Mcrane-x为8 000 kN·m时，不同压载量下地基承载力结果如表3所示。

表3 安装作业工况时不同压载量下地基承载力Table 3 The bearing capacity of foundation under different pressure loads in the installation condition

为保证坐底船不会产生不均匀沉降[11]，可通过减少压舱水的手段来保持地基承载能力[7]。经验算，考虑最不利吊重力矩Mcrane-x为8 000 kN·m时，对于初始压载量为45 000 kN的工况，将压载水卸载至25 000 kN时，垂直坐底工况下的承载力安全系数方可达到1.0。

4 结论与建议

本文依托中广核岱山海电工程，分析“三航工5”半潜式坐底安装平台在软黏土施工时地基稳性影响因素与破坏机理，并对施工安全作业提出具体建议，为其他类似平台施工提供参考，主要结论如下：

1）淤泥质海床计算坐底稳性时，需考虑船舶坐底时的姿态以及带来的入泥深度、接地面积的变化。

2）坐底船在极软弱的淤泥质海床条件下进行抗滑移稳定性验算时，推荐采用API规范或DNV规范中不排水条件下的计算方法，土的强度指标采用不排水抗剪强度。

3）依靠坐底平台自身能力，其入泥深度十分有限。当坐底平台在安装作业时，外荷载的增加会导致平台基础失稳，通过在船舶坐底时增加定量的压载水的手段，就位稳定后，平台安装作业时再卸载增加的压载水，以保证平台不会发生不均匀沉降。

除了基本的坐底稳性计算以外，在淤泥质海床条件下进行海上风电坐底安装还建议考虑以下因素：

1）充分考虑安装荷载、风浪流条件、潮位变化等因素造成软黏土地基变形的可能性，作业过程中对船体姿态进行监控。

2） 参考其他坐底式平台，在平台底部增加一定数量的抗滑短桩，或在平台底部设置垫层等，也可提高平台的抗滑能力。

3）增加平台基底压力，能显著提高平台的抗滑能力。