重力安装式裙板锚承载特性及最优系泊点

赵福臣， 张雨蓉， 李 飒

(1. 海洋石油工程股份有限公司 安装分公司， 天津 300452；2. 天津大学 建工学院， 天津 300072)

0 引 言

浮式风机是一种安装在浮动结构上的海上浮动式风力机。浮式风机具有以下优势：可进一步增加近海风力开发；可占用更大的海域面积且使深水风力资源开发成为可能；操作成本相对较低，易于重新定位或调试；对海床扰动小；为近海与航运通道提供更多空间；方便为石油天然气设施提供电力；等等[1-2]。

目前浮式风机基础类型主要有半潜式基础、浮筒型基础、张力腿式基础，具体如图1所示。其中：半潜式基础和浮筒型基础的系泊系统属于张紧式或悬链式锚泊系统；张力腿式系泊系统的重力较浮力小，系泊筋腱处于张紧状态以提供平台运动时所需的恢复力，因此其属于张力腿式锚泊系统[3-4]。

图1 浮式风机的结构形式

浮式风机的锚固基础主要有重力锚、打入桩锚、拖曳埋置锚、吸力锚、动力贯入锚和板锚，其中板锚又分为吸力埋置板锚、动力贯入板锚、垂直加载锚等[5]。浮式风机锚泊系统锚的选型很重要，既需要根据土质条件、水深等来判断锚的适用性与安全性，又需要从制造与安装的角度最大程度地实现锚的经济性。

吸力锚是目前浮式风机经常选用的一种锚固基础形式，其主体结构一般是大直径圆筒，底部开口、顶部封闭，如图2所示。虽然也有混凝土式吸力锚，但绝大多数吸力锚由钢制造，具有较大的壁厚比(Dia/t=100～250，其中：Dia为圆筒直径；t为壁厚)。其内部需要设置加强筋，用于防止在安装过程中发生结构屈曲并抵抗运行时系泊载荷和土抗力的影响[6]。吸力锚的优势在于在安装位置、定位和贯入方面操作简单，有经验完善的设计和安装程序，但是吸力锚不适用于渗透性较大的土壤[7]。

为解决在高渗透系数条件下浮式风机的锚固问题，提出一种重力安装式裙板锚，并对其承载特性和系泊点的位置进行探讨。

图2 吸力锚

1 重力锚及重力安装式裙板锚

重力锚是现存最古老的锚，其可以是放置在海底的任何重物，能被固定在海床上，也可部分或完全埋入海底。目前常用的自重材料是钢和混凝土。重力锚的主要作用是抵抗连接在浮体上的系泊缆绳产生的浮力和侧向力，其承载力主要由锚的自身重力及锚与海床之间形成的摩擦力提供[8-9]。除了一些特殊形状的重力锚(设计使锚在安装或被拖动时在有限的范围内贯入土壤)外，抗拔力主要由静水下重量提供。图3为海洋工程中使用的重力锚。由图3可知，为了增加底部摩擦力，重力锚通常在底部设置一些辅助入土装置或剪力键。

图3 重力锚

重力锚的优势在于：不需要安装距离；锚可靠性高；施工简单，重力锚的大小仅受装卸设备的限制；若材料充足，则经济实惠；可适用于某些特殊的硬底质，如底质为薄的沉积物覆盖岩石、砾石等；系泊缆线连接易于检查和使用；等等。其缺点在于与其他锚固形式相比，其水平承载效率较低(相同承载力所需重量大)。为了提高重力锚的锚固效率，一般会在重力锚底部增加剪力键或设置一定长度的裙板。目前用于水下生产系统的防沉板实际上是一种小型裙板式重力锚，如图4[10]所示。

但是，上述防沉板的承载力一般较小，无法满足浮式风机的承载要求，因此，针对浮式风机的受

图4 裙板式重力锚

力特点，提出一种大型的重力贯入式裙板锚：这种锚固基础具有较高的裙板，利用裙板入泥提供较大的水平承载力；其贯入方式为重力式贯入，避免吸力锚受土质条件的限制而导致的安装困难，具有更广泛的适用性。

2 载荷与土质条件

某浮式风机的锚固基础要求可承受1 500 t的水平拉力，所在场地的土质条件如表1所示。同时考虑到现场的施工能力，要求锚固基础的浮重不超过2 000 t。

表1 土层性质

由表1可知，现场土体由5.0 m厚的中砂和12.0 m厚的粗砂组成，安装吸力锚风险较大。若采用传统重力锚，则浮重无法控制在2 000 t以下，因此提出重力安装式裙板锚的锚固基础形式。

3 重力安装式裙板锚结构形式

所提出的重力安装式裙板锚的结构形式如图5所示。此锚固基础的裙板依靠上部重量安装至设计深度，无须其他辅助设施。图5中：B为锚固基础的宽度；H为重力块的高度；D为下部裙板的高度；p为系泊点距重力块底部的距离。与防沉板基础(见图4)相比，重力安装式裙板锚上部重力块的体积和重量均较大，是基础承载力的重要来源。

4 有限元分析

利用有限元对重力安装式裙板锚的承载特性进行分析[11-12]。需要说明的是，由于设计条件是水平承载力，因此所讨论的承载力均为水平承载力。所

图5 重力安装式裙板锚

提出的裙板式重力锚上部重力块尺寸为15 m×15 m×6 m，锚由外部钢板和内部填充的混凝土组成。在有限元分析中，对于接触面设置，法向采用硬接触，切向采用罚接触。对于约束条件，底面采用双向约束，侧面采用水平向约束。钢板和混凝土的模型采用弹性模型，其材料力学特性如表2所示。

表2 钢板和混凝土力学特性

地基土体的力学模型采用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，场地的力学参数如表1所示。所建立的有限元模型如图6所示。

图6 有限元模型网格图

将系泊点设置于顶面，裙板高度分别为1.0 m和4.2 m，有限元计算结果如图7和图8所示。图7和图8中，d为系泊点距重力安装式裙板锚底板的高度。由图7和图8可知土体塑性区的分布和土体的位移趋势。

重力安装式裙板锚对应的水平位移-反力曲线

图7 重力安装式裙板锚模型塑性区云图及位移矢量图(D=1.0 m，d=H)

图8 重力安装式裙板锚模型塑性区云图及位移矢量图(D=4.2 m，d=H)

如图9所示，由图9可知：当裙板高度为1.0 m时，其水平承载力为1 180 t，不能满足实际承载力要求；当裙板长度加长至4.2 m时，其水平承载力可达2 300 t。

图9 不同裙板长度锚在地基中的水平位移-反力曲线

对于入泥深度较深的情况，系泊点的位置对基础承载力有较明显的影响。为了获得最优的承载力，改变系泊点，即将系泊点改为重力锚块下方1/3处(即距重力安装式裙板锚底板1/3H处)。对改变系泊点后4.2 m裙板的重力安装式裙板锚进行有限元模拟，得到其承载力达到极限时的塑性区云图和位移矢量图，如图10所示。

图10 重力安装式裙板锚模型塑性区云图及位移矢量图(D=4.

当系泊点距泥面1/3H(即d=H)处时，4.2 m裙板的承载力可达2 510 t。但若要求锚发挥最大的承载力，则还需要进一步调整系泊点的位置，使系泊点在最优位置(重力锚平移)[13]。图11给出在最优系泊点处的有限元计算结果。

图11 重力安装式裙板模型塑性区云图及位移矢量图(D=4.2 m，dbest)

图12给出不同系泊点位置锚对应的水平位移-反力曲线，可以看到，当系泊点在最优位置时，锚的最大承载力可达2 800 t，而此时根据有限元分析结果，最优系泊点位置为土下距泥面3.2 m处。另外图12也表明系泊点位置的变化对重力安装式裙板锚的承载力有明显的影响。考虑到承载力的发挥，系泊点宜选在土上部侧面下方1/3或最优系泊点处。

图12 不同系泊点处锚在地基中的水平位移-反力曲线

5 基于规范的承载力

为进一步确定重力安装式裙板锚的承载力，按照API RP 2GEO[14]推荐的方法对此锚固基础的承载力进行计算。基础的水平承载力Hult包括端部摩擦力Htip、土压力提供的土抗力Hsoil和侧壁摩擦力Hside等3部分。

端部摩擦力Htip计算式为

Htip=Vtanφ′

(1)

式中：V为竖向载荷，kN；φ′为有效内摩擦角，(°)。

土压力提供的土抗力Hsoil计算式为

(2)

式中：Krd为水平向土壤反力系数，Krd=Kp-1/Kp，其中Kp为被动土压力系数，等于[tan(45°+0.5φ′)]2；γ′为土体浮容重, t/m3；Dh为基础入泥深度,m；Ah为入泥裙板竖向横截面积，m2。

侧壁摩擦力Hside计算式为

Hside=fAside

(3)

式中：f为单位侧摩阻力，kPa，f=KP′otanδ(其中，K为横向地基压力系数，其取值见API RP 2A-WSD[15]，P′o为有效上覆压力，δ为桩土摩擦角)；Aside为入泥裙板外面积，m2。

6 结 论

为解决高渗透性土壤条件下的浮式风机的锚固问题，提出一种重力安装式裙板锚，该锚固基础通过自身重力将一定高度的裙板下沉至设计深度，无须采用其他辅助手段。通过有限元和规范推荐的计算方法可得到如下结论：

(1) 重力安装式裙板锚兼具重力锚与筒形基础的特性，可提供较大的水平承载力。

(2) 增加裙板的入泥深度可有效地提高重力安装式裙板锚的承载力，在系泊点位置相同时，入泥4.2 m的裙板锚的承载力比入泥1.0 m的裙板锚的承载力提高近1倍。

(3) 不同的系泊点位置对重力安装式裙板锚的承载力影响显著，在本计算条件下，最优系泊点位于筒形结构约下1/5处，比普通吸力锚最优系泊点(约下1/3处)略低，这与锚固基础的整体重心偏上有关。

(4) 重力安装式裙板锚重量小于普通重力锚，安装难度低于吸力锚，可承受较大的水平载荷，采用规范推荐的方法计算得到的承载力的结果偏于安全。