海底数据中心防沉板基础设计研究

摘 要：本文分析了首个商业化海底数据中心示范项目的土壤性质，根据淤泥地质条件，通过调节限定尺寸质量下的裙摆高度，对防沉板基础水平和垂直载荷进行稳定性设计、抗倾覆设计、裙摆穿透性检查，使水平和垂直载荷的安全系数均达到要求且无冗余，同时满足各项安全系数指标。设计分析表明，防沉板基础能够满足软黏土地质下海底数据中心的使用要求，不仅为海底数据中心的海洋基础设计提供了参考，也为防沉板基础在浅水软黏土条件下的应用提供了示范。

关键词：海底数据中心；防沉板基础；淤泥；滑动稳定性

中图分类号：P 75" 文献标志码：A

海洋结构和设备需要利用底部支撑结构来固定或固定滑动范围，保证设备不会因垂直方向荷载及质量影响而下陷，不会因水平荷载而滑移。在海洋工程中，为海底生产设备服务的海洋基础结构主要分为防沉板基础、桩基础以及吸力桩基础3种。

防沉板属于浅基础，可以将载荷分布到海床上，减少结构沉降[1]。海底的水文和地质条件都会影响防沉板基础设计，同时防沉板承载的海洋结构物或者设备设施、安装方法选择都会直接影响防沉板结构的尺寸确定。防沉板具有容易安装且经济性较好的特点，但容易受到水平载荷的影响，因此结合地质特点设计裙板来穿透海底，可以提供横向抗剪强度并减少冲刷影响。通常在海洋工程领域遇到对稳定性要求较高的设施，且水深较浅、土体强度较差的情况下不推荐使用防沉板的这些基础特质。海底数据中心除了对海洋基础的稳定性有要求外，还要求安装布放具有便捷性和可维护性。目前将海底数据中心示范项目建在50m以内的近海海域，海底为软质淤泥。本文将对这种海域环境下的防沉板基础设计进行研究。

1 海底数据中心示范项目设计基础

1.1 地质特征

海底数据中心示范项目在海南省陵水清水湾海域。布放海域海底地貌属于平滑海底，海床面标高约为-33m～-36m，海床较为平坦，海床自西北往东南缓缓降低，海床底质为淤泥底质。 本项目海底表层6～7m均为软泥，然后是细沙，因此土壤的抗剪强度为关键参数。图1为海洋地质勘测获取的原状土不排水抗剪强度数据。在后续设计分析中，参考原状土不排水抗剪强度的建议值和最大值来进行稳定性设计及安全校核。

淤泥土性质见表1。

重新塑形后的土壤不排水强度见表2，用该土体强度计算防沉板基础安装的穿透性设计，重塑后的土体强度为2.5kPa～5kPa，数值与离海床的深度相关。

1.2 载荷数据

海底数据中心的防沉板基础是重力式基础，外部荷载与地基阻力的关系决定了基础的稳定性。对防沉板的贯入检查来说，外部载荷来源于海底数据中心结构基础质量的水下质量，包括所有附属物。对基础的承载力、抗滑性、抗倾覆性和抗扭性的能力检查来说，外部载荷为极端工况下海底数据中心的水平载荷。该项目防沉板的最大水平载荷为887kN，最大垂直载荷约为3000kN。

2 海底数据中心基础设计

海底数据中心布放海域水深较浅，需要水下落底布放，且有快速部署的需求，同时对布放水平度和稳定性要求较高。海底数据中心需要具有可运维性，且在服务器服役期满可出水更换，因此需要对海底基础和数据舱进行分离设计，且可在水下组合安装，选择水平度较好，安装简单，可直接布放的永久性基础结构防沉板基础可以满足以上设计。

从图1的勘测数据可以看出，示范项目的海底属于软黏土中的淤泥地质，几乎无法获取0.5m以内的土体强度，因此勘测建议表层土体强度取0，这个地质条件不属于通常认为的浅基础的适用地质。因为吸力桩能够在水平和垂直方向上提供合成载荷的能力，所以认为是适用于松软地质的基础，但其对安装要求较高。在较软的地质下，防沉板设计如果过大会影响安装，因此需要缩小尺寸，并通过增加裙摆来提高稳定性。因此当设计防沉板时，要根据海底数据中心对安装船舶的要求和数据舱模块的质量和尺寸来设置防沉板基础质量和尺寸的上限，设定上限：空气中质量为500t，面积上限为400㎡，通过稳定性分析来确定裙摆高度，并合理设计质量和尺寸。

2.1 水平和垂直载荷的稳定性设计

在不排水条件下，基础能够支撑的最大垂直载荷的计算过程如公式（1）所示。

Q = F× [Suo×Nc + （k×B/4）] Kc×A （1）

式中：F为kB/Suo的函数给出的校正系数；k 为不排水抗剪强度随深度增加的速率；Suo为土壤的不排水抗剪强度；Nc为无量纲常数，取5.14；B为最小有效侧向基础尺寸；A为基础的有效面积，数值取决于荷载的偏心率；Kc为校正系数。

当防沉板基础及其上部模块的水下质量满足防沉板基础承载极限的安全系数时，就认为承载力设计是满足要求的。根据规定，土壤极限承载力的安全系数为2.0。

在浅水和土体强度较差的环境不选用防沉板作为浅基础的重要原因是其容易受到水平载荷的影响发生平移或滑动。因此在承载力设计满足要求的情况下，最重要的是要进行滑动阻力检查，检查阻力是否能承受最大水平载荷。通过滑动阻力来确定裙摆高度范围，裙板高度对防沉板基础单向承载力影响较大[2]。

滑动阻力包括基础底部不排水情况的摩擦阻力和被动土压力，计算摩擦阻力如公式（2）所示。

Hd = Suo × A （2）

计算被动土压力如公式（3）所示。

Pp = 1/2 × Gama ×H2 + 2Suo × H （3）

式中：Gama为有效土壤密度；H为裙边高度。

从原状土抗剪强度来看，表层土体强度过低，因此从1m的裙摆高度开始对水平载荷和垂直载荷进行计算分析。表3为水平和垂直载荷作用下不同裙摆高度要求的计算结果，在垂直载荷安全系数满足要求2.0的情况下，如果地基上的最大水平荷载低于允许的摩擦力，那么断定地基的抗滑能力符合相关规范。根据规定，水平载荷的安全系数为1.5。

由以上分析可以看出，1.4m的裙摆水平安全系数为1.61，垂直安全系数为2.5，均可满足规范对垂直和横向阻力的要求。同时不存在安全系数过多冗余的情况，因此设定的尺寸和质量是合理的。基于以上数据，再对1.4m裙摆进行抗倾覆和渗透分析检查。

2.2 抗倾覆性设计检查

海底数据中心的上部模块为圆形舱体，通过鞍座将上部模块放在防沉板基础的中心位置。防沉板基础在水下是全部贯入泥土的状态，作用在上部模块的水平力产生倾覆力矩，作用在防沉板基础上的垂直载荷提供保持力矩。将防沉板设计为矩形基础，倾覆可以发生在矩形基础的纵向边缘或横向边缘。因此，用公式（4）计算浅层地基的一个边缘的倾覆能力。

Mrs =Fs × Drs （4）

式中：Fs为垂直力；Drs为Fs 中心到基础边缘的距离，即垂直力的臂。

针对本次海底数据中心防沉板基础的各项力检查的示意图如图2所示。作用在上部模块上的水平力Fh将产生一个倾覆力矩（Mov），保持力矩应比倾覆力矩大1.5倍。

该项目倾覆的安全系数：Fsov=Mov/Mrs=12＞1.5，抗倾覆设计满足要求。

2.3 裙板穿透性设计

本文的稳定性设计均基于数据中心的防沉板裙板能够穿透到海底的土壤中，因此良好贯入才能使防沉板基础有效。防沉板基础的裙部穿透阻力包括侧摩擦力和裙板的末端承载阻力。如果计算阻力小于来自防沉板基础的总垂直荷载和地基上设施的有效质量，就认为防沉板裙板会被穿透至设计深度，满足设计要求。如果穿透阻力过大，那么防沉板基础有不能完全贯入的风险，会导致基于贯入良好所做的稳定性分析无效。

利用公式（5）计算裙板的抗穿透性。

Qd = Qf + Qtip = f ·Asjde + q·Atip （5）

式中：Qd为穿透的阻力；Qf为轴的摩擦阻力；Qtip为总阻力和承载阻力；f为单位轴的摩擦力；Asjde为嵌入特定穿透深度的裙边或桶的侧表面积（包括两边）；q为裙边或斗尖上的单位端部压力，Atip为裙尖的端部面积。

示范项目的防沉板独立安装：在防沉板布放完好后再放上部模块。防沉板裙摆的穿透性设计需要检查安装过程中的土壤阻力是否小于防沉板质量，以保证基础正常安装。土壤阻力包括裙边顶端的承载阻力和侧表面的摩擦力。关键土壤参数土体强度应考虑图1勘测数据的最大值和表2重塑土的不排水抗剪强度。

表4是防沉板基础基于原状土剪切强度勘测最大值进行的渗透检查，表5是基于表2重塑后的不排水抗剪强度进行的穿透检查。从两个表格中可以看到，该防沉板裙板为1.4m，土壤强度上限和下限的渗透系数分别是6.0和10.0。两者都大于要求的2.0。防沉板裙摆的穿透力没有问题。

2.4 防沉板基础设计示例

防沉板除了主体结构，还包括阳极和配重。在设计质量满足要求的前提下，要尽可能增加配重比例来降低成本。图3为海底数据中心防沉板设计示例图，通过导向柱将上部数据舱模块布放在防沉板基础上中心位置。导向柱设计要考虑长短区分，保证上部模块水下安装时有较好的导向作用。防沉板设计在生命周期内不需要考虑出水，吊耳设计可以不用考虑带上部模块的整体吊装需求。裙带贯入泥底会增加其水平抗剪切能力，以此防止冲刷。防沉板表面的开孔设计可以保证水的自由流动并减轻质量，同时调节防沉板的各向极限承载力[3]。在防沉板框架形成的方框内可贯入配重来调节质量，以此保证防沉板设计的空气质量和水下质量均满足设计要求。

当防沉板设计通过调节裙摆高度、质量、面积等仍然无法平衡上述各项稳定性安全系数时，还可以通过增加其他基础特征或者复合基础设计来增加或调节防沉板基础的各项稳定性。例如防沉板基础复合圆形沉箱可通过增加局部贯入深度来提高抗滑移能力和承载能力。防沉板基础嵌入桩腿设计，可以通过桩腿延伸到到土体强度较好的土壤，提高抗滑移能力的同时，也不减少贯入安全系数。防沉板基础复合吸力桩基础可大大减少对承载面积的需求，同时有效调节各向安全系数。因此，通过调整局部设计或者结合不同基础的特点进行设计调节可以有效解决设计问题，满足稳定性及安全性设计要求。

2.5 结果与分析

该项目的地质勘测数据土体强度差，水深较浅，不适合选用防沉板作为海洋基础。因此本文根据地质勘测的抗剪强度，分析了在该环境下防沉板基础最敏感的滑动阻力，在极端工况下，滑动阻力的安全系数高于规定的安全系数。需要根据滑动阻力的分析结果确定防沉板裙高，并检查防沉板基础的抗倾覆性和穿透能力。以上结果均满足安全系数要求。结果表明，在50m以内的浅水海域下，即使是土体强度较差的情况，只要设计合理也可以满足各项安全系数要求，可以使用防沉板浅基础。示范项目在实际应用中对不同的安全系数进行了对比应用，后续的使用情况可以提供更多参考数据。该项目设计属于防沉板基础应用，也为后续海底数据中心海洋基础设计提供了基础。

3 结论

海兰云海底数据中心示范项目是在水深约为30m、表层几乎没有土体强度的软泥地质布放海底数据中心的项目。防沉板基础虽然对剪切力敏感，但是当它承载的装置可能承受的最大水平荷载和滑动阻力设计安全系数大于规定的安全系数 1.5 时，就认为设计是可行的。研究主要对滑动阻力、抗倾覆性、裙摆的穿透性进行设计分析，当对防沉板基础做实际设计检查时，除了以上方面，还需要对地基的沉降、抗扭性、地震载荷等进行检查。每种基础的适用性都不会限定在固定的地质、水深及水文环境。海底数据中心示范项目的海洋基础设计选用不仅可以为近海海洋结构基础设计提供参考，还可以为海底数据中心海洋基础设计及进一步发展提供基础。

参考文献

[1]谭越，刘明.水下生产系统防沉板基础分析[J].船海工程，2012，41（4）：133-135，141.

[2]刘孟孟. 水下生产系统防沉板基础多维受荷承载特性研究[D].天津：天津大学，2018.

[3]吴姝娜. 海底有孔方形防沉板在黏性土中的承载特性研究[D].杭州：浙江大学，2019.