丁 軍，程小明，田 超，張 凱，吳 波（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú) 錫214082）

近島礁淺水環(huán)境下浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

丁 軍，程小明，田 超，張 凱，吳 波
（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú) 錫214082）

基于有限水深格林函數(shù)、Morison公式和時(shí)域耦合動(dòng)力分析方法，以一近島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)為研究對(duì)象，分析了傳統(tǒng)系泊方式（懸鏈線式和張緊式）和樁柱式系泊方式下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)果表明，通常應(yīng)用在中深水海域的傳統(tǒng)系泊方式，在近島礁淺水環(huán)境下使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，且進(jìn)一步優(yōu)化的空間較小。而文中提出的新型樁柱式系泊系統(tǒng)，很好地解決了傳統(tǒng)系泊方式在淺水中存在的問(wèn)題，且使得船舶的?？孔兊酶颖憷?。該文中的分析結(jié)果可為平臺(tái)的水池模型試驗(yàn)和淺水環(huán)境下浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供參考。

浮式平臺(tái)；近島礁；淺水；系泊系統(tǒng)；樁柱式系泊

0 引 言

在我國(guó)海洋島礁周邊往往都環(huán)繞著寬度數(shù)百到數(shù)千米、水深很淺的珊瑚礁盤(pán)（圖1），這些礁盤(pán)不僅具有豐富的漁業(yè)和旅游資源，而且發(fā)揮著消波、護(hù)島的重要作用。為開(kāi)發(fā)海洋資源，可以在島礁附近布設(shè)各種浮體結(jié)構(gòu)物作為海洋開(kāi)發(fā)、漁業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境旅游等綜合保障基地，這種近島礁浮式平臺(tái)具有如下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：1）避免大量土方機(jī)械的長(zhǎng)距離輸運(yùn)及后勤保障，成本低；2）對(duì)生態(tài)環(huán)境、礁盤(pán)和海島陸地形態(tài)幾乎沒(méi)有影響；3）現(xiàn)場(chǎng)施工周期短，可實(shí)現(xiàn)快速布放；4）可利用我國(guó)造船大國(guó)的優(yōu)勢(shì)，浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)都不存在難點(diǎn)；5）可實(shí)現(xiàn)模塊化組裝，布置和使用靈活等。

圖1 典型島礁及其海底地形Fig.1 Typical islands and side elevation of reef flat

對(duì)于島礁附近的浮式平臺(tái)，需要通過(guò)系泊系統(tǒng)長(zhǎng)期系泊于作業(yè)地點(diǎn)，而不能像船舶一樣，在遇到惡劣海況時(shí)可以避航，且浮式平臺(tái)在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)要求平臺(tái)具有低幅運(yùn)動(dòng)特性，在生存工況下要求平臺(tái)安全可靠，因此在設(shè)計(jì)浮式結(jié)構(gòu)物時(shí)，正確確定其系泊系統(tǒng)，保證平臺(tái)在作業(yè)工況和生存工況下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力等參數(shù)在合理的范圍內(nèi)十分重要。

目前對(duì)于浮式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)的水動(dòng)力特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究。Kim等[1，2]研究了平臺(tái)系泊系統(tǒng)耦合的時(shí)域分析方法，分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及其系泊系統(tǒng)的動(dòng)力特性；Arcandra等[3]提出應(yīng)用非線性桿元法對(duì)聚酯纖維材料系泊纜進(jìn)行分析，考慮系泊纜的大變形和非線性應(yīng)力—應(yīng)變特性，并舉例對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域耦合動(dòng)態(tài)分析。王磊等[4]對(duì)一艘動(dòng)力定位船舶二階低頻慢漂力進(jìn)行了模型試驗(yàn)，對(duì)系泊系統(tǒng)中最為關(guān)心的二階低頻慢漂力進(jìn)行了研究；史琪琪、袁夢(mèng)、周素蓮、童波等[5-8]通過(guò)時(shí)域分析方法對(duì)深水半潛式平臺(tái)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力性能進(jìn)行了探索，得出了一些有益的結(jié)論；肖龍飛等[9]通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的方法研究了160kDWT FPSO在極淺水中運(yùn)動(dòng)的安全性。本文將基于三維勢(shì)流理論和時(shí)域耦合動(dòng)力分析方法，以一近島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)為研究對(duì)象，分析不同系泊系統(tǒng)下，該平臺(tái)在環(huán)境力作用下的運(yùn)動(dòng)和系泊纜張力響應(yīng)，為平臺(tái)在淺水環(huán)境下系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及水池模型試驗(yàn)提供參考。

1 基本理論

1.1 Morison公式

對(duì)于浮式平臺(tái)中的撐桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)D/λ＜0.2時(shí)稱(chēng)為小直徑管柱結(jié)構(gòu)，目前通常采用Morison公式來(lái)計(jì)算，其單位長(zhǎng)度上桿件所受波浪力可表示為：

式中：D為桿件的特征直徑，uf為垂直桿件方向的流體質(zhì)點(diǎn)速度，us為垂直桿件方向結(jié)構(gòu)自身的運(yùn)動(dòng)速度，A為桿件截面面積，ρ為流體的密度，Cm為慣性力系數(shù)，Cd為阻力系數(shù)。

1.2 有限水深格林函數(shù)

島礁附近的水深一般較淺，位于淺水中的浮體所受水動(dòng)力和載荷響應(yīng)與深水中的存在較大差別，因此需要應(yīng)用有限水深格林函數(shù)法求解浮體在波浪中的受力和響應(yīng)。

對(duì)于浮式平臺(tái)的本體結(jié)構(gòu)，按照線性勢(shì)流理論，結(jié)構(gòu)物周?chē)目偹俣葎?shì)可表示為：

對(duì)于無(wú)航速的浮式結(jié)構(gòu)物，速度U=0，則上式可表示為Φ（x，y，z，t）=Φt（x，y，z，t），Φt（x，y，z，t）由入射勢(shì)φI、繞射勢(shì)φD和輻射勢(shì)φR組成。

根據(jù)線性波浪理論，入射勢(shì)可表示成：

繞射勢(shì)φD和輻射勢(shì)φR應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)邊界條件即定解條件：1）拉普拉斯方程；2）自由表面條件；3）底部條件，由于為有限水深，應(yīng)滿(mǎn)足物面條件，輻射勢(shì)為（式中：nj和φj分別為單位復(fù)速度的j模式運(yùn)動(dòng)輻射勢(shì)），繞射勢(shì)為遠(yuǎn)方輻射條件。

設(shè)p（x，y，z）為流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)，q（ξ，η，ζ）為點(diǎn)源所在位置。則滿(mǎn)足拉普拉斯方程以及物面條件之外的所有邊界條件的三維有限水深格林函數(shù)的積分形式為：

流域內(nèi)各點(diǎn)速度勢(shì)可表示為物面S上的點(diǎn)源分布形式：

物體所受波浪力則由波浪壓力在物面上的積分求得：

其中：波浪壓力P可由已知的速度勢(shì)及線性化的Bernoulli方程得出：

2 計(jì)算模型

2.1 浮式平臺(tái)主要參數(shù)

以一島礁生產(chǎn)生活平臺(tái)為研究對(duì)象，該浮式平臺(tái)主要由上部平臺(tái)、中間立柱、下部浮筒和橫撐組成，其主要參數(shù)如表1，平臺(tái)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 浮式平臺(tái)Fig.2 Floating platform

2.2 環(huán)境參數(shù)

該平臺(tái)的功能定位是島礁建設(shè)保障平臺(tái)，集物資儲(chǔ)存、能源補(bǔ)給、人員居住等功能于一體，平臺(tái)將主要布置在水深為10 m左右的礁盤(pán)內(nèi)側(cè)或?yàn)a湖內(nèi)，根據(jù)已有的調(diào)研資料，選定平臺(tái)自存工況下的環(huán)境條件如表2所示（由于布置在瀉湖內(nèi)或礁盤(pán)內(nèi)側(cè)，海流的流速較小，計(jì)算時(shí)暫不考慮）。

表1 平臺(tái)主尺度Tab.1 Main dimensions of platform

表2 環(huán)境條件Tab.2 Environmental condition

2.3 計(jì)算方法及校核參數(shù)

平臺(tái)及錨泊系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)分析在時(shí)域中進(jìn)行，平臺(tái)所受的環(huán)境載荷包括一階和二階波浪力以及風(fēng)力，其中風(fēng)力包含有平均風(fēng)力和脈動(dòng)風(fēng)力兩部分。

由于平臺(tái)近島礁布置，可以證明[10]，當(dāng)波浪由遠(yuǎn)方深水區(qū)傳播至島礁附近淺水區(qū)時(shí)，波浪的方向?qū)⒅饾u垂直于岸線。同時(shí)，一般對(duì)于浮式平臺(tái)而言，當(dāng)風(fēng)浪流在同一直線上時(shí)將在錨泊線上產(chǎn)生最大的張力。因此本文計(jì)算中將主要考慮90°和60°兩個(gè)方向（90°方向即波浪和風(fēng)沿著平臺(tái)寬度方向傳播，見(jiàn)圖2）。

由于平臺(tái)的功能定位為島礁生產(chǎn)生活保障平臺(tái)，因此文中的校核參數(shù)主要從平臺(tái)的功能性和安全性考慮，主要包括：觸底（P1~P4分別代表浮筒基線處四個(gè)角點(diǎn)）、氣隙（P5~P8分別代表濕甲板四個(gè)角點(diǎn)）、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（包括橫蕩、縱蕩和橫搖）和錨泊系統(tǒng)（包括系泊纜張力、防撞墊壓力和系泊樁受力等）。

表3 觸底和氣隙校核點(diǎn)位置Tab.3 Points position of contact and air gap check

3 懸鏈線式系泊和張緊式系泊

對(duì)于半潛式海洋平臺(tái)，懸鏈線式系泊和張緊式系泊是最常見(jiàn)的系泊方式。但這兩種系泊方式通常應(yīng)用在中、深水海域，在如此淺的水深中還未見(jiàn)有應(yīng)用的實(shí)例，本研究中首先考慮這兩種傳統(tǒng)的系泊方式，分別分析了浮式平臺(tái)懸鏈線式系泊和張緊式系泊的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)，校核這兩種系泊方式在近島礁淺水環(huán)境下的適用性。圖3和圖4給出了這兩種系泊方式的示意圖，表4給出了這兩種系泊方式的主要參數(shù)。

圖5和圖6分別給出了90°方向環(huán)境力作用下，懸鏈線式系泊方案和張緊式系泊方案平臺(tái)及系泊系統(tǒng)的時(shí)域耦合動(dòng)力分析結(jié)果。從圖中可以看出，兩種系泊方案下，平臺(tái)均出現(xiàn)了觸底和負(fù)氣隙現(xiàn)象。在初步計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)這兩種系泊方案作了進(jìn)一步的優(yōu)化，主要從系泊纜長(zhǎng)度、預(yù)張力、系泊纜的數(shù)目和張力傾角等方面進(jìn)行優(yōu)化，但都未能很好地解決平臺(tái)觸底問(wèn)題，同時(shí)錨的上拔力也難以消除。計(jì)算結(jié)果表明在超淺水環(huán)境中，懸鏈線式系泊和張緊式系泊方案難以滿(mǎn)足有關(guān)觸底和氣隙的設(shè)計(jì)要求，且進(jìn)一步優(yōu)化的空間很小。

表4 系泊纜主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of mooring lines

圖3 懸鏈線式系泊Fig.3 Catenary mooring

圖4 張緊式系泊Fig.4 Taut mooring

圖5 觸底和氣隙分析（懸鏈線式系泊）：（a）觸底分析；（b）氣隙分析Fig.5 Contact and air gap analysis(catenary mooring):(a)Contact check;(b)Air gap check

圖6 觸底和氣隙分析（張緊式系泊）：（a）觸底分析；（b）氣隙分析Fig.6 Contact and air gap analysis(taut mooring):(a)Contact check;(b)Air gap check

4 樁柱式系泊

除了懸鏈線式和張緊式系泊方案存在的上述問(wèn)題，這兩種系泊方式還易受海床地形的影響和制約，同時(shí)會(huì)對(duì)船的靠泊形成干擾，需要輔助的靠泊裝置，綜合以上考慮，文中提出一種新型的樁柱式系泊方案，即在平臺(tái)的背浪側(cè)放置兩根樁柱（計(jì)算模型中采用兩根樁柱，實(shí)際工程中可采用多根），平臺(tái)通過(guò)纜繩系泊在這兩根樁柱上，同時(shí)樁柱和平臺(tái)間布置防碰墊。該系泊系統(tǒng)的示意圖見(jiàn)圖7，系泊系統(tǒng)具體參數(shù)見(jiàn)表5，具體細(xì)節(jié)如下述。

圖7 樁柱式系泊Fig.7 Pile-post mooring system

樁柱、防碰墊：在距平臺(tái)首尾各5 m處分別布置一直徑2 m高20 m的鋼筋混凝土樁柱，在與平臺(tái)接觸位置（水線、上平臺(tái)中心即距平臺(tái)基線11.35 m）處安裝直徑為4.5 m的防碰墊用于阻止平臺(tái)向樁柱一側(cè)移動(dòng)；纜繩：在平臺(tái)首尾各5 m，距平臺(tái)基線9.7 m處分別布置四根160 mm直徑的聚酯纖維纜成扇形（成60°夾角）與樁柱相連，每根纜的長(zhǎng)度15~20 m。這八根纜的作用是為了防止平臺(tái)作橫向及縱向的大幅運(yùn)動(dòng)，從而起到定位作用。

表5 系泊纜主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of mooring lines

同上述系泊方案分析類(lèi)似，首先校核了樁柱式系泊系統(tǒng)平臺(tái)的觸底和氣隙，然后進(jìn)一步對(duì)浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、系泊系統(tǒng)等參數(shù)進(jìn)行校核，具體結(jié)果見(jiàn)圖8~11、表6和表7。

從圖8和表6中可以看出，在90°和60°環(huán)境力作用下，平臺(tái)均未發(fā)生觸底和負(fù)氣隙現(xiàn)象，在60°環(huán)境力時(shí)，平臺(tái)底部離海底最小還有0.8 m的空間，而氣隙最小也有0.3 m，說(shuō)明樁柱式系泊系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)系泊方式不能控制的觸底和負(fù)氣隙現(xiàn)象。而平臺(tái)橫蕩和縱蕩的最大值都為1.5 m，平臺(tái)的橫搖最大值為13.6°。從數(shù)值上看，樁柱式系泊在限制二階力引起的慢漂運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也約束了平臺(tái)的波頻響應(yīng)，所以將平臺(tái)的整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。

圖8 橫蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線：（a）90°環(huán)境力；（b）60°環(huán)境力Fig.8 Time series of sway:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

圖9 防碰墊受力時(shí)歷曲線：（a）90°環(huán)境力；（b）60°環(huán)境力Fig.9 Time series of the loads acting on fender:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

圖10 系泊纜受力時(shí)歷曲線：（a）90°環(huán)境力；（b）60°環(huán)境力Fig.10 Time series of the loads acting on mooring line:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

圖11 樁柱受力時(shí)歷曲線：（a）90°環(huán)境力；（b）60°環(huán)境力Fig.11 Time series of the loads acting on pile:(a)Direction of 90 degrees;(b)Direction of 60 degrees

表6 平臺(tái)最大運(yùn)動(dòng)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.6 Statistic results of maximal motion responses for platform

表7 平臺(tái)系泊系統(tǒng)各部分最大受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.7 Statistic results of maximal loads acting for mooring system

從圖9~11和表7中可以看出，平臺(tái)在60°環(huán)境力作用時(shí)的受力（包含一階力、二階力和風(fēng)載荷）要略大于90°時(shí)，約為590 t。這主要是因?yàn)楦⊥苍趚方向的投影面積較大而引起較大的波浪力。另外由于60°環(huán)境力作用時(shí)平臺(tái)艏艉的運(yùn)動(dòng)不再像90°環(huán)境力作用時(shí)具有對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致平臺(tái)艏艉系泊系統(tǒng)及防碰墊的受力不再均勻，最大受力明顯增大，如防碰墊所受最大壓力甚至增大了31.3%。因此60°環(huán)境力作用時(shí)是該平臺(tái)和系泊系統(tǒng)的危險(xiǎn)工況。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，60°環(huán)境力作用時(shí)，系泊纜上最大張力為240 t，安全系數(shù)為1.88，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

近島礁浮式平臺(tái)作為海洋島礁開(kāi)發(fā)、漁業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境旅游等綜合保障基地時(shí)擁有多方面的優(yōu)勢(shì)，但島礁附近的地形復(fù)雜多變，水深較淺，這些給浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難。文中基于Morison公式、有限水深三維格林函數(shù)和時(shí)域耦合動(dòng)力分析方法，以一近島礁半潛式生產(chǎn)生活平臺(tái)為研究對(duì)象，分析了傳統(tǒng)系泊方式和樁柱式系泊方式下，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)，得到如下兩點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)的系泊方式，如懸鏈線式和張緊式系泊方式，通常應(yīng)用在中、深水海域，當(dāng)將它們擴(kuò)展到近島礁淺水環(huán)境下時(shí)出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，如平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過(guò)大，從而發(fā)生觸底和負(fù)氣隙現(xiàn)象；平臺(tái)與錨泊系統(tǒng)發(fā)生共振；錨的上拔力難以消除等。當(dāng)采用改變系泊纜長(zhǎng)度、預(yù)張力、系泊纜的數(shù)目和張力傾角等優(yōu)化手段時(shí)，效果并不明顯，優(yōu)化的空間很??；

（2）針對(duì)傳統(tǒng)系泊方式存在的問(wèn)題，并結(jié)合平臺(tái)?？看谋憷裕疚奶岢隽诵滦偷臉吨较挡聪到y(tǒng)。該系泊系統(tǒng)由于不存在拖曳的系泊纜，因而不會(huì)對(duì)?？看a(chǎn)生干擾，同時(shí)，從時(shí)域耦合動(dòng)力分析結(jié)果來(lái)看，平臺(tái)在該系泊系統(tǒng)下，整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較小，不會(huì)發(fā)生觸底和負(fù)氣隙現(xiàn)象，且系泊系統(tǒng)各部分受力均滿(mǎn)足相關(guān)要求，較好地解決了近島礁淺水環(huán)境下浮式平臺(tái)的系泊問(wèn)題，可為平臺(tái)的水池模型試驗(yàn)和淺水環(huán)境下浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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Investigations on mooring system design for a floating platform in shallow water near islands and reefs

DING Jun,CHENG Xiao-ming,TIAN Chao,ZHANG Kai,WU Bo
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Based on the finite water depth Green function,Morison equation and coupled dynamic analysis method,dynamic response analysis was performed for a semi-submersible platform in very shallow water with different types of mooring systems.The results show that traditional catenary or taut mooring systems,usually adopted for medium or deep water depth,will encounter a range of problems in very shallow water near islands and reefs,and the room for further optimization is very limited.But,the pile-post mooring system proposed in this paper can overcome these problems,and at the same time,makes ship docking much more convenient.The analysis results in this paper have certain guiding significance for model tests and further design of mooring systems in very shallow water.

floating platform;near islands and reefs;shallow water;mooring system;pile-post mooring

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.07.004

1007-7294（2015）07-0782-09

2015-02-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助（2013CB036102）；工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目資助工信部聯(lián)裝[2012]533

丁 軍 （1986-），男，工程師，E-mail：dingjun@cssrc.com.cn；

程小明（1957-），男，研究員，國(guó)家千人計(jì)劃專(zhuān)家。