沉箱注水的物理模型試驗(yàn)研究

沉箱注水的物理模型試驗(yàn)研究

隨著石油和天然氣勘探的深入，海上平臺的建造業(yè)逐漸朝著相對遙遠(yuǎn)的海洋方向發(fā)展?；炷林亓ζ脚_是海洋工程中非常可靠的平臺類型。結(jié)構(gòu)有多種類型。一些混凝土結(jié)構(gòu)是由垂直或細(xì)長的背板和圓形殼板組成的。外殼板通過徑向分隔連接，形成較大直徑的組合結(jié)構(gòu)。甲板結(jié)構(gòu)由外壁和最內(nèi)端的圓柱體向上延伸至組件。此外，還有一些設(shè)計(jì)方法是采用蜂窩混凝土基塊，以結(jié)合下沉的真空混凝土，并支撐起2、3或4個(gè)空心混凝土柱或塔的支撐板的結(jié)構(gòu)?；炷脸料涫狡脚_結(jié)構(gòu)是依靠其自身質(zhì)量直接置于海底.這種平臺的優(yōu)點(diǎn)是能在岸上或有遮蔽的水域里建造,再以半潛方式拖至安裝地點(diǎn),并且用灌注海水(壓載水)的方法在短時(shí)間內(nèi)完成現(xiàn)場就位.另外它省去了鋼樁,可以使用傳統(tǒng)的土木工程技術(shù)和作業(yè)方法,很少使用進(jìn)口建筑材料,結(jié)構(gòu)容許過載,材料使用壽命長.為此,本文的沉箱結(jié)構(gòu)是一種下部為圓柱體、直徑為38.0m、高5.5m,錐體上口直徑28.0m、高8.0m,總高13.5m.內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為4個(gè)前外隔艙、4個(gè)后外隔艙及2個(gè)前內(nèi)隔艙、2個(gè)后內(nèi)隔艙共12個(gè)隔艙用來灌注壓載水.沉箱總質(zhì)量為4900t(包括沉箱自身質(zhì)量、封頂及施工設(shè)備).施工過程是利用漲落潮拖運(yùn)沉箱至安裝地點(diǎn)用4根錨鏈錨固定位,每根錨鏈總長275m,錨鏈初始拉力為39.2kN.希望通過模型試驗(yàn),得到一些關(guān)于沉箱錨固定位后,通過灌注壓載水的前后秩序沉箱與波浪、水流三者之間的相互作用關(guān)系,為工程實(shí)踐提供一些參考數(shù)據(jù).1試驗(yàn)過程1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與儀器試驗(yàn)在港池中進(jìn)行.試驗(yàn)段長25.0m,寬10.0m,港池中部設(shè)有2.5m長、2.5m寬、0.5m深的淤泥坑,用來模擬淤泥質(zhì)海底.如圖1所示.為了使模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)場地的面積,以及試驗(yàn)設(shè)備的能力將模型的幾何比尺選為1∶35.試驗(yàn)中各項(xiàng)物理參數(shù)見表1.沉箱壓載試驗(yàn)是在規(guī)則波和潮流共同作用下的剛性浮體運(yùn)動,模型中所用的沉箱按1∶35的幾何比尺制作,根據(jù)原型沉箱的質(zhì)量,材料選用3mm厚的鋼板替代原型沉箱所用的鋼筋混凝土,以保證模型沉箱與原型沉箱的重量符合模型重力相似準(zhǔn)則.模型沉箱的結(jié)構(gòu)形式完全按照原型沉箱制做,重心位置采用傳統(tǒng)的懸掛吊角的方法測定,符合幾何相似.為了使模型沉箱與原型沉箱在水中的吃水符合模型幾何比尺,在模型沉箱底部設(shè)計(jì)一圈凹槽,用來安裝充氣橡膠胎,凹槽用蓋板封底,防止橡膠胎充氣后脫落、變形影響沉箱外形尺寸與沉箱坐底.充氣橡膠胎主要用來調(diào)節(jié)沉箱在水中的自重以及控制吃水.沉箱結(jié)構(gòu)見圖2、圖3所示.考慮到沉箱浮體運(yùn)動,采用正態(tài)模型.試驗(yàn)中所用的主要測試儀器如下.(1)DS-30多功能監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中為多用途測量和處理系統(tǒng),可同步測量并記錄多點(diǎn)波高、波壓力及模擬量.(2)四運(yùn)動量測量儀主要結(jié)合DS-30多功能監(jiān)測系統(tǒng)中的模擬量,測量沉箱的縱向、橫向、升沉和傾角的運(yùn)動過程.(3)纜力儀與DS-30多功能監(jiān)測系統(tǒng)中的模擬量結(jié)合測量錨系力.(4)DP-2型流速儀.該儀器主要監(jiān)測試驗(yàn)所需的流速.1.2高潮時(shí)沉箱壓載試驗(yàn)組次試驗(yàn)是在定水深、沉箱錨固定位后有初始吃水的情況下,將所需加載以4、5種不同的比例形式分別加入到前內(nèi)隔艙和后內(nèi)隔艙.共進(jìn)行了8個(gè)水深、29組、92次模擬試驗(yàn).本次試驗(yàn)?zāi)M的潮型過程為不規(guī)則半日潮,每天有兩次漲落,相鄰高、低潮間隔6h、12.5min.高潮水深10.80m,低潮水深8.30m,潮差2.50m.考慮到高潮時(shí)開始加載,隨著沉箱吃水不斷增加,水深隨潮時(shí)的減小,這時(shí)的水位變化緩慢,潮流流速小,沉箱受力較小,便于坐底時(shí)的調(diào)平和定位.為了便于試驗(yàn),在模擬沉箱壓載時(shí),將潮位分成幾段模擬沉箱的坐底過程.由沉箱吃水計(jì)算各時(shí)段沉箱的加載量,在定水深的情況下,將此加載量按不同比例加到前內(nèi)隔艙和后內(nèi)隔艙中(沉箱外隔艙為臨近坐底時(shí)調(diào)平所準(zhǔn)備).在不同加載情況下,分別測定沉箱在波、流共同作用時(shí)的縱向移動、橫向移動、上下升沉和沉箱沿縱方向的搖角,同時(shí)測量壓載過程錨系力的大小.表2是從高潮水深10.80m開始逐漸降到低潮水深8.30m時(shí)的試驗(yàn)組次(幾何比尺1∶35).1.3穩(wěn)定型沉箱可擴(kuò)壓載水在充放射線溫度下,主要分為前、后內(nèi)隔艙和壓載水,以控制沉箱主體的受壓載水以使沉箱平穩(wěn)坐底。以使在試驗(yàn)中,隨著壓載水的不段增加,沉箱吃水從0.12m開始到完全坐底,整個(gè)過程大致可分為4個(gè)階段.階段1:沉箱吃水從0.12m開始到0.17m時(shí),前內(nèi)隔艙和后內(nèi)隔艙均加了0.016m3的壓載水,這時(shí)由于沉箱吃水淺,壓載量少,重心位置高,受波、流的作用沉箱運(yùn)動幅度過大,再加上前錨的拉力,沉箱后部呈上翹的姿態(tài),所以應(yīng)向后內(nèi)隔艙多加0.028m3的壓載水,以達(dá)到在此階段沉箱能處于基本平穩(wěn)的狀態(tài).階段2:沉箱吃水已到0.17m,從此時(shí)至0.21m,沉箱吃水加深,再加上潮水下落,水深變淺,沉箱的運(yùn)動量減小,這時(shí)前、后內(nèi)隔艙的壓載水應(yīng)基本相同.階段3:沉箱吃水已達(dá)到0.21m,到0.24m時(shí)沉箱基本接近坐底,這時(shí)沉箱大部分沒入水中,沉箱的總重量大大增加,由于潮水的逐漸下落,水深更淺,沉箱在波、流作用下的運(yùn)動更小,這時(shí)要求沉箱前、后內(nèi)隔艙的水接近平穩(wěn),為沉箱完全坐底作準(zhǔn)備.階段4:這時(shí)沉箱離完全坐底只差0.01m,沉箱前、后內(nèi)隔艙的壓載水基本接近內(nèi)隔艙的總?cè)莘e,壓載量只稍稍大于沉箱的浮力,沉箱雖不會上浮,但對地基的壓力不大,易于滑動,所以沉箱在波浪的作用下還會產(chǎn)生縱移和縱傾.為了防止下一個(gè)潮汐的到來對沉箱產(chǎn)生破壞以及當(dāng)前沉箱坐底前的調(diào)平、坐底后的錨固,應(yīng)利用沉箱前、后外隔艙的作用,加壓載水至沉箱穩(wěn)固.沉箱的平穩(wěn)坐底,主要取決于在坐底過程中,不斷調(diào)整各隔艙的壓載水,以達(dá)到沉箱在波、流作用時(shí)基本處于平穩(wěn)狀態(tài),為完全坐底作準(zhǔn)備.2試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的恢復(fù)2.1載水過程運(yùn)動數(shù)據(jù)波高為3.0cm、周期為0.63s、流速為0.17m/s時(shí),沉箱前、后內(nèi)隔艙加壓載水過程的運(yùn)動數(shù)據(jù)見表3.表4為沉箱坐底后的各項(xiàng)運(yùn)動數(shù)據(jù).2.2預(yù)壓載水壓載根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析還原到原型得到,壓載從高潮位前1h開始,至低潮時(shí)前1h結(jié)束.沉箱距底0.35m時(shí),整個(gè)坐底過程大約需要395min,這時(shí)考慮加載水泵效率為0.8,如果能在各個(gè)環(huán)節(jié)都保證水泵的效率為1.0時(shí),整個(gè)壓載過程大約只需316min.沉箱壓載初期,吃水從4.21m到5.95m時(shí),沉箱在吃水淺的情況下,受波、流的作用運(yùn)動幅度大在前錨拉力的影響,沉箱前部呈下沉趨勢,為避免沉箱此時(shí)前部提前觸底,在173min灌壓載水的過程中,前內(nèi)隔艙的兩臺水泵需分別停機(jī)兩次,第1次為25min、第2次為49min,后內(nèi)隔艙比前內(nèi)隔艙多壓載514.5m3的壓載水.此種作法主要是使沉箱在受外力作用時(shí)仍保持平穩(wěn)狀態(tài).這時(shí)沉箱吃水由5.95m開始到7.30m,沉箱吃水加深,潮水下落,水深變淺,沉箱運(yùn)動量變小,此時(shí)要求前、后內(nèi)隔艙同時(shí)灌123.6min壓載水,使沉箱內(nèi)的壓載達(dá)到基本相同,但其中后內(nèi)隔艙少灌6min.這時(shí)沉箱吃水已在7.30m,到8.40m需灌壓載水99min,其中后內(nèi)隔艙停機(jī)兩次各為37min和31min.此時(shí)沉箱距完全坐底僅差0.35m,沉箱的前錨纜拉力值的變化在343～450kN之間,而其他3個(gè)錨纜的拉力僅是前錨纜拉力的1/6～1/3.通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)按規(guī)定增加壓載量,沉箱雖已坐底,但它的壓載量(包括沉箱自重)只稍稍大于沉箱的浮力,沉箱雖不會上浮,但對地基的壓力不大,易于滑動,另外沉箱坐底時(shí)正值低潮,當(dāng)漲潮水深再增加時(shí),沉箱浮力增大,有可能使沉箱再次浮起,所以沉箱坐底后應(yīng)繼續(xù)加載.沉箱的總排水量為11261.4m3,換算成質(zhì)量為11542.94t,沉箱坐底時(shí)的總質(zhì)量是9595.53t.要達(dá)到高潮位水深在10.80m時(shí),沉箱不會再次浮起,應(yīng)再加1947.41t壓載水,每臺水泵需再開啟2.28h(水泵效率按0.8計(jì)).沉箱完全坐底前,內(nèi)隔艙已注水1115m3,已接近內(nèi)隔艙的總?cè)莘e,所以坐底后應(yīng)該在調(diào)整沉箱位置的同時(shí),將壓載水加入到外隔艙內(nèi),整個(gè)施工過程才能安全穩(wěn)妥地完成.3水流速度、沉降速度以及加速度試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置的簡圖見圖4.為建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芰Ψ治?假設(shè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谧畲髴?yīng)力狀態(tài)時(shí)前錨鏈承受總拉力,而后、左和右錨鏈承受的拉力為零.沿水平和垂直運(yùn)動的力平衡,得Fcosα=ρCDAv202(1)Fsinα=(W0+ρgV)a0g(2)Fcosα=ρCDAv022(1)Fsinα=(W0+ρgV)a0g(2)式中:A=2rh;V為壓載總水量;受水深影響的沉降速度修正為v0=(1+2.4hD)vv0=(1+2.4hD)v;h為吃水深度;D為水深;r為沉箱半徑;v為水流速度;a0=(2πT)2(H+s)a0=(2πΤ)2(Η+s)為波浪在垂直方向上相對于沉箱的加速度,則沉箱相對于水體的加速度也取a0;H為波高;s為沉箱下沉量;ρ為水的密度;g為重力加速度;CD為繞流阻力系數(shù);W0為自重;T為波浪周期;F為前錨鏈拉力.合并式(1)和式(2)得F={(ρCDAv202)2+[(W0+ρgV)a0g]2}12(3)F={(ρCDAv022)2+[(W0+ρgV)a0g]2}12(3)在式(3)的基礎(chǔ)上擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出F=12.6(Dr)1.5{(ρCDAv202)2+[(W0+ρgV)a0g]2}12(4)F=12.6(Dr)1.5{(ρCDAv022)2+[(W0+ρgV)a0g]2}12(4)各組次經(jīng)驗(yàn)公式值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖5.從中可以看出經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)值量級與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量級大多能基本吻合,經(jīng)驗(yàn)公式基本能反映沉箱運(yùn)動物理量與前錨鏈?zhǔn)芰χ?/p>