馬勁

摘 要：在水下管道中，穿越航道的那一部分管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要來源于過往該航道的船舶主動(dòng)或被動(dòng)的拋錨。一旦管道發(fā)生破損、泄露，將對(duì)經(jīng)濟(jì)造成難以估量的損失，對(duì)環(huán)境的破壞更是無法想象。因此，水下管道抗錨害分析己成為一個(gè)亟待解決的重要課題。建立“河底基床-管道-錨-水-空氣”和“河底基床-管道-錨-水-空氣-錨鏈-船舶”三維流固耦合和固體侵切有限元計(jì)算模型，對(duì)船舶拋錨、拖錨、撞擊和侵切對(duì)水下管道的損傷行為進(jìn)行數(shù)值仿真；根據(jù)錨害分析，研究管道的防護(hù)措施，并分析和研究水下管道防護(hù)措施的有效性和可靠性，可為水下管道抗錨害設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：水下管道 抗錨害 拋石防護(hù) 有限元數(shù)值仿真研究

1.船舶拋錨對(duì)水下管道的損害分析

錨害主要包括落錨的直接沖擊和拖錨的侵切破壞，包括錨與水、錨與土、錨與管道、管道與土體的相互作用。落錨過程中，錨在重力、浮力和河水阻力的作用下下落，最終與河底發(fā)生碰撞，并與河底基床產(chǎn)生沖擊和侵切；拖錨過程中，錨與河底基床發(fā)生侵切，有可能穿過回填土，鉤、刺管道，造成傷害。

（1）落錨撞擊

落錨撞擊破壞力與錨的速度有關(guān)，而錨速又與水深和水體阻力有關(guān)，在小深不太大時(shí)，錨的重力大于錨的浮力、阻力之和，處于加速階段，此時(shí)，水深越大，錨的碰撞速度越大，破壞力越大；當(dāng)水深很大時(shí)，錨的速度增加到一定程度時(shí)，水的阻力進(jìn)一步增大，水的阻力、浮力與重力達(dá)到平衡狀態(tài)，錨的速度達(dá)到最大值。因此，評(píng)估落錨時(shí)的最大破壞力采取最大水深。

（2）拖錨航行

當(dāng)船舶主動(dòng)或被動(dòng)拋錨時(shí)，落錨首先在河床上貫穿一定的垂直距離，貫穿深度取決于錨的重量、形狀、水深及土壤的特性。在貫穿過程中主動(dòng)力主要包括錨的重力，阻力包括作用在錨下端的土壤承載力和側(cè)面的土壤摩擦力。拖錨時(shí)，錨力和錨的運(yùn)動(dòng)軌跡主要處決于土的抗剪強(qiáng)度。拖錨計(jì)算時(shí)，先計(jì)算錨貫入土壤深度，再計(jì)算在該貫入深度下拖錨時(shí)錨的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過錨鉤與管道的最小距離來評(píng)估管道在拖錨工況下的安全性。

研究管道在拖錨工況下的安全性，需計(jì)算拖錨情況下錨最低的運(yùn)動(dòng)軌跡。錨的運(yùn)動(dòng)軌跡，與水位、錨鏈長(zhǎng)度和土壤特性有關(guān)，當(dāng)土壤特性確定時(shí)，水位越低，錨鏈越長(zhǎng)，錨抬升的角度越小，抬升的速度越慢，錨的運(yùn)動(dòng)軌跡越低；反之，水位越高，錨鏈越短，錨抬升的角度越大，抬升的速度越快，錨的運(yùn)動(dòng)軌跡越高。因此，拖錨計(jì)算時(shí)，取最低通航水位。

2.錨害的數(shù)值仿真模型建立

目前，在國(guó)內(nèi)外對(duì)于水下管道錨害損傷的數(shù)值模擬研究中，主要采用物理模型和數(shù)學(xué)計(jì)算。

物理模型按一定的相似準(zhǔn)則，建立相應(yīng)比例的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯垮^害。該法比較直觀，但由于錨與水的相互作用十分復(fù)雜，特別是水的阻力過程，難以用單一的相似準(zhǔn)則來模擬，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料也以找到；土體的侵切行為更加復(fù)雜，與土體的性狀、錨的形狀密切相關(guān)，很難找到滿足比尺實(shí)驗(yàn)的材料，即便找到了，代價(jià)也十分巨大和昂貴，且精度有限。

數(shù)學(xué)計(jì)算目前主要彈簧法和有限元法。彈簧法彈簧法只能模擬彈簧所處位置處的變形情況，而無法對(duì)接觸力方向的變化進(jìn)行模擬，無法考慮到錨與水的作用，無法計(jì)算錨在土體內(nèi)的侵切行為，也無法反映錨與管道的碰撞過程，計(jì)算精度十分有限。目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用有限元法計(jì)算錨害的研究主要集中于計(jì)算錨與管道的碰撞和接觸行為，而對(duì)于錨與水的流固耦合過程、錨與管道接觸前的狀態(tài)及接觸過程與土體侵切的數(shù)值過程仿真還極少。

錨害是流固耦合、固體侵切的大位移、大變形和大應(yīng)變的幾何非性性、材料非線性和接觸非線性動(dòng)力響應(yīng)過程，計(jì)算十分復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的數(shù)值研究較少，本文在搜集國(guó)內(nèi)外相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法和理論的基礎(chǔ)上，對(duì)大型數(shù)值計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，編寫計(jì)算插件，運(yùn)用拉格朗日法和歐拉法相結(jié)合的方法，建立“河底基床-管道-錨-水-空氣”和“河底基床-管道-錨-水-空氣-錨鏈-船舶”三維流固耦合和固體侵切有限元計(jì)算模型，對(duì)船舶拋錨、拖錨、撞擊和侵切對(duì)水下管道的損傷行為進(jìn)行數(shù)值仿真，考慮材料非線性、幾何非線性及接觸界面非線性等因素對(duì)水下管道結(jié)構(gòu)損傷變形的影響，也考慮了不同土壤特性、撞擊速度、錨自身形狀、尺寸、重力和管道埋設(shè)深度對(duì)管道撞擊塑性變形的影響，分析和研究了錨與空氣、錨與水、錨與土壤、錨與管道、錨與錨鏈的相互作用，求解了管道在錨害中的應(yīng)力和變形。

錨在水中受到浮力、重力外，還受到水體阻力，水體阻力與錨運(yùn)動(dòng)速度和流場(chǎng)狀態(tài)有關(guān)，水體阻力由單元流固耦合進(jìn)行時(shí)程計(jì)算。錨體貫入河底基床及侵切土體時(shí)，河底基床土體發(fā)生大應(yīng)變，如采用拉格朗日網(wǎng)格，網(wǎng)絡(luò)隨質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)，網(wǎng)格大變形時(shí)，計(jì)算將產(chǎn)生奇點(diǎn)，求解無法進(jìn)行，這是計(jì)算的難點(diǎn)和重點(diǎn)。由于歐拉網(wǎng)格固定，質(zhì)點(diǎn)可以網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流動(dòng)。為解決土體的大應(yīng)變和侵切的計(jì)算，本文模型引入拉格朗日方法的同時(shí)，也引入歐拉網(wǎng)格，彼此之間既互相獨(dú)立又相互聯(lián)系，使整個(gè)模型既保留拉格朗日法的高效，又有效解決了大變形計(jì)算問題。拉格朗日方法和歐拉法的相互耦合，為土體的大應(yīng)變和錨土侵切計(jì)算提供了新的思路。

根據(jù)管道的河底地質(zhì)層空間分布、水深和錨特征等，等比例建立三維有限元計(jì)算模型。落錨分析時(shí)，建立“河底基床-管道-錨-水-空氣”三維有限元計(jì)算模型。拖錨侵切分析時(shí)，建立“河底基床-管道-錨-水-空氣-錨鏈-船舶”三維有限元計(jì)算模型。

3.錨害防護(hù)措施的數(shù)值仿真分析

水下管道頂部?jī)H回填開挖土?xí)r，落錨沖擊下，錨會(huì)貫穿管頂回填土，與管道發(fā)生碰撞，并會(huì)引起混凝土配重層的破壞和鋼管局部的凹陷變形；拖錨航行時(shí)，錨鉤存在鉤掛水下管道的可能；為了防止水下管道被落錨沖擊變形，防止管道不被拖錨鉤掛，須對(duì)水下管道采取工程措施加以保護(hù)。目前國(guó)內(nèi)水下管道多采用在頂部拋設(shè)碎石層和塊石層進(jìn)行防護(hù)，拋石厚度直接關(guān)系到工程投資和對(duì)管道的防護(hù)效果，因此，拋石厚度的選擇是防護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。水下管道工程防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)設(shè)多組拋石厚度組合，運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)分別驗(yàn)算其對(duì)錨害的防護(hù)效果，從其中選取落錨時(shí)管道與錨不發(fā)生接觸，且不被落錨沖擊變形，拖錨航行時(shí)不被錨鉤鉤掛的拋石防護(hù)方案。

4.結(jié)語

綜上所述，在建立等比例的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯垮^害代價(jià)巨大、昂貴且精度有限的情況下，通過建立“河底基床-管道-錨-水-空氣-船舶”三維流固耦合和固體侵切有限元計(jì)算模型，對(duì)船舶拋錨、拖錨、撞擊和侵切對(duì)水下管道的損傷行為進(jìn)行數(shù)值仿真，求解了管道在錨害中的應(yīng)力和變形，為錨害的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供技術(shù)依據(jù)和參考，在實(shí)際工程中具有良好的應(yīng)用效果。

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