冀 昊，季新然

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

0 引 言

我國具有豐富的風(fēng)能資源，陸上風(fēng)力資源有2.5億kW，海上風(fēng)力資源(30 m水深以內(nèi))有7.5億kW。海上風(fēng)電的優(yōu)勢主要包括海上的高風(fēng)速及滿發(fā)小時數(shù)，不占用土地資源，不受地形地貌影響，單機(jī)容量更大，規(guī)避陸上發(fā)展空間的限制，離負(fù)荷中心更近，減少電力傳輸損失等。根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，到2020年，我國海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1 000萬kW，力爭累計并網(wǎng)容量達(dá)到500萬kW以上。風(fēng)電場測風(fēng)是風(fēng)能開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)，也是風(fēng)能開發(fā)的前提和基礎(chǔ)，它對風(fēng)電場的設(shè)計、建設(shè)具有重大影響，做好風(fēng)電場的測風(fēng)對風(fēng)能開發(fā)具有重要意義。

在海上風(fēng)電場工程建設(shè)前期，應(yīng)全面地收集風(fēng)電場測風(fēng)資料，掌握海上風(fēng)電場海域風(fēng)的變化規(guī)律及特征，將測風(fēng)所得的風(fēng)資源數(shù)據(jù)作為海上風(fēng)電場工程風(fēng)能資源評估的基礎(chǔ)，進(jìn)而測算海上風(fēng)電場的發(fā)電效益。獲得精確的海上風(fēng)資源數(shù)據(jù)最直接的方法就是安裝海上測風(fēng)塔，一般通過一年的測風(fēng)，對風(fēng)電場的風(fēng)資源進(jìn)行評估。國內(nèi)外傳統(tǒng)的海上測風(fēng)塔一般通過大型浮吊和液壓錘安裝固定在在海床上，其基礎(chǔ)形式多為樁基礎(chǔ)或重力式基礎(chǔ)，采用的樁基礎(chǔ)主要有單樁、三樁和四樁三種形式。傳統(tǒng)海上測風(fēng)塔的運輸、安裝流程是預(yù)先在海上風(fēng)電場工程場址通過大型打樁設(shè)備進(jìn)行海上測風(fēng)塔樁基的沉樁施工，完成海上測風(fēng)塔下部基礎(chǔ)施工，然后在碼頭前沿通過碼頭上起重設(shè)備將測風(fēng)塔上部結(jié)構(gòu)吊裝到運輸船上，通過運輸船干拖到安裝海域，再利用浮吊等海上起重安裝船將測風(fēng)塔上部結(jié)構(gòu)與已施工的基礎(chǔ)進(jìn)行連接，實現(xiàn)整個海上測風(fēng)塔的安裝施工。海上測風(fēng)塔運輸和安裝均需使用較大的運輸船舶、打樁船和吊裝船，施工周期長且船機(jī)費用較高，且完成安裝的海上測風(fēng)塔在風(fēng)資源數(shù)據(jù)收集完成后，不能回收再利用，海上拆除比較困難，需要動用大型船機(jī)，拆除施工費用昂貴[1]。

本文探索一種安裝激光測風(fēng)裝置的海上測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)，該海上測風(fēng)塔采用了一種新的設(shè)計理念，海上運輸時可以不使用大型運輸船，只需采用小型拖輪拖帶，利用測風(fēng)塔自身下部浮筒提供的浮力在海上進(jìn)行濕拖到達(dá)目標(biāo)海域，整個濕拖過程滿足海上拖航的穩(wěn)性要求。測風(fēng)塔海上安裝時也不需要浮吊和液壓錘等大型安裝施工船和設(shè)備，而是由加裝的臨時氣囊提供額外浮力由預(yù)留的充排水系統(tǒng)對下部浮筒各艙室進(jìn)行注水，海上測風(fēng)塔緩慢下沉完成坐底安裝施工，臨時氣囊完成排氣收縮；測風(fēng)數(shù)據(jù)滿足要求后，可通過預(yù)留的排水系統(tǒng)排除艙室中的海水完成上浮，然后拖航到其他海域重復(fù)上述下沉坐底安裝過程，繼續(xù)海上測風(fēng)實現(xiàn)回收再利用。該海上測風(fēng)塔具有測量范圍大、可自浮拖航、可自沉坐底和上浮重復(fù)使用、測風(fēng)塔和基礎(chǔ)一體安裝以及海上運輸、安裝和拆除費用低等優(yōu)點。本文基于MOSES軟件，對這種可自安裝的新型海上測風(fēng)塔進(jìn)行拖航穩(wěn)性和下沉、上浮安裝穩(wěn)性分析計算，為這種結(jié)構(gòu)海上施工提供依據(jù)。

1 測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)

1.1 測風(fēng)塔整體結(jié)構(gòu)

該型海上測風(fēng)塔由上部桁架、下部浮筒結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)鋼絲繩組成，在桁架的測風(fēng)平臺上安裝激光測風(fēng)儀，測風(fēng)高度范圍0～200 m，如圖1所示。測風(fēng)塔總高40 m，總質(zhì)量約150 t；上部為桁架式塔架結(jié)構(gòu)，邊長為2.5 m；下部浮筒基礎(chǔ)邊長31 m，呈四邊形分布，浮筒基礎(chǔ)由直徑1.2 m、長14 m的鋼管焊接組裝而成，下部浮筒的氣密性和水密性要求較易滿足。海上測風(fēng)塔下部浮筒在海上拖航時可以提供浮力，注水下沉安裝就位后以重力式基礎(chǔ)的形式抵抗整個結(jié)構(gòu)在風(fēng)、浪和海流作用下的傾覆和滑移。該型式海上測風(fēng)塔適合我國海床土質(zhì)以粉砂、粉土為主的海域，海床基巖埋深較淺海域也可應(yīng)用，但安裝前需預(yù)先進(jìn)行海床整平。

圖1 海上測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)示意

1.2 下部浮筒分艙結(jié)構(gòu)

下部浮筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)邊長31 m，呈四邊形分布，浮筒基礎(chǔ)由16根直徑1.2 m，長14 m的標(biāo)準(zhǔn)鋼管焊接組裝而成。海上測風(fēng)船下部基礎(chǔ)浮筒礎(chǔ)結(jié)構(gòu)共分8個艙，每2根14 m的標(biāo)準(zhǔn)鋼管作為一個壓載艙，每個封閉的浮筒作為壓載艙結(jié)構(gòu)，并預(yù)留安裝排水管和注水管接口。下部基礎(chǔ)壓載浮筒分艙如圖2所示。海上測風(fēng)塔下部浮筒基礎(chǔ)除應(yīng)滿足強(qiáng)度、坐底的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性，還要有足夠的干舷、儲備浮力和穩(wěn)性以滿足拖航穩(wěn)性要求和下沉、上浮的穩(wěn)性要求。

圖2 海上測風(fēng)塔下部基礎(chǔ)浮筒分艙布置

2 海上測風(fēng)塔拖航完整穩(wěn)性分析

海上測風(fēng)塔為高聳的結(jié)構(gòu)，總高40 m。由于海上濕拖作業(yè)時重心較高，且測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)受風(fēng)浪力作用相對較大，因此必須進(jìn)行海上測風(fēng)塔拖航作業(yè)時的拖行穩(wěn)性分析，保證此結(jié)構(gòu)型式的海上測風(fēng)塔在海上拖航作業(yè)時的安全。

海上測風(fēng)塔的穩(wěn)性和海洋浮式平臺或者船舶類似，主要是指結(jié)構(gòu)在外力作用下偏離其平衡位置而產(chǎn)生橫傾和縱傾，當(dāng)外力消失時，結(jié)構(gòu)能自行恢復(fù)到原平衡位置的能力[2]。海上結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的計算關(guān)鍵在于確定結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)性以及受到的風(fēng)傾力矩和自身的復(fù)原力矩。

本文應(yīng)用國際上通用的海洋工程水動學(xué)分析軟件MOSES進(jìn)行海上測風(fēng)塔的模擬和穩(wěn)性計算，海上測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)件以管單元模擬，鋼材密度設(shè)置為0，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和質(zhì)量分布在MOSES中直接輸入。計算坐標(biāo)系原點為海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)浮筒右側(cè)最低點中點，坐標(biāo)系X軸方向向左，Y軸方向向下，Z軸沿型深向上。計算模型如圖3所示。

圖3 MOSES穩(wěn)性計算模型

根據(jù)規(guī)范[3]要求，對于在近海航區(qū)和無限航區(qū)，計算風(fēng)傾力矩最小風(fēng)速取70節(jié)。對于長距離無限航區(qū)的拖航作業(yè)，要求最小風(fēng)速取100節(jié)。本文測風(fēng)塔完整穩(wěn)性的校核工況最小風(fēng)速取100節(jié)。受風(fēng)面積為水線面以上浮筒部分及上部鋼結(jié)構(gòu)。

依據(jù)規(guī)范[3]中對測風(fēng)塔完整穩(wěn)性的要求，測風(fēng)塔的拖航完整穩(wěn)性需要滿足初穩(wěn)心高度GM≥0.3，GM的理論計算公式為[4]

ρ=Ix/V

(1)

GM=ρ-(Zg-Zb)

(2)

式中，ρ為穩(wěn)性半徑；V為機(jī)構(gòu)自重相對應(yīng)的排水體積；Ix為浮筒水線面對X軸的面積慣性矩；Zg為重心高度；Zb為浮心高度。同時，需滿足復(fù)原力臂曲線與風(fēng)壓橫傾曲線至第二交點或進(jìn)水角(取較小值)處的兩曲線所包圍的面積之比值應(yīng)不小于1.4，即穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K≥1.4，其中K=(A+C)/(B+C)，A、B、C表示面積如圖4所示。

圖4 海上測風(fēng)塔穩(wěn)性分析

海上測風(fēng)塔在海上拖航情況下，測風(fēng)塔吃水為0.52 m，以基礎(chǔ)底面為零面，海上測風(fēng)塔重心高度2.71 m。采用海洋工程水動學(xué)分析軟件MOSES進(jìn)行完整穩(wěn)性計算。測風(fēng)塔海上拖航未破艙時的風(fēng)傾力臂和恢復(fù)力臂以及面積比見圖5。經(jīng)計算，海上測風(fēng)塔在吃水0.52 m，風(fēng)速為100節(jié)作用下進(jìn)行海上濕拖時，其穩(wěn)心高度GM為203.82 m，穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K為4.12，兩項指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

圖5 完整穩(wěn)性的風(fēng)傾力臂和恢復(fù)力臂以及面積比

3 海上測風(fēng)塔自安裝沉浮穩(wěn)性分析

海上測風(fēng)塔坐底下沉安裝是通過預(yù)留的充排水系統(tǒng)對測風(fēng)塔下部浮筒各艙室進(jìn)行注水，通過控制不同艙室注水順序，實現(xiàn)海上測風(fēng)塔的緩慢下沉完成自安裝坐底施工。如何保證測風(fēng)塔在下沉?xí)r能夠有足夠儲備浮力保證穩(wěn)性，不至于在風(fēng)浪的作用下傾覆，是此測風(fēng)塔設(shè)計的難點。浮式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性計算中初穩(wěn)心高度GM是衡量浮式結(jié)構(gòu)穩(wěn)性的最主要指標(biāo)。

GM=ZB+r-ZG

(3)

式中，ZB、ZG分別表示浮體結(jié)構(gòu)的浮心和重心的垂向坐標(biāo)；r為穩(wěn)心半徑，r=IT/Δ，其中，IT、Δ分別為浮式結(jié)構(gòu)的水面慣性矩和排水體積。

浮體結(jié)構(gòu)的GM值必須為正才能保證浮體在風(fēng)、浪流等荷載作用下不至于傾覆。一般地，浮體結(jié)構(gòu)GM數(shù)值越大，浮體的穩(wěn)性越好。由于受到測風(fēng)塔浮體外形的限制，浮心調(diào)整范圍較小。那么為了使測風(fēng)塔初穩(wěn)心GM更大，浮體的重心就不能太高。受測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)型式限制，浮心和重心較難調(diào)整，為滿足測風(fēng)塔的下沉安裝穩(wěn)性，就必須依靠增加浮體尺度的方法，以增加結(jié)構(gòu)的水線面慣性矩來增大浮體穩(wěn)性半徑以滿足GM為較大值的要求。

本文計算的海上測風(fēng)塔下部基礎(chǔ)尺度較大，上部的桁架結(jié)構(gòu)尺度相對下部結(jié)構(gòu)較小。測風(fēng)塔下沉作業(yè)時，當(dāng)測風(fēng)塔下部浮筒注水下沉，浮筒剛好浸沒在海面以下時，由于上部桁架結(jié)構(gòu)的水線面慣性矩較小，且重心高于浮心，此時整個測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的初穩(wěn)心GM<0，這意味著當(dāng)測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)受到外力產(chǎn)生傾斜時，其不能依靠自身的回復(fù)力矩回到平衡狀態(tài)，平臺將傾覆于海水中。為了防止平臺傾覆，本文通過在測風(fēng)塔下層鋼絲繩上增加臨時輔助氣囊來提高整個結(jié)構(gòu)的浮心Z坐標(biāo)和增大水線面慣性矩，從而增大沉浮時的初穩(wěn)心高以滿足海上測風(fēng)塔沉浮作業(yè)時穩(wěn)性要求。增加的臨時輔助氣囊直徑為1.2 m。海上測風(fēng)塔沉浮作業(yè)的過程仍然應(yīng)用MOSES軟件進(jìn)行計算模擬。圖6為增加臨時輔助氣囊的海上測風(fēng)塔MOSES模型。

圖6 帶輔助氣囊的海上測風(fēng)塔MOSES模型

海上測風(fēng)塔安裝臨時氣囊其沉浮方式有2種。第1種是平臺整個沉浮過程中，平臺沒有出現(xiàn)或者僅出現(xiàn)微小傾斜，這種沉浮方式稱為均勻沉浮。平臺首先拖航到目標(biāo)海域，通過注水壓載調(diào)整平臺吃水，平臺從海平面均勻下沉，最終坐底在海床面上。第2種是在沉浮過程中，控制整個結(jié)構(gòu)先緩慢縱傾，平臺一端先接觸海床面，然后另一端在緩慢下沉直至整個平臺整體完成下沉坐底。

本文設(shè)計的海上測風(fēng)塔的上下兩部分結(jié)構(gòu)主尺度相差較大，在加裝臨時輔助氣囊后，主尺度差距減小。根據(jù)此海上測風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)特點，平臺下沉作業(yè)采用傾斜下沉方式要優(yōu)于均勻下沉方式。因此，計算中也只考慮傾斜下沉方式，實際施工以計算結(jié)果作為參照。海上測風(fēng)塔傾斜下沉過程見圖7。

平臺上浮過程是下沉作業(yè)的逆過程，計算過程和結(jié)果相同。實際施工中則通過向浮筒預(yù)留的排氣管充高壓氣體，排除艙體中的壓載海上實現(xiàn)海上測風(fēng)塔上浮到拖航狀態(tài)。

根據(jù)規(guī)范，海上平臺的沉浮穩(wěn)性要滿足以下準(zhǔn)則：①在整個下沉過程中，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高，對均勻沉浮應(yīng)不小于0.15 m，對傾斜沉浮應(yīng)不小于0.05 m；②如滿足①的要求，則可統(tǒng)一采用下沉?xí)r艙室充水壓載程序的逆過程作為平臺起浮時的卸載程序。

測風(fēng)塔傾斜下沉?xí)r的姿態(tài)和初穩(wěn)心高度見表2。經(jīng)計算，加裝臨時輔助氣囊的測風(fēng)塔沉浮穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

本文對一種新結(jié)構(gòu)型式海上測風(fēng)塔的海上濕拖穩(wěn)性和安裝穩(wěn)性進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)MOSES建模和計算，自安裝海上測風(fēng)塔的拖航和安裝穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求，說明海上測風(fēng)塔下部浮筒尺寸和分艙設(shè)計可以滿足整個海上測風(fēng)塔的濕拖運輸；測風(fēng)塔本身結(jié)構(gòu)特點決定測風(fēng)塔下沉安裝時水線面會突變引起安裝穩(wěn)性不足，臨時輔助氣囊的設(shè)計可以提供儲備浮力和提高水線面面積，在通過控制下部浮筒注水壓艙完成海上測風(fēng)塔下沉坐底安裝時，臨時輔助氣囊的使用保證了下沉安裝穩(wěn)性能夠滿足規(guī)范要求。