锚泊活动对水下沉箱影响的数值模拟研究

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随着海洋油气资源需求的增加,海上锚泊活动对油气开采工程的影响日益受到重视。可采用水下沉箱保护水下生产系统免受锚泊活动的影响,然而用于连接不同沉箱单体的跨接管的容许位移有限,这对沉箱的整体沉降或倾斜提出了较高要求。本文基于CEL方法采用ABAQUS软件模拟了落锚和拖锚对水下沉箱的影响,讨论了土体不排水抗剪强度su、锚速度等关键因素的影响。在分析单一影响因素对落锚和拖锚对水下沉箱规律的基础上,给出了定量计算表达式。主要内容如下:第一,模拟了落锚过程中su对沉箱的影响。总体上,沉箱位移随su增大的变化可划分为三个阶段:su=1~3 k Pa时,沉箱位移随su增大迅速减小,这个阶段内,沉箱周围土体流动模式呈现整体左上方流动占据主导;su=6~15 k Pa时,沉箱位移随su增大而增大,原因是与上一个阶段相比,随su增大,土体的流动模式由右上方流动占据主导变为左上方流动占据主导;su=15~25 k Pa时,沉箱位移在3.5 cm左右,随su变化不明显。第二,模拟了落锚过程中锚贯入速度和锚落点距沉箱距离(简称落距)对沉箱位移的影响,结果表明,贯入速度小于12 m/s时,沉箱的竖向位移最大差值不超过0.11%。此外,沉箱位移随落距增大而减小,根据不同落距下的数值计算结果,给出了不同贯入速度下安全落锚距离的计算表达式。第三,基于不同因素下落锚过程对沉箱影响计算数据的分析,给出两种预测方法:分段预测法为结合不同落距下的沉箱位移三阶段变化关系,采用分段拟合给出沉箱位移计算表达式的方法;简化预测法为忽略沉箱位移曲线中下凸部分点,对剩余点进行拟合得到表达式的方法。其中分段预测法仅适用于落距在0.5~2倍锚长度的工况;简化预测方法适用范围更广,但下凸部分的预测值比计算结果大26%左右,即预测结果是保守的。第四,模拟了拖锚对沉箱的影响,结果显示,无论是沉箱的转角还是位移均远远超过工程中所允许的上限值,会对工程结构造成致命影响;本文结合实际情况下船锚所能提供的最大锚抓力,根据锚拉力和沉箱位移时程曲线,确定出了沉箱的实际位移。通过su、锚重、拖锚速度、拖锚距离对沉箱影响计算结果的分析,总结了不同影响因素条件下沉箱实际位移变化规律,结合船舶淌航距离,给出了禁锚区范围的设置原则。综上所述,本文重点探讨了su和落距对落锚过程中沉箱位移的影响,并提出两种水下沉箱位移预测方法,简化的位移预测方法考虑因素全面、计算简便,较为推荐;此外,重点探讨了拖锚时的su对沉箱位移的影响,提出设置禁锚区以减小沉箱损坏的措施。
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