本文是一篇土木工程论文，本文针对海上大型浮式人工岛的系泊系统，提出了七种布置方案。通过 Orcaflex软件进行了数值模拟方法的计算不同系泊布置方案与浮岛的运动位移响应以及每个系泊方案的动力特性，分析了不同系泊布置方案对浮岛的安全稳定性，并优化了系泊系统的布置方案，为浮岛的系泊系统的安全稳定性提供了技术支持。
第 1 章 绪论
1.1 工程背景与研究意义
在当前全球经济缓慢复苏的大背景下，加强区域合作是推动世界经济发展的重要动力 ，并且已经成为一种趋势。“一带一路”倡导推动沿线各国基础设施互联互通，促进新的经济繁荣[1]。长期建设形成的一些生产能力需要出路，但现在世界上仍然有很多发展中国家面临着和当年中国一样的难题。通过“一带一路”倡议，帮助这些国家和地区进行比如道路、桥梁、港口等基础设施建设，提高他们经济发展的水平和生产能力，同时也顺应了中国产业技术升级的需要，充分体现了“一带一路”基础设施合作中，“共商、共建、共享”原则。
“一带一路”沿线国家和地区，大部分具有较为丰富的海岸线资源，比如：马来西亚、菲律宾等。这些国家陆域面积有限，面临着中心城区交通压力大、中心区用地拓展余地不足等问题；随着城市规模逐渐增大蔓延，港区深入内城，疏港交通与城市交通混杂，造成市区交通拥堵严重，环境及噪音污染等问题突出。同时中心城区与港口均缺乏拓展空间，港口与城市由相互促进变成相互限制，严重影响经济中心整体功能的发挥，对当地经济、环境以及民生等造成较大的负面影响。
马尔代夫共和国地处印度洋中心，是多条国际主要航道的必经之地，在国际远洋运输中具有特殊的战略地位。马尔代夫借助优越的地理位置和丰富的海洋资源，经济增长速度快，渔业、航运业尤其旅游业等产业发展。马尔代夫全国人口总量约 35 万，分布在 198 个岛屿上，首都马累面积仅 1.8 平方公里，却居住着 15 万人口，成为世界上人口密度最大的首都，在旅游旺季，住房和酒店紧张局面尤为凸显。同时全球升温对岛国产生很大的影响，马尔代夫受到的威胁最大。随着全球变暖，温度上升，低洼的热带岛屿在 30 年内就将因为海平面上升而无法居住，人工岛的开发建设在该国具有极大的需求和战略意义。马尔代夫地形以环礁岛为特征，环礁岛内外水深都较大，坡度陡，传统填筑式人工填岛建设需巨量的土石材料，施工难度大，经济效益差，难以实施。建设浮式人工岛，可有效避免以上制约因素，开创建岛新途径，开展浮式人工岛建设关键技术研究符合“一带一路”如马尔代夫等关键区域的发展需求[2-4]。
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1.2 国内外研究现状
目前国内外在浮式岛建设方面[7-10]，开展了一些探索，提出了若干海上人工浮式岛设计概念，通常像这种重大结构设计的使用设计年限一般为 50 年以上[11-12]。在国外，美国自由舰国际公司提出了“漂浮城市”概念。设想中的“漂浮城市”是一艘巨型船，长约 1600 米，宽 230 米、25 层高，城内配备学校、医院、购物中心、公园、机场等设施，能够容纳 5 万名长期居住者。日本清水科学技术公司提出的未来水上城市的设计概念，这个未来的水上城市是睡莲状，巨大的睡莲水上城市包含着大量的水上社区，各社区是 1 公里宽，可以容纳 1 万到 5 万人。在未来的水上城市，如图 1-1 所示，使用一系列科学技术保护这些水上城市不受潮汐和极端气候影响。
比利时提出了“百合花瓣”水上移动城市模型的设想。“百合花瓣”水上移动城市是一个漂浮的两栖城市，这个城市的直径长达 1000 米，设计容纳 5 万人，四面的建筑屋顶都覆盖着草坪，中间部分则有微型绿洲和湖泊，城市全部物质都是可循环利用的，使用太阳能、风能、潮汐能等清洁能源。2012 年，中国海洋石油公司等单位共同完成了超大型海上浮式结构物的 863 项目研究。该项目研究的海上浮式基地呈完整的圆环形，直径 400 米，周长 1000 米以上，由八个模块拼接而成，环内水域作为船只的避风港。2012 年，中国交通建设集团第四航务工程勘察设计院有限公司提出了在深海环境中建造面积约 10 平方公里的海上浮岛城市设想，研究了海上浮岛城市的概念规划，然而截至目前，国内外尚无大型海上浮岛城市建设工程实例，相关研究也很鲜见。
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第 2 章 系泊系统数值模型及验证
2.1 浮体分析理论基础
2.1.1 JONSWAP 波浪谱理论
本文浮岛工作海域海况复杂，波浪对浮岛的作用可视为由多个不同振幅、不同频率和相位差差距较大的不规则波组成。
2.1.2 系泊系统运动方程与缆绳张力理论
本文将浮岛视作刚性部件，系泊缆视作柔性部件，浮岛系泊系统由刚性部件岛体和柔性部件系泊缆等组成。对于刚性部分，依据刚体运动学建立运动方程；对于柔性部分，采用凝集质量法建立其运动方程。
为了正确模拟浮岛系泊系统在风浪流荷载作用下的力学行为及响应，本文在开展浮岛系泊系统数值仿真之前，先开展了 2 个实例模拟研究，通过对比本文与文献或手册的计算结果，验证本文建立数值仿真模型的可靠性。
本文在 OrcaFlex 中选用直径为 0.06m 、材料规格为 Umbilical 来模拟漂浮式的跨接电缆，且保持在适当的位置，跨接电缆具体参数如表 2-1 所示。跨接缆遭遇的工作海况条件为：波高 10 m，波浪周期为 12s，表面海流平均流速 0.7 m/s，海底流速为 0m/s，水深为 80m，风速为 0m/s。风浪流作用方向均为 0°（X 轴正方向）。
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2.2计算参数及工况
本文的浮岛总平面面积约 1 平方公里。根据本课题组的研究成果，浮岛由 126块模块组成，模块为钢材，模块尺寸为 120×60×6m，模块的钢壁厚度为 0.05m，单个模块的质量为 7563t。浮岛总体上近似为正八边形，水深 50m。浮岛平面布置图、模块模型图和浮岛主要参数分别如图 3-3、图 3-4 和表 3-1 所示。
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为保证遭受风浪流荷载作用的浮岛稳定与安全，浮岛的系泊系统必须能有效抵抗风、海流和波浪作用。本文利用 Orcaflex 软件计算浮岛在各种极端海况中受到的最大环境载荷，使用最大环境荷载初步设计浮岛系泊系统，然后对多种系泊布置方案开展研究，优选系泊方案。
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第 3 章 浮式人工岛系泊系统仿真模型 ···················· 17
3.1 计算参数及工况 ································· 18
3.2 不同极端情况下环境荷载 ······················· 20
第 4 章 浮岛不同系泊系统方案分析及优选 ····························· 25
4.1 第一种张紧式系泊布置方案 ·································· 26
4.2 第二种张紧式系泊布置方案 ························· 33
第 5 章 系泊方案推荐 ···························· 83
5.1 系泊方案总结 ······················· 83
5.2 极端海况下推荐系泊方案系泊系统的安全性 ···················· 86
第 5 章 系泊方案推荐
5.1 系泊方案总结
针对上述七种方案，分析了正常海况 0 度浪向（常浪向）、30 度浪向、60 度浪向下浮岛的运动响应以及系泊缆张力变化，分析了部分系泊缆断裂浮岛的运动响应以及系泊缆张力变化。总结如下：
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(1)浪向为 0°时, 系泊系统主要受力的系泊缆顶端张力统计值如表 5-1 所示，各方案浮岛纵荡位移响应如表 5-2 所示。
从上表可以看出，方案一到方案四系泊系统全是由张紧式系泊缆组成，方案五和方案七的由张紧式和悬链式系泊缆共同组成，其中方案一和方案三的安全系数最高，均为 3.90，方案一的总位移要小于方案三，在张紧式-悬链线式组合系泊系统方案中，方案七的安全系数为 2.61，满足规范的设计要求，在限制浮岛位移方面也取得较好效果，满足浮岛运动位移控制要求。
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第 6 章 结论与展望
6.1 主要研究工作总结
本文针对海上大型浮式人工岛的系泊系统，提出了七种布置方案。通过 Orcaflex软件进行了数值模拟方法的计算不同系泊布置方案与浮岛的运动位移响应以及每个系泊方案的动力特性，分析了不同系泊布置方案对浮岛的安全稳定性，并优化了系泊系统的布置方案，为浮岛的系泊系统的安全稳定性提供了技术支持。 本文的主要结论如下：
(1)通过对半潜式平台和导管架平台之间的电缆模型和单点系泊两组数值模型与Orcaflex 建立的数值模型进行对比，结果表明计算所得的结果与模型数据结论基本一致，验证了本文的数值建模方法和参数设置都很可靠。
(2)通过浮块尺寸确定了海上浮岛的边界条件，计算出了海上浮岛的主要参数比如：吃水深度、满载质量和空载质量。比较了三种极端海况下浮岛受到的环境荷载，结果表明在百年一遇波高、正常海流的极端工况条件下浮岛所受到的环境荷载最大。
(3)研究了作用于海上浮岛的系泊系统，对海上浮岛在七种不同系泊布置方式的系泊效果下进行了数值模拟。分析了在七种不同系泊方案的作用下，海上浮岛的运动响应以及系泊系统安全性，另外也分析了在最不利海况时系泊系统发生断裂后，系泊系统的运动和安全稳定性。结果表明，方案一和方案七在约束浮岛位移和系泊安全性方面优于其它几种方案，这两种方案在系泊缆发生断裂后仍然能维持较高的安全性和对浮岛运动位移约束。
(4)在极端海况下分析方案一和方案七两种系泊方案的安全稳定性，结果表明在极端工况下，方案一和方案七的系泊缆安全系数均大于 1.2，系泊系统安全稳定。
(5)本文推荐方案一和方案七为马尔代夫海上浮式人工岛的系泊系统解决方案。
参考文献（略）