水下电缆保护体的尺度设计方法与流程

本发明涉及电缆技术领域，特别是涉及一种水下电缆保护体的尺度设计方法。

背景技术：

随着水下电缆线路数量的不断增加，水下电缆在近海区域由于船锚钩挂造成的故障日益频繁。上世纪80年代初，美国能源部针对世界各地水域在1879～1980年间发生的1061起水下电缆事故进行了统计分析。结果表明：除去水下电缆自身的腐蚀磨损，渔船日常作业、放锚等活动所造成的损害占到了水下电缆事故的绝大部分。水下电缆受到的锚害形式主要有两种：第一种是以一定速度下落的船锚侵彻电缆上方的保护层，直接破坏电缆；第二种是船锚在拖锚时从侧面侵彻防护层并最终与电缆接触，从而将电缆拖断。

在水下电缆输电工程建设中，实施电缆后续抛石保护措施已在各国的水下电缆工程建设中得到了广泛应用。尤其是针对水下电缆在复杂水下地质条件下形成的悬空段，通过实施抛石填充所形成的石料堆积体，使水下电缆运行环境得到有效改善和稳固，避免了水下电缆在水流作用下，长期疲劳运动或与水体底床产生摩擦而造成电缆绝缘介质破坏。保护体尺度设计是水下电缆建设中的关键环节之一，抛石体尺度直接关系到水下电缆建设的工期、造价甚至成败。

目前水下电缆抛石体保护设计尚无统一的方法，专家根据各个工程水文地质因素的适应性依次分别选择，最后可能造成同一种工程地质因素有不同的抛石体尺度，这时就主要靠专家的个人经验选择，不同专家所考量的因素也不相同，主观因素较大，这种经验方法没有考虑各工程地质因素的关联性，造成结果不明确统一，不利于水下电缆保护体设计施工的规范和统一。

技术实现要素：

基于此，有必要针对海底电缆设计施工主要靠专家经验的问题，提供一种海底电缆保护体的尺度设计方法。

其技术方案如下：

一种水下电缆保护体的尺度设计方法，包括以下步骤：

(a)、根据水下地质特点和电缆位置，确定电缆施工位置及电缆施工位置的保护方案；

(b)、根据电缆施工位置的水下流速选取护底块石的最小稳定质量；

(c)、选定电缆施工位置经过的最大船舶的锚，建立锚爪与保护体之间受力的第一方程组，基于锚爪和护底块石的最小稳定质量计算锚爪的刺入深度；

(d)、设计在第一次拖锚已经破坏保护体表面的情况下，保证第二次拖锚电缆仍然安全的保护体，根据锚爪的刺入深度与保护体之间的位置关系建立关于保护体深度的第二方程、及关于保护体宽度的第三方程，并基于锚爪的刺入深度和护底块石的最大粒径计算保护体的深度h和宽度b，第二方程为：

h＝(hf/lf+h影/lf)lf+dmax，

第三方程为：

b＝[β″+h影/lf)lf+dmax]·2，

其中，hf/lf为第二次拖锚刺入深度系数，h影/lf为第一次拖锚对抛石保护层表面破坏系数，β″为第二次拖锚刺入宽度系数，dmax为护底块石的最大粒径；

(e)、根据锚爪的单位宽度水平作用力和底面抗滑力之间的关系建立不等式校核保护体的深度和宽度设计。

上述水下电缆保护体的尺度设计方法，首先根据水下地质特点和电缆位置确定电缆施工位置及电缆施工位置的保护方案，接着确定护底块石的最小稳定质量，通过第一方程组得出锚爪的刺入深度，根据第二方程和第三方程得出保护体的深度和宽度，完成保护体的尺度设计，最后对保护体的深度和宽度进行校核，该设计方法根据地质种类及锚的尺寸设计保护体的尺度，并根据保护方案施工使海底电缆保护体的尺度设计方案规范化标准化，避免靠经验设计而造成没有统一设计标准可能影响施工标准化的情况。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，步骤(a)中，保护方案的确定采用如下方式：

若水下地质种类为水下岩石地基，则采用明埋式保护方案；

若水下地质种类为淤泥质土地基，则采用暗埋式保护方案；

若水下地质种类为砂土或硬黏土，则采用混合式保护方案。

根据不同的地质类型，因地制宜的采用不同的保护方案，以确保保护体能够充分发挥对电缆的保护作用。

在其中一个实施例中，采用混合式保护方案时，先在砂土或硬黏土层采用暗埋式保护方案设置第一保护体，再在第一保护体上采用明埋式保护方案设置第二保护体。混合式保护方案针对砂土或硬黏土的地质类型，这种地质类型可能会使电缆在自重作用下陷入泥面以下一定深度，单独使用暗埋式保护方案，保护层厚度不足，故此时综合使用暗埋式保护方案和明埋式保护方案结合的混合式保护方案则更能够保障电缆在水下的安全。

在其中一个实施例中，步骤(b)中，水下流速为波浪底流速和水流底流速的叠加。给出水下流速的确定方式，综合考虑波浪和水流的情况以增加设计的准确性。

在其中一个实施中，保护体的位置的波浪底流速计算公式为：

其中，v为波浪底流速，h为计算波高，l为计算波长，d为堤前水深，g为重力加速度。在考虑计算波高、计算波长和堤前水深的基础上建立波浪底水流速数学模型，便于对波浪底流速的计算，提高尺度设计方法的标准性和统一性。

在其中一个实施例中，步骤(c)中，第一方程组包括水平力平衡方程和竖直力平衡方程，根据锚爪在保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平衡分别建立水平力平衡方程和竖直力平衡方程：

水平力平衡方程为：

竖直力平衡方程为：

其中：ta是拖锚拉力，fz为锚运动受到的摩擦阻力，ff1为锚爪受到的被动土压力，β为锚爪与水平面夹角，δ为外摩擦角，ff2为锚冠受到的被动土压力，为内摩擦角，wa为锚自重，n为锚受到的支持反力，且第一方程组还包括用于计算水平力平衡方程和竖直力平衡方程的第一附属方程、第二附属方程、第三附属方程和第四附属方程，第一附属方程为：

第二附属方程为：

ff1＝0.5kkp1γhf²(l1+bf)，

第三附属方程为：

ff2＝0.5kkp2γhg²lg，

第四附属方程为：

fz＝[n+0.5khf²/tanβ(l1+bf)*γ]*tanδ′，

其中，kp为库伦被动土压力系数，为堆石内摩擦角，α'为墙背与竖直线之间的倾角，δ'为墙背与填土之间的摩擦角，β'为填土面与水平面之间的倾角，k为被动土压力放大系数，kp1为锚爪被动土压力系数，kp2为锚冠被动土压力系数，kp1和kp2通过第一附属方程采用不同的α'计算得到，γ为堆石的重度，hf为锚爪的刺入深度，l1为锚爪间的距离，bf为锚爪宽度，lg为锚冠的长度，hg与hf之间存在几何相关性。根据锚爪在保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平衡分别建立水平力平衡方程和竖直力平衡方程，从而联立方程组解得锚爪的刺入深度。

在其中一个实施例中，计算得出锚爪的刺入深度后，还根据锚爪在保护体中的力矩平衡建立第四方程、以对锚爪刺入深度的计算正确性进行校核。通过第四方程对第一方程组的建模和锚爪刺入深度的计算准确性进行校核，确保设计方法的准确性。

在其中一个实施例中，在步骤(d)中，护底块石的粒径根据步骤(b)中确定的护底块石的最小稳定质量和密度计算得出。根据水下流速在步骤(b)中选定护底块石的最小稳定质量后，结合护底块石的密度，即可通过质量、密度与体积之间的关系计算得出护底块石的最大粒径。

在其中一个实施例中，步骤(e)中，根据锚的单位宽度水平作用力和锚的底面抗滑力之间的关系判断保护体的尺度设计是否满足要求。给出了校核保护体尺度设计方法准确性的校核方法，提高尺度设计的准确性和统一性。

在其中一个实施例中，判断保护体的尺度设计是否满足要求的方法是：

当采用明埋式保护方案时，采用第一判别式，第一判别式为：

f底抗滑≥kf锚，

当采用暗埋式保护方案时，采用第二判别式，第二判别式为：

f底抗滑+0.3ep≥kf锚，

当采用混合式保护方案时，采用第三判别式，第三判别式为

f底抗滑+0.3ep≥kf锚，

其中，f锚为锚的单位宽度水平作用力，f底抗滑为底面抗滑力。

通过对三种不同保护方案定义三种不同的校核判别式，以进一步提高设计方法的准确性和统一性。

附图说明

图1为水下电缆保护体的尺度设计方法的设计流程图；

图2为锚在堆石体中的稳定位置示意图；

图3为锚在堆石体中的受力示意图；

图4为明埋式抗滑稳定性的数学建模示意图；

图5为暗埋式抗滑稳定性的数学建模示意图；

图6为混合式抗滑稳定性的数学建模示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

本发明提供一种水下电缆保护体的尺度设计方法，包括以下步骤：

(a)、根据水下地质特点和电缆位置，确定电缆施工位置及电缆施工位置的保护方案；

(b)、根据电缆施工位置的水下流速选取护底块石的最小稳定质量；

(c)、选定电缆施工位置经过的最大船舶的锚，建立锚爪与保护体之间受力的第一方程组，基于锚爪和护底块石的最小稳定质量计算锚爪的刺入深度；

(d)、设计在第一次拖锚已经破坏保护体表面的情况下，保证第二次拖锚电缆仍然安全的保护体，根据锚爪的刺入深度与保护体之间的位置关系建立关于保护体深度的第二方程、及关于保护体宽度的第三方程，并基于锚爪的刺入深度和护底块石的最大粒径计算保护体的深度h和宽度b，第二方程为：

h＝(hf/lf+h影/lf)lf+dmax，

第三方程为：

b＝[(β″+h影/lf)lf+dmax]·2，

其中，hf/lf为第二次拖锚刺入深度系数，h影/lf为第一次拖锚对抛石保护层表面破坏系数，β″为第二次拖锚刺入宽度系数，dmax为护底块石的最大粒径；

(e)、根据锚爪的单位宽度水平作用力和底面抗滑力之间的关系建立不等式校核保护体的深度和宽度设计。

首先根据水下地质特点和电缆位置确定电缆施工位置及电缆施工位置的保护方案，接着确定护底块石的最小稳定质量，通过第一方程组得出锚爪的刺入深度，根据第二方程和第三方程得出保护体的深度和宽度，完成保护体的尺度设计，最后对保护体的深度和宽度进行校核，该设计方法根据地质种类及锚的尺寸设计保护体的尺度，并根据保护方案施工使海底电缆保护体的尺度设计方案规范化标准化，避免靠经验设计而造成没有统一设计标准可能影响施工标准化的情况。

该水下电缆保护体的尺度设计方法尤其优选的应用于海底电缆的抛石保护体设计，此时保护体为抛石保护体，抛石保护体也称堆石体或堆石保护体，抛石保护体包括堆砌在一起的若干护底块石，抛石粒径也即护底块石的粒径，首先依据海底基质类型、船锚的类型，海底流速得出抛石保护体尺寸、抛石粒径主要设计参数，提供海底电缆保护的最优方案。克服了目前国内海底电缆抛石保护体无相关计算的依据，单纯依靠专家的个人经验进行设计的缺点，避免了专家经验的主观性，提高了海底输电线路的安全性、可靠性，该设计方法结果明确统一。

可选的，还可利用程序语言编制计算程序，进行电缆保护体设计时，输入相关计算参数，直接输出设计参数结果，具有易操作、输入输出简单明了的优点，且大大减少了设计人员的工作量，提高工作效率。

可选的，步骤(a)中，水下地质特点根据地质报告确定水下的地基土类型，如根据海底地质报告判断海底地基土类型。

可选的，步骤(b)中，电缆施工位置也即保护体的位置，根据电缆施工位置的水下流速选取护底块石的最小稳定质量的选取基于如下表1进行，表1为：

表1护底块石的稳定重量

可选的，步骤(c)中，最大船舶的锚的参数指设计时根据海域调研及海事局收集资料，收到的可能经过的最大船舶的锚。

可选的，步骤(d)中，船锚两次落在同一位置，并沿同一轨迹拖动的概率较低。设计在第一次拖锚已经破坏抛石保护层表面的情况下，保证第二次拖锚电缆仍然安全的抛石保护方案。第二方程和第三方程建立的是堆石体深度h和宽度b关于锚爪长度lf的关系式，式中，取β″＝cos42°＝0.75，根据步骤(c)确定hf/lf，h影/lf为固定常数。

可选的，步骤(a)中，电缆施工位置的保护方案的确定采用如下方式：

若水下地质种类为水下岩石地基，则采用明埋式保护方案；

若水下地质种类为淤泥质土地基，则采用暗埋式保护方案；

若水下地质种类为砂土或硬黏土，则采用混合式保护方案。

根据不同的地质类型，因地制宜的采用不同的保护方案，以确保保护体能够充分发挥对电缆的保护作用。

可选的，采用混合式保护方案时，先在砂土或硬黏土层采用暗埋式保护方案设置第一保护体，再在第一保护体上采用明埋式保护方案设置第二保护体。混合式保护方案针对砂土或硬黏土的地质类型，这种地质类型可能会使电缆在自重作用下陷入泥面以下一定深度，单独使用暗埋式保护方案，保护层厚度不足，故此时综合使用暗埋式保护方案和明埋式保护方案结合的混合式保护方案则更能够保障电缆在水下的安全。

可选的，步骤(b)中，水下流速为波浪底流速和水流底流速的叠加。给出水下流速的确定方式，综合考虑波浪和水流的情况以增加设计的准确性。

在应用于海底电缆的抛石保护体设计时，水下流速即指海底流速，水流底流速即指海流底流速，也即：波浪底流速和海流底流速跟护底块石的稳定重量的确定相关联。沿海大部分海域的最大流速满足小于2.0m/s的条件，因此取流速2.0m/s作为海流底流速设计条件，海底流速为波浪底流速和海流底流的叠加，根据叠加后的结果在表1中选择合适的稳定重量，假设护底块石是密度为2650kg/m^{^3}的理想球体，即可算出护底块石的粒径。

可选的，保护体位置的波浪底流速计算公式为：

其中，v为波浪底流速，h为计算波高，l为计算波长，d为堤前水深，g为重力加速度。在考虑计算波高、计算波长和堤前水深的基础上建立波浪底水流速数学模型，便于对波浪底流速的计算，提高尺度设计方法的标准性和统一性。

如图2和图3所示，在海底电缆的抛石保护体设计时，步骤(c)中，第一方程组包括水平力平衡方程和竖直力平衡方程，根据锚爪在保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平衡分别建立水平力平衡方程和竖直力平衡方程：

水平力平衡方程为：

竖直力平衡方程为：

其中：ta是拖锚拉力，fz为锚运动受到的摩擦阻力，ff1为锚爪受到的被动土压力，β为锚爪与水平面夹角，δ为外摩擦角，ff2为锚冠受到的被动土压力，为内摩擦角，wa为锚自重，n为锚受到的支持反力，且第一方程组还包括用于计算水平力平衡方程和竖直力平衡方程的第一附属方程、第二附属方程、第三附属方程和第四附属方程，第一附属方程为：

第二附属方程为：

ff1＝0.5kkp1γhf²(l1+bf)，

第三附属方程为：

ff2＝0.5kkp2γhg²lg，

第四附属方程为：

fz＝[n+0.5khf²/tanβ(l1+bf)*γ]*tanδ′，

其中，kp为库伦被动土压力系数，为堆石内摩擦角，α'为墙背与竖直线之间的倾角，δ'为墙背与填土之间的摩擦角，β'为填土面与水平面之间的倾角，k为被动土压力放大系数，kp1为锚爪被动土压力系数，kp2为锚冠被动土压力系数，kp1和kp2通过第一附属方程采用不同的α'计算得到，γ为堆石的重度，hf为锚爪的刺入深度，l1为锚爪间的距离，bf为锚爪宽度，lg为锚冠的长度，hg与hf之间存在几何相关性。根据锚爪在保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平衡分别建立水平力平衡方程和竖直力平衡方程，从而联立方程组解得锚爪的刺入深度。

抓重比是拖锚拉力ta与锚自重wa比值,抓重比为固定常数，ta是拖锚拉力，为固定常数，是内摩擦角，为固定常量，δ是外摩擦角，为固定常量，α是锚爪与锚杆夹角，β是锚爪与水平面夹角，ω是锚杆与水平面夹角，k是被动土压力放大系数，为常量，α'、δ'和β'均为固定常量，在选定护底块石的最小稳定质量后，γ为常量，选定锚重量后，α、β、ω、lg、l1、bf均为常量。

可选的，计算得出锚爪的刺入深度后，还根据锚爪在保护体中的力矩平衡建立第四方程、以对锚爪刺入深度的计算正确性进行校核。通过第四方程对第一方程组的建模和锚爪刺入深度的计算准确性进行校核，确保设计方法的准确性。第四方程为对锚爪末端取矩建模得到，第四方程为：

其中，lf为锚爪长度，hg与hf之间呈几何相关性，其几何相关性为：

若步骤(d)中所计算得出的hf不满足第四方程的等式，说明计算资料有误，需要重新检查是否哪里有错误，以确保设计的准确性和结果一致性。

可选的，在步骤(d)中，护底块石的最大粒径根据步骤(b)中确定的护底块石的最小稳定质量和密度计算得出。根据水下流速在步骤(b)中选定护底块石的最小稳定质量后，结合护底块石的密度，即可通过质量、密度与体积之间的关系计算得出护底块石的最大粒径。

如图4至图6，步骤(e)中，根据锚的单位宽度水平作用力和锚的底面抗滑力之间的关系判断保护体的尺度设计是否满足要求。给出了校核保护体尺度设计方法准确性的校核方法，提高尺度设计的准确性和统一性。

如图4至图6，判断保护体的尺度设计是否满足要求的方法是：

当采用明埋式保护方案时，采用第一判别式，第一判别式为：

f底抗滑≥kf锚，

当采用暗埋式保护方案时，采用第二判别式，第二判别式为：

f底抗滑+0.3ep≥kf锚，

当采用混合式保护方案时，采用第三判别式，第三判别式为

f底抗滑+0.3ep≥kf锚，

其中，f锚为锚的单位宽度水平作用力，f底抗滑为底面抗滑力。

通过对三种不同保护方案定义三种不同的校核判别式，以进一步提高设计方法的准确性和统一性。

在步骤(d)中，当采用不同保护方案时，锚的单位宽度水平作用力和底面抗滑力的计算采用不同的计算式：

当采用明埋式保护方案时，明埋式校核方程式包括：

其中，v1为不起抗滑作用的单宽堆石体积，v2为起抗滑作用的有效单宽堆石体积，f锚为锚的单位宽度水平作用力，f底抗滑为底面抗滑力，γ′为堆石浮容重，取10kn/m³，c为粘聚力，为内摩擦角，f拖为锚的总水平作用力，lg为锚冠长度，k为安全系数，建议k取1.2。

当采用暗埋式保护方案时，暗埋式校核方程式包括：

其中，kp为被动土压力系数，ep0为顶面被动土压力强度，ep1为底面被动土压力强度，ep为被动土压力合力。

当采用混合式保护方案时，混合式校核方程式包括：

f底抗滑+0.3ep≥kf锚

其中：

v1和v2根据步骤(d)得出b、h结果后计算得到；

f锚为锚的单位宽度水平作用力，为已知值；

f底抗滑为底面抗滑力，为摩擦力和粘聚力之和，根据公式计算得到；

γ′为堆石浮容重，取10kn/m³；

c为粘聚力，为内摩擦角，均为固定常数；

f拖为锚的总水平作用力；

lg为锚冠长度，根据锚重确定的常数；

k为安全系数，建议k取1.2，为固定常数；

m为保护体/堆石体的两侧坡度，n为混合式保护方案中暗埋保护方案实施部分的两侧坡率。

该水下电缆保护体的尺度设计方法应用于海底电缆的抛石体保护设计，基于工程地质、水文、锚型及锚重因素关联性进行抛石保护体的尺度设计，克服了现有设计中抛石保护体尺度设计受专家主观因素或个人偏好影响较大，进而造成选型设计结果不明确不统一的缺陷，该水下电缆保护体的尺度设计方法使得选型和设计结果明确、客观和统一，且操作简单、快捷。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。