海底电缆埋设深度的设计方法与流程

本发明涉及海底电缆铺设技术领域，特别涉及一种海底电缆埋设深度的设计方法。

背景技术：

海底电缆输电工程是跨海域联网工程建设的重要组成部分，在实现电网国际化、区域电网互联进程中起着重要作用。随着海底电缆线路数量的不断增加，海底电缆在近海区域由于船锚钩挂造成的故障越来越严重。据历史数据统计，人类活动造成90％以上的海底电缆故障，而其中三分之一是锚害。

现阶段，避免锚害的保护措施主要是对电缆进行深埋。但是，各国规范对电缆的埋深并没有作出明确规定。而且，由于船锚类型、重量、落水高度不同，以及海底环境的复杂性，导致海底电缆的埋设深度可能难以符合要求，海底电缆依然会遭受锚害的威胁。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能避免海底电缆遭受锚害的海底电缆埋设深度的设计方法。

一种海底电缆埋设深度的设计方法，包括步骤：

获取船锚参数、土体参数、水文参数及电缆极限承载力，所述船锚参数包括船锚质量、船锚体积、船锚密度、前端面积、形状参数及自由落体高度，所述水文参数包括海水密度、阻力系数及水深；

根据所述船锚参数、所述土体参数及所述水文参数，并采用太沙基极限承载力理论获得落锚深度；

根据所述船锚参数、所述土体参数及所述水文参数，并采用布辛奈斯克解获得土体应力公式，将所述电缆极限承载力代入所述土体应力公式，以获得最大应力深度；

根据所述形状参数获取拖锚深度；

根据所述落锚深度、所述最大应力深度及所述托锚深度确定埋设深度，所述埋设深度大于所述最大应力深度及所述托锚深度。

在其中一个实施例中，所述根据所述船锚参数、所述土体参数及所述水文参数，并采用太沙基极限承载力理论获得落锚深度的步骤包括：

采用太沙基极限承载力理论获得土体对船锚的作用力公式；

对所述作用力公式进行积分处理，以得到土体对船锚的做功公式；

根据所述船锚参数、水文参数以及动能公式获得船锚的最终能量；

根据能量守恒定律，将所述最终能量代入所述做功公式，以得到所述落锚深度。

在其中一个实施例中，根据所述船锚参数、所述土体参数及所述水文参数，并采用布辛奈斯克解获得土体应力公式的步骤为：

获得动力放大系数；

将所述动力放大系数代入布辛奈斯克解，以获得垂直方向的应力公式作为所述土体应力公式。

在其中一个实施例中，所述根据所述形状参数获取拖锚深度的步骤为：

确定所述拖锚深度h＝sin(α)×h，所述形状参数包括锚爪的最大张角α以及锚爪与锚冠长度之和h。

上述海底电缆埋设深度的设计方法，可获取落锚深度、托锚深度及最大应力深度。相同条件下，最大应力深度小于落锚深度，而托锚深度则可大于也可小于落锚深度。当托锚深度大于落锚深度时，由于埋设深度大于托锚深度，故埋设深度也必然大于落锚深度，此时托锚或落锚均不会对海底电缆造成损害。当托锚深度小于落锚深度时，即使埋设深度小于落锚深度，但由于埋设深度大于最大应力深度。因此，海底电缆因船锚冲击而受到的应力也将小于电缆极限承载力，海底电缆也不会被损坏。可见，通过上述海底电缆埋设深度的设计方法可有效地避免锚害。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中海底电缆埋设深度的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明较佳实施例中的海底电缆埋设深度的设计方法包括步骤s110至s150：

步骤s110，获取船锚参数、土体参数、水文参数及电缆极限承载力，船锚参数包括船锚质量、船锚体积、船锚密度、前端面积、形状参数及自由落体高度，水文参数包括海水密度、阻力系数及水深。

具体的，船锚参数根据船锚的类型，相互之间存在区别。例如，常见的有霍尔锚、大抓力锚。不同水域的土体参数及水文参数是存在区别的。水文参数可通过实时采样获得，而土体参数可通过查阅土体参数表获得。其中，土体参数包括粘聚力、内摩擦角、重度、泊松比等。

电缆极限承载力指的是待埋设的海底电缆所能承受的最大冲击力，该参数表示了海底电缆的机械强度。自由落体高度指的是船锚下锚时距离水面的高度，自由落地高度决定了船锚下落过程中与水面接触的最终速度。

步骤s120，根据所述船锚参数、土体参数及水文参数，并采用太沙基极限承载力理论获得落锚深度。

具体的，船锚抛下后在重力、海水阻力、浮力的作用下运动直至与土体(指海床)接触。接触后，船锚由于具有动能将进一步运动并最终在土体的作用下停止。此时，船锚插入土体的深度则为落锚深度。

当海底线缆的埋设深度大于落锚深度时，落锚过程中的船锚将不会与海底电缆接触，从而不会对海底线缆造成损害。

在本实施例中，上述步骤s120包括：采用太沙基极限承载力理论获得土体对船锚的作用力公式；对作用力公式进行积分处理，以得到土体对船锚的做功公式；根据船锚参数、水文参数以及动能公式获得船锚的最终能量；根据能量守恒定律，将最终能量代入做功公式，以得到落锚深度。

船锚的落锚深度采用了能量法进行计算，即认为船锚的能量完全被土体吸收，土体对船锚的作用力仅为土体的极限承载力。计算方法采用太沙基极限承载力公式，具体如下：

(1)pu＝c×nc+q×nq+0.5×d×γ×nγ

式中：nc、nq为无重土承载力系数、nγ为承载力系数，上述三个参数可根据土体参数查太沙基承载力因素表获得；d为基础宽度；c为土体的内摩擦角；γ为基底以下土的容重。

船锚与土体接触时，基础宽度d将随着船锚贯入深度z的增加而增加，故认为d与z之间具有线性关系，即d＝a×z，a为形状系数。基础长度l同样随着贯入深度z的增加而增加，即l＝β×z。边载q同样随着船锚落深z的增大而不断增大，两者之间的关系为q＝γ×z，γ为土体的容重。因此，土体对船锚的作用力公式为：

(2)fu＝(c×nc+z×γ×nq+0.5×α×z×γ×nγ)×α×β×z²

在船锚撞击土体时，会存在能量损耗，用经验系数a，b，d来表示能量损耗情况，对式(2)积分此时，得到土体对船锚所做的做功公式为：

(3)w＝0.125×aα²β×γ×nγ×z⁴+0.25×bαβ×γ×nγ×z⁴+0.33×dαβ×c×nc×z³

根据能量守恒定律可知，土体对船锚所做的功等于船锚在下落过程中的动能，即w＝ev。化简公式(3)中的参数可以得到船锚贯入深度的能量表达式：

(4)ev＝a×γ×nγ×z⁴+b×γ×nq×z⁴+c×c×nc×z³

式中：a为土重分项系数；b为边载分项系数；c为黏聚力分项系数；z为落锚深度。因此，得到船锚触底(接触土体瞬间)时的动能ev，便可反推出落锚深度z。

要获得动能ev，则需要先获得船锚触底时的最终速度。采用受力分析法，微分方程如下：

(5)

式中：m为船锚质量；wt为船锚浮重(浮力与重力的合力)；fd为海水对船锚的阻力。代入相关的船锚参数及水文参数，可以得到：

(6)

式中：u为船锚体积；ρs为船锚密度；ρw为海水密度；cd为阻力系数；af为船锚的前端面积；z0为船锚落入水中的深度；v为船锚落入水中深度为z0时的速度。求解上述微分方程(6)，则可得到船锚触底时的瞬时速度：

(7)

式中：g为重力加速度；h为船锚自由下落时处于海面以上的高度(即自由落体高度)。

海床的土体一般包括砂土及黏土两种土质。因此，需分两种情况进行分析：

1、根据土体参数表可知，砂土的内摩擦角为34°，黏聚力c为0，查询可得到nc＝52.8、nq＝36.6、nγ＝36。由于c为0，故可将式(4)简化为：

(8)ev＝a×γ×nγ×z⁴+b×γ×nq×z⁴

将数据带入简化的式(8)，并通过最小二乘法可以得到a＝8.3、b＝1.5。进一步的，可得出砂土中落锚能量的拟合公式为：

(9)ev＝8.3γ×nγ×z⁴+1.5γ×nq×z⁴

将式(7)代入动能的能量公式再结合式(9)，便可以反推出船锚的落锚深度。

2、根据土体参数表可知，黏土的内摩擦角为31.8°，黏聚力c为30.4kpa，查询可得nc＝44.4、nq＝28.7、nγ＝28。由砂土的拟合公式(9)可以得到a＝8.3、b＝1.5。因此，可以将式(4)简化为：

(10)ev＝8.3γ×nγ×z⁴+1.5γ×nq×z⁴+c×c×nc×z³

将数据带入式(10)，通过最小二乘法可以得到c＝1。因此，黏土中落锚能量的拟合公式为：

(11)ev＝8.3γ×nγ×z⁴+1.5γ×nq×z⁴+c×nc×z³

将式(7)代入动能的能量公式再结合式(9)，便可以反推出船锚的落锚深度。

步骤s130，根据船锚参数、土体参数及水文参数，并采用布辛奈斯克解获得土体应力公式，将电缆极限承载力代入土体应力公式，以获得最大应力深度。

具体的，船锚进入土体后，会在土体中产生应力。而且，随着船锚贯入土体深度的增大，应力逐步减小。采用布辛奈斯克解获得的土体应力公式体现出了在土体不同深度，由船锚冲击造成的应力大小。

最大应力深度，表示落锚过程中船锚在该深度处产生的应力刚好等于海底电缆的最大承受能力。当海底电缆的埋设深度大于该最大应力深度时，船锚在土体内的应力会小于电缆的最大承受能力，故船锚的冲击不会对海底电缆造成损害。条件不变时，最大应力深度小于落锚深度。

在本实施例中，采用布辛奈斯克解获得土体应力公式的步骤为：获得动力放大系数；将动力放大系数代入布辛奈斯克解，以获得垂直方向的应力公式作为土体应力公式。

由于落锚过程是动力过程，对土体的影响较静止的集中力更大，故计算过程中应对作用荷载乘以故放大系数。水平方向上附加应力的具体公式如下：

(12)

式中：σx为水平向附加应力；p为铅垂向作用荷载；z为受影响的点距作用点的垂直距离；x为受影响的点距作用点的水平距离；r为受影响的点距作用点的距离；μ为泊松比；a为动力放大系数。

结合试验数据及理论推导，动力放大系数a由地基中附加应力的计算方法进行计算，与船锚质量无关。而且，动力放大系数a随着落高的增加而不断增加。由试验结果拟合出动力放大系数的计算公式为：

(13)

结合地基中附加应力的计算方法—布辛奈斯克解，便可以得到落锚过程对土体中应力的影响程度。其中，对海底电缆影响程度最大的应力为垂直向应力σz，其计算公式为：

(14)

式(14)为垂直方向的应力公式，即上述土体应力公式。式中：σz为垂直向附加应力；σ电缆为海底电缆的极限承载力。由式(14)可以求得落锚过程对海底电缆上某一点的影响。当满足σz<σ电缆时，垂直距离z则可作为海底电缆的埋设深度。

步骤s140，根据形状参数获取拖锚深度。

具体的，船锚还有一种锚定方式是托锚。船锚深入海床的土体，并在船体的拖动下沿海床滑动。拖锚最大入土深度仅与船锚的尺寸相关，即船锚越大，入土深度越深。其中，上述托锚深度则为船锚深入海床土体的深度。

在本实施例中，上述步骤s140具体为：确定拖锚深度h＝sin(α)×h，形状参数包括船锚的锚爪的最大张角α以及锚爪与锚冠长度之和h。譬如，霍尔锚的α霍尔锚＝42°，ac-14型锚的αac-14型锚＝35°。

在试验过程中发现，锚杆杆端在拖锚过程中始终处于土面附近，故可以认为船锚的最大入土深度h仅与锚爪长度h和锚爪最大张角α有关。在此基础上，便推导出上述船锚的最大入土深度公式。

步骤s150，根据落锚深度、最大应力深度及托锚深度确定埋设深度，埋设深度大于最大应力深度及托锚深度。

具体的，海底电缆的埋设深度一定要大于托锚深度，否则托锚时则会将海底电缆托起。埋设深度大于落锚深度及托锚深度中较大的一个时，则即可防止落锚过程对海底电缆造成损害，又能避免托锚过程对海底电缆造成损害，从而有效地避免锚害。但是，由于托锚深度与落锚深度的大小关系不一定，故有可能存在以下三种情况：

1、最大应力深度<落锚深度<托锚深度。此时，海底线缆的埋设深度大于托锚深度即可；

2、托锚深度<最大应力深度<落锚深度。此时，海底线缆的埋设深度大于最大应力深度即可；

3、最大应力深度<托锚深度<落锚深度。此时，海底线缆的埋设深度大于托锚深度即可。

需要指出的是，上述步骤s120至s140之间的顺序可以相互调换，落锚深度、最大应力深度及托锚深度的获得顺序并不会影响上述海底电缆埋设深度的设计方法的结果。

上述海底电缆埋设深度的设计方法，可获取落锚深度、托锚深度及最大应力深度。相同条件下，最大应力深度小于落锚深度，而托锚深度则可大于也可小于落锚深度。当托锚深度大于落锚深度时，由于埋设深度大于托锚深度，故埋设深度也必然大于落锚深度，此时托锚或落锚均不会对海底电缆造成损害。当托锚深度小于落锚深度时，即使埋设深度小于落锚深度，但由于埋设深度大于最大应力深度。因此，海底电缆因船锚冲击而受到的应力也将小于电缆极限承载力，海底电缆也不会被损坏。可见，通过上述海底电缆埋设深度的设计方法可有效地避免锚害。

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。