琼州海峡电缆保护抛石偏移量的试验研究

刘晓青，纪君娜，刘 臻

（1.中交烟台环保疏浚有限公司，烟台 264000；2.山东省胶东调水工程棘洪滩水库管理处，青岛 266111；3.中国海洋大学工程学院，青岛 266100）

琼州海峡电缆保护抛石偏移量的试验研究

刘晓青1，纪君娜2，3，刘 臻3

（1.中交烟台环保疏浚有限公司，烟台 264000；2.山东省胶东调水工程棘洪滩水库管理处，青岛 266111；3.中国海洋大学工程学院，青岛 266100）

为保护琼州海峡海底电缆免受破坏，拟对海底电缆采用抛石保护法。由于海域存在潮流等动力因素，块石沉降过程会发生偏移。文章以通过垂直深入水下的管道完成散抛的块石偏移量为研究内容，根据自然资料、设计资料和重力相似准则进行物理模型试验，通过试验考察了块石偏移量与块石种类、块石尺寸、水平流速和漏斗底高度之间的关系，分析了块石种类、尺寸、流速和漏斗底高度对偏移量的影响。

海底电缆；散抛块石；水工试验；偏移量；琼州海峡

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。但由于船舶抛锚、渔船拖网及海流作用下海底电缆的疲劳运动和磨损等原因，海底电缆经常遭受破坏。海底电缆一旦损坏，维修困难，费用高昂，造成的影响和损失巨大，因此必须对海底电缆实施保护措施。常用的保护措施包括埋深、冲埋、套管和抛石等。琼州海峡500 KV海底电缆是我国第一条超高压、长距离、跨海峡的海底电缆线路［1-2］。海底电缆保护方案确定为全程掩埋，埋深1.5～2.0 m，由于海床地质原因，部分地段海床地质基本为硬土，间有少量岩石，该地段海底电缆埋深未达设计要求，而且部分海底电缆存在悬空段，拟对该部分电缆采用抛石保护法。抛石由挪威Nexans公司专业抛石船可下探至100 m水深的管道完成，该管道端部由ROV控制，可实现自动控制精细抛石。工程海域水深范围40～100 m，抛石管道管口距海底位置由施工工艺确定。由于抛石工程所在海域存在潮流、余流等动力因素，散抛块石在沉降过程中会产生偏移，对抛石工程的质量和可靠性产生较大的影响。为保证抛石工程的精确性，对琼州海峡海底电缆散抛块石偏移量进行物理模型试验，获得偏移量结果并分析偏移量影响因素，为抛石施工提供参考。

1 物理模型试验

1.1 试验设备

本次试验在中国海洋大学工程学院山东省海洋工程重点实验室水动力学试验室的波流水槽进行。该水槽长30 m，宽0.6 m，高1 m，采用轴流式及离心式水泵造流，可对水槽内流量进行精细操作，最大造流能力可达0.2 m3/s，可满足试验要求。试验采用旋浆式流速仪率定、测量流速，以SG2000型多功能数据采集及处理系统平台进行数据采集，试验设备如图1～4所示。

1.2 试验设计

1.2.1 相似准则及模型比尺

在流体力学中，有自由水面并且允许水面上下自由变动的各种流动均为重力起主要作用的流动。因此，海流主要受重力作用，本模型比尺按照重力相似准则进行设计［3］。根据国家海洋局南海海洋调查技术中心资料，实测表层最大潮流流速达到1.83 m/s，底层流速最大为1.40 m/s，潮流为东西向；余流表层最大流速0.39 m/s，最大底层流速为0.24 m/s，余流基本为东西向。根据挪威公司抛石船工作条件为近底海流不宜大于1.0 m/s，因此原型近底最大水流流速考虑为1.0 m/s。综合考虑潮流、余流等环境动力因素、散抛块石尺寸、试验仪器精度、水槽等试验设备条件，确定物理模型长度比尺为25，速度比尺为5，时间比尺为5。

图1 离心式造流泵Fig.1 Centrifugal flow pump

图2 波流水槽Fig.2 Wave current tank

图3 旋桨式流速仪Fig.3 Propeller type current meter

图4 SG2000智能数据采集系统Fig.4 SG2000 intelligent data collection system

1.2.2 试验内容

实际工程中，散抛块石经专业抛石施工船输送带输送至料斗口，通过已安装的抛石导管进行精确抛石［4］，物理模型试验根据Nexans抛石船施工工艺与管道特征，设计了漏斗状块石抛填工具（如图5所示）对块石进行抛填。漏斗底部距底面的距离为漏斗底高度H，漏斗底高度H按照长度比尺，由实际工程中抛石管道管口距底面高程确定，抛石工具放置示意图如图6所示。在典型水深条件下，根据实际施工工艺确定物理模型试验采用模型数据如下：每次抛石重量均为250 g，漏斗管底高度H分别为8 cm（原型2 m）、20 cm（原型5 m），一次抛石时间约为30～40 s。抛石收纳工具（如图7所示）与水槽断面同宽（60 cm），长度为40 cm，共10格，每格4 cm，原型宽度为1 m。通过计量抛石收纳工具各格内的块石干重量，即可获得不同粒径在不同起抛高度和施工流速条件下的偏移量，块石在抛石收纳工具内分布效果如图8所示。

图5 抛石工具Fig.5 Riprap tool

图6 抛石工具放置示意图Fig.6 Sketch of riprap tool

为探究块石种类（块石比重）、尺寸、起抛高度及流速对偏移量的影响，采用不同尺寸1"～2"、2"～ 3"、3"～4"、4"～6"、6"～8"、混合料（原型）的火山岩和玄武岩块石，在不同漏斗底高度2.0 m、5.0 m（原型）和流速0.5 m/s、1.0 m/s（原型）条件下进行试验，测得偏移量。为消除抛石形状不规则性造成块石下沉过程中造成的偏移对试验结果的干扰，每组工况均在流速为0（即静水）情况下进行抛石试验，获得块石分布情况，作为试验的比对基础。试验工况如表1所示。

施工船具备2个石料仓，共装载石料4 t［5］，因此根据模型比尺确定试验各工况在试验中一次投放散抛块石的重量为250 g（模型值）。混合料中2"～4"、4"～6"、6"～8"尺寸的块石级配比例分别为2∶1∶1。每组工况进行三次重复性试验，减小试验误差，充分反映规律。

2 试验结果及分析

试验中通过观察散抛块石在抛石收纳工具上的分布情况发现块石均向水流下游方向偏移，而静水对比试验中块石主要集中在管口正下方，上下游均有少量块石分布，且数量相近。对试验结果进行测量统计，得到块石的偏移量（规定块石向下游偏移偏移量为正，反之为负）。

各尺寸火山岩（含混合料）在2.0 m漏斗底高度与0.5 m/s流速条件下0 m、1 m 和2 m偏移量百分比图如图9所示。由图可知，随着块石尺寸增加，偏移量为0 m百分比逐渐增加，偏移量为1 m和2 m的百分比逐渐减小。火山岩块石整体偏移量随着块石尺寸的增加而减小，当块石尺寸超过6"后，块石偏移量2 m的情况消失，块石落点范围更加集中。混合料偏移量较6"～8"尺寸块石略有增加，分析原因为混合料中小尺寸块石偏移量较大原因造成。

图7 抛石收纳工具Fig.7 Riprap containing tool

图8 抛石收纳工具内块石分布图Fig.8 Distribution of rock in riprap containing tool

各尺寸玄武岩（含混合料）在2.0 m漏斗底高度与0.5 m/s流速条件下0 m、1 m和2 m偏移量百分比图如图10所示。各尺寸玄武岩块石（含混合料）在各偏移量百分比基本持平，整体偏移量基本相同，偏移量受块石尺寸影响较小。

对比分析图9和图10发现，1"～6"内相同尺寸的玄武岩块石整体偏移量远远小于火山岩，但6"～8"尺寸玄武岩块石偏移量远大于火山岩，两类块石混合料偏移量基本相同。

在漏斗底高度为2.0 m条件下，1"～2"、2"～3"、3"～4"火山岩块石在0.5 m/s和1.0 m/s流速下偏移量百分比如图11、图12、图13所示。0.5 m/s流速下块石偏移量主要集中在0 m和1 m，偏移量为1 m的块石百分比最大，极限偏移量不超过2 m；1.0 m/s流速下块石偏移量至少为1 m，偏移量主要集中在1 m、2 m和3 m，块石极限偏移量较大，1"～2"块石可达8 m，2"～3"块石可达6 m。块石偏移量随着水平流速增加而增加，水平流速对块石偏移量影响较大。

在1.0 m/s流速条件下，1"～2"、2"～3"、3"～4"火山岩块石在2.0 m和5.0 m漏斗底高度偏移量百分比如图14、图15、图16所示。漏斗底高度为2.0 m时，块石偏移量主要集中在1～4 m，1"～2"块石极限偏移量不超过8 m；漏斗底高度为5.0 m时，块石偏移量主要集中在3～7 m，1"～2"块石极限偏移量达到10 m。块石偏移量随着漏斗底高度增加而增加，漏斗底高度对块石偏移量影响较大。

表1 散抛块石偏移量试验工况一览表Tab.1 Experiment conditions

图9 各尺寸火山岩块石偏移量百分比图（0.5 m/s，H=2 m）Fig.9 Comparison of offset of volcanic rock for each size

图10 各尺寸玄武岩块石偏移量百分比图（0.5 m/s，H=2 m）Fig.10 Comparison of offset of basalt rock for each size

图11 1"～2"火山岩块石不同流速下偏移量百分比图（H=2 m）Fig.11 Comparison of offset of 1"～2"volcanic rock under different velocities

图12 2"～3"火山岩块石不同流速下偏移量百分比图（H=2 m）Fig.12 Comparison of offset of 2"～3"volcanic rock under different velocities

图13 3"～4"火山岩块石不同流速下偏移量百分比图（H=2 m）Fig.13 Comparison of offset of 3"～4"volcanic rock under different velocities

图14 1"～2"火山岩块石不同漏斗底高度偏移量百分比图（1.0 m/s）Fig.14 Comparison of offset of 1"～2"volcanic rock under different values of H

图15 2"～3"火山岩块石不同漏斗底高度偏移量百分比图（1.0 m/s）Fig.15 Comparison of offset of 2"～3"volcanic rock under different values of H

图16 3"～4"火山岩块石不同漏斗底高度偏移量百分比图（1.0 m/s）Fig.16 Comparison of offset of 3"～4"volcanic rock under different values of H

3 结论

根据上述试验结果分析，综合考虑施工工艺和内外层散抛块石尺寸的选择［6］，可得出如下结论：

（1）在施工条件允许的情况下选择水流流速较小的时候进行施工，并尽可能降低漏斗底高度，降低块石的起抛高度，减小散抛块石偏移量，保证抛石工程的精确与可靠性。

（2）在内层抛石尺寸为1"～2"，外层抛石2"～8"情况下，内层抛石选择偏移量相对较小的玄武岩块石，外层抛石可选择2"～6"玄武岩块石和6"～8"火山岩块石分别进行抛投；

（3）根据试验结果布置抛石船抛石管道的平面位置。内层抛石选取1"～2"玄武岩块石，在H=2 m、流速为0.5 m/s条件下，块石偏移量主要集中在1～2 m，抛石管道可布置于海底电缆上游水平距离1 m处；外层抛石选取6"～8"火山岩块石，在H=2 m、流速为0.5 m/s条件下，块石偏移量主要集中在0～1 m，则抛石管道可布置于海底电缆上游0～1 m处。施工过程中应根据实测流速及块石种类、尺寸、漏斗底高度等结合本试验成果和施工观测情况确定抛石管道管口位置。

［1］王裕霜.国内外海底电缆输电工程综述［J］.南方电网技术，2012，6（2）：26-30. WANG Y S.Review on Submarine Cable Projects for Power Transmission Worldwide［J］.Southern Power System Technology，2012，6（2）：26-30.

［2］张正祥.海底电缆抛石堤坝洋流稳定性的试验研究［J］.电力勘测设计，2015，2（1）：49-54. ZHANG Z X.Experimental Research on Stability of Jackstone Dam Under Current Action for Protecting Submarine Cable［J］.Electric Power Survey and Design，2015，2（1）：49-54.

［3］李玉柱.工程流体力学［M］.北京：清华大学出版社，2006：249-255.

［4］王裕霜.500KV海底电缆后续抛石保护工程建设［J］.施工技术，2012，33（8）：116-118. WANG Y S.Follow-up Engineering Construction of Riprap Protection for 500 KV Submarine Cable［J］.Construction Technology，2012，33（8）：116-118.

［5］Tideway.Rock placement operations for BP-skarv project［R］.Netherlands：Tideway，2008.

［6］刘臻，史宏达，王爱群，等.琼州海峡海底电缆工程抛石稳定性研究报告［R］.青岛：中国海洋大学，2011.

Experimental study on offset of rockfill for Qiongzhou Strait cable protection

LIU Xiao⁃qing1,JI Jun⁃na2,3,LIU Zhen3
（1.CCCC.TDC Yantai Enviromental Protection Dredging Co.,LTD.,Yantai 264000,China;2.Jihongtan Reservoir Management Section of Management Bureau of Water Diversion from the Yellow River into Qingdao of Shandong Province,Qingdao 266111,China;3.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China）

In order to protect submarine cable deployed in Qiongzhou Strait from potential damages,the rockfill cover was proposed as the main defending solutions.The rockfill dumped from the rising tube would have a side offset because of horizontal pushing effects from water flow.Based on the gravity similarity criterion and local environmental hydrodynamic conditions,the hydraulic model tests on offset of rockfill were carried out.Effects of rock types,rock sizes,current velocities and heights of the funnel were investigated.

submarine cable;dumped rockfill;hydraulic test;offset;Qiongzhou Strait

TV 131.6

A

：1005-8443（2016）01-0007-05

2015-05-25；

：2015-07-28

山东省自然科学基金项目（JQ201314）

刘晓青(1980-)，男，山东威海荣成人，工程师，主要从事港口与疏浚工程工作。

Biography：LIU Xiao-qing（1980-），male，engineer.