海上风电钢管桩桩身开孔位置对海底电缆受力特性的影响研究

陈大江，李超杰，周国兴，库 猛

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

随着石油、煤炭等资源的日益紧张，海洋资源的开发成为世界各国资源投资的风向标[1-2]。我国的风电事业正处于飞速增长的黄金时期，其中江苏省海上风电累计装机容量占全国海上风电累计装机容量的71.5%，装机规模连续多年领跑全国[3]。海底电缆作为风力发电的关键设备，承担着电力输送的重要功能。传统的单桩基础连接海底电缆的方式采用外套笼方案，但是随着海上风电向大单机容量、大水深、离岸距离远的趋势发展，单桩基础直径越来越大，海水深度也随之增加[4-5]，外套笼方案适用性变差，造成外套笼整体高度过大，不仅造价成倍增加而且施工周期更长[6-7]。当前，海上风电工程常常采用桩身开孔的方式引入海底电缆进入塔筒内，将缆线与风力发电设备连接，降低了施工成本，保护了缆线材料，也简化了缆线的装配部件。该方法于国家电力投资公司的滨海H2号海上风电场项目初次使用，目前已在全国风电场推广。该方法将海底电缆一端放置于海床土体，另一端则装配于桩身之上，使缆线产生一个悬跨段。桩身开孔位置影响海底电缆悬跨段的长度，进而影响海底电缆的应力分布。因此，分析桩身开孔位置对海底电缆应力的影响，具有重要的理论价值和工程意义[8-9]。

本文以启东H1号某海上风电单桩基础为研究对象，建立海底电缆-桩身-海床土体的ABAQUS数值模型，开展桩身开孔位置对海底电缆受力特性的分析研究，以期为海上风电后期桩身开孔设计及海底电缆保护设计提供参考。

1 工程概况

江苏启东H1号某海上风电场工程位于江苏启东近海海域，地理位置见图1。该风电场总装机容量为250 MW，场区呈矩形，规划场区面积约40 km2，场区中心离岸距离约32 km，规划装机容量250 MW。场区内海底地形变化较为平缓，地基土表层以粉砂为主，水深在6～13 m 之间。风电场所发电能由8回35 kV海底电缆汇流至海上升压站，经2台220/35 kV变压器(140 MVA)升压后由1回220 kV海底电缆接入陆上集控中心后转架空线路送出。

图1 风电场地理位置示意

2 海底电缆-桩身-海床土体有限元数值模型

2.1 海底电缆穿孔桩身模型介绍

桩身开孔布置在泥面以上2～3 m，便于缆线海上穿缆施工，通过开孔处缆线保护装置及基础内平台设置锚固装置进行缆线的固定[10-11]。海底电缆一端放置于海床土体，另一端则装配于桩身之上，这就造成了桩身周围的缆线产生一个悬跨段。桩身开孔引入海底电缆进入塔筒内的连接方式见图2。

图2 桩身开孔示意

2.2 海底电缆-桩身-海床土体ABAQUS数值模型

采用有限元软件ABAQUS，建立海底电缆-桩身-海床土体的数值模型，包括海床土体、海底电缆以及桩身。为减少计算时间，便于建模，将桩身与缆线接触的部分简化为长条形。建立的数值模型见图3。首先，通过对初始模型赋予重力进行计算得到地应力，导入相应的地应力作为该模型初始应力场，再反复计算直至模型整体竖向沉降小于10-3m，由此得到该模型在地应力平衡下的初始状态。随后，给桩身赋予1个向上的位移，模拟自然条件下缆线穿孔桩身时的受力。通过控制桩身的位置设置开孔的高度，研究桩身开孔位置对海底电缆受力的影响。

图3 数值模型

模型中，海底电缆外径D为252 mm，模拟为弹塑性材料，忽略缆线的内部结构，假定缆线内部均匀，材料连续。本文集中研究海底电缆的受力特征，因此桩身以及海床土体模拟为简单的理想弹性材料。海底电缆、海床土体以及桩身的参数见表1。

表1 模型力学参数

3 海底电缆受力分析与讨论

3.1 桩身开孔海缆受力分析

图4为桩身模型开孔高度2 m时，海底电缆的应力云图。从图4可知，海底电缆有2个应力集中位置，分别为图中所标注的A和B点。该模型左侧缆线放置于海床土体之上，右侧缆线穿过桩身开孔位置。图5为桩身开孔高度为2 m时，海底电缆的应力分布。从图5可以看出，置于海床上的缆线部分受力较小，而在缆线悬跨处(A点)和缆线穿孔处(B点)出现较大的缆线受力情况。缆线穿孔高度为2 m时，A点应力为2.32 MPa，B点应力为6.29 MPa。因此，在桩身开孔进行海底电缆的受力分析时，应着重对以上2处进行分析，并对该处缆线材料加强保护，避免局部受力过大而损伤缆线。

图4 桩身开孔高度2 m时海底电缆应力云图

图5 桩身开孔高度2 m时海底电缆应力分布

3.2 桩身开孔位置对海底电缆受力影响分析

在海底电缆铺设以及穿孔桩身的过程中，由于海洋环境的复杂性，桩身开孔位置要根据不同海底地形条件进行调整，有必要研究桩身不同开孔位置对缆线受力的影响。图6分别为桩身开孔高度为2.5、3 m和3.5 m时海底电缆的应力分布云图。从图6可知，不同开孔高度下，海底电缆的应力集中位置都在悬跨段和缆线穿孔处，这2处的应力值随着开孔高度的增加而增大。

图6 桩身不同开孔高度下海底电缆的应力分布云图

针对不同桩身开孔高度下海底电缆的应力分析结果，分别选取缆线悬跨处(A点)和缆线穿孔处(B点)2个应力较大的位置进行整体的分析，研究桩身的开孔高度对于缆线局部受力较大的特征点的影响。图7为开孔高度为2.0、2.5、3.0和3.5 m的情况下，海底电缆2个较为危险的局部应力变化规律。

图7 海底电缆局部应力与桩身开孔高度的关系

从图7可以看出，无论是A或B点，在开孔高度增大的情况下，这2个点的局部应力都有所增加。桩身开孔高度一般在距海底泥面2～3 m的范围之间，而在本文工况下，当开孔高度从2 m上升到3.5 m时，A点的应力从2.32 MPa增大到4.23 MPa，增大了82.3%，B点的应力从6.29 MPa增大到10.1 MPa，增大了60.6%。由此可见，对于缆线中较为危险的2个局部应力点，桩身开孔高度对于A点的影响更为显著。此外，B点作为缆线穿孔桩身的位置，在缆线铺设过程中会加以保护，图2中缆线穿孔位置的套管就是一种保护。因此，相对于缆线穿孔处的B点，在进行海底电缆铺设的力学研究或在海底电缆铺设作业的施工时，应对缆线前部悬跨段的危险点加以重视。

4 结 语

本文以江苏启东H1号某海上风电单桩基础为研究对象，采用ABAQUS数值模拟方法，建立了海底电缆-桩身-海床土体的数值模型，分析了桩身开孔位置对海底电缆应力分布的影响规律，得到以下结论：

(1)采用桩身开孔引入海底电缆到桩身内部的方法，缆线有2个局部应力较大点，分别是前部的缆线悬跨处A点和后部的桩身开孔处B点。

(2)桩身开孔高度越高，A和B点的应力越大。当开孔高度从2 m上升到3.5 m时，A点的应力从2.32 MPa上升到4.23 MPa，增大了82.3%，B点的应力从6.29 MPa上升到10.1 MPa，增大了60.6%，桩身开孔的高度对缆线受力的影响显著。

(3)相对于桩身开孔处的B点，虽然缆线悬跨处A点的应力较小，但是A点受桩身开孔高度的影响程度要大于B点。在施工作业中，应对A点的受力情况加以重视，采取必要的保护措施，以免海底电缆受到损伤。