海底电缆抛石坝去保护技术研究

郭强，黄小卫，蒋道宇，冯衡，王亚东，刘春，郑春波

1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司 广州局，广东 广州 510000

2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430000

3.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221

海底电缆是跨海地区之间电力传输的重要装备，海底电缆故障会导致电网与电网之间解列，期间如果发生机组故障跳机或负荷突然升高，会造成电网低频事故，极易造成大面积停电。所以在海缆故障后，要在最短时间内实施抢修施工，避免对经济、生活等产生重要影响。这就带来我国对海底电缆抢修技术研发的迫切需求。但海底电缆抢修水下施工关键技术仅有国外少数几家公司掌握。海底电缆抢修主要分为4 个部分，分别是海缆覆盖物清理、海缆水下切割、海缆打捞和海缆回放。而海底抛石坝清理则是海底覆盖物清理主要过程之一。

根据国内外航道整治等工程的经验，水下石块清理通常采用抓斗清理或者水下爆破，但这些都是海底大面积的石块清理，对海底电缆安全有较大威胁。抛石坝保护是海底电缆常见的保护方式[1]，国内缺少海底电缆抛石坝清理经验和业绩，也没有成熟的清理方式，故对海底电缆抛石坝清理技术进行研究，已成为海底电缆抢修的重要课题。针对深水抛石坝的清理，国外通常采用大流量挖掘机设备，提供类似水下清理服务和设备的公司有新加坡James Fisher 和苏格兰Rotech 等公司。而针对抛石坝的机械清理去保护问题国内外研究较少，程志远等[2]采用有限差分法模拟船锚和管线，采用离散单元法模拟抛石保护层，并对该模型的船锚侵入位移和管线的侧壁承压进行了计算，证明该耦合方法合理可行；肖鹏[3]基于离散元理论，以颗粒离散元分析软件为平台，对用于防护海底电缆的海底抛石坝在船锚作用下碰撞侵彻、拖动下的破坏变形进行计算仿真，从而为抛石坝的设计提供依据。

作为清洗技术之一的高压水射流技术一直备受人们的关注[4]。在众多技术人员的共同努力下，高压水射流技术发展迅速，并逐渐应用于各个领域，尤其是建筑行业，如在设备清理、除锈等方面，高压水射流技术占据了70%以上的市场份额。但由于水下作业难度大，目前市场上用于海底石块高压水射流清理的相关设备较少[5]。李欣等[6]设计了实验来研究射流入射角对环氧树脂涂层去除的影响。试验结果表明，当射流入射角为50°左右时，环氧涂层的去除效率最高。陈晓晨等[7]提出了水射流击中目标后的裂纹判据，并推导出了裂纹扩展的应力准则，研究认为颗粒周围的微观裂缝会扩大，直到它们相遇，这导致材料颗粒从基体上剥落。李明辉等[8]则将高压水射流清理技术应用于石化行业，经过不断探索，他们设计制造了用于油田清理作业的高压水射流自动清理设备，该设备的研制成功为高压水射流清理技术在油田化工领域的广泛应用奠定了基础。

目前对海底电缆抛石坝清理先例较少，本文提出了2 种清理方式：水射流清理以及水下机械清理，并分别对这2 种方式的清理过程进行仿真，量化关键参数，为海底抛石坝清理技术提供重要参考。

1 水射流清理法及其仿真

水射流法是通过内部大功率的涡轮增压机将两侧吸收的水流加速从出水口喷出，从而产生强大的冲击力，将抛石冲开。水射流在海底抛石坝清理过程中的适用范围尚不明确，采用FLUENTEDEM 耦合仿真的方法对水射流在抛石坝清理过程进行仿真分析。

1.1 海底抛石坝离散元建模

以南海某海域海底电缆抛石保护为例，抛石段水深主要在20～110 m 区域，抛石坝在海床中横断面呈龟背型，底宽约6～10 m，高度约1～1.5 m。抛石坝分内外两层，内层初步保护层层高(相对于电缆顶部净高)不小于0.5 m，采用粒径为2.5～5 cm碎石；外层为粒径为5～20 cm 块石。海底抛石坝以碎石为主，石块密度为2 600 kg/m3，泊松比为0.38，剪切模量为1.0×108Pa，碰撞恢复系数为0.5，静摩擦系数0.6，动摩擦系数0.05。建模仿真时不区分大小石块的差异[9]。

建立规则实体模型，再创建平面对规则实体进行切割。在将颗粒的参数设定好之后，导入到EDEM 软件中。拟合石块之后，依据石块的半径，按正态分布的规律设置不同石块大小的生成比例。将梯形截面石坝体模型导入到EDEM 中作为石块的生成模具，采用动态生成颗粒的方法建模。待石块动态生成填充满抛石坝模型之后，需要再运行一段时间消除因动态生成方法所产生的动能，使整个坝体稳定。设置分析步长为1×10-5s，分析总时间为2 s，计算的网格大小为颗粒半径的3 倍。生成抛石坝模型如图1 所示。

图1 抛石坝模型

1.2 水射流冲击海底平面有限元仿真分析

海底抛石坝在实际清理时会面临多种工况，而且在石块清理过程中，水射流流速、水射流直径、石块大小等对石块的清理效率有直接影响。

其中冲石块的启动条件可以根据Shields 准则来计算：

式中：ψ为Shields 数，该数越大，石块的运动性就越强；ψcr为临界Shields 数；τ为 剪切应力；ρr为石块的密度；ρw为海水的密度；g为重力加速度；D为石块直径。

作用在石块上的海流剪切应力为

式中：u为流速；C为海底摩擦Chezy 系数，在大多数数值模拟中，Chezy 系数由r值为0.02～0.03取得，。

当ψcr=0.03～0.035时，石块开始运动；当ψcr=0.05～0.055 时，石块有限制的运动。根据式（1）和式（2），可以确定射流器所需的最小流速，从而确定射流器所需泵的最小功率。故之后依据理论启动流速，对具体情况下的不同工况进行仿真分析[10]。

在FLUENT 中建立水射流冲击模型，如图2所示，网格水射流直径为1 m，创建长10 m、宽10 m、高1.3 m 的流场。网格尺寸大于石块直径至少3 倍，流体域网格体积大于石块体积至少10 倍，这是为了使整个模型耦合分析时能收敛。同时设置海水密度为1 050 kg/m3，使用k-ε湍流模型，入口流速为10 m/s[11]。

图2 水射流冲击海底平面

1.3 有限元-离散元耦合仿真

通过FLUENT 导入耦合编译文件，进行初始化，设置分析步为100，分析步时长为0.001 s，这个分析步时长为FLUENT 中的分析步长，最终时长与EDEM 耦合之后共同影响，模型收敛之后的时间里清理效果保持不变。耦合之后模型如图3所示。之后可根据不同的工况修改参数，通过结果分析以及不同工况之间的对比，计算出石块精确的启动流速与安全的流速范围。其中海底电缆的参数中，平均密度为3 210 kg/m3，杨氏模量为7.31×107Pa，泊松比为0.33[12]。

图3 水射流冲击抛石坝

1.4 结果分析

采用相等直径的高压水流装置对抛石坝进行清理，数值模拟得到的清理效果如图4 所示。当水流流速为10 m/s 时，清理效果如图4(a)所示。抛石坝经过0.03 s 的水流作用后，上层的大部分石块被清除，模型在0.03 s 之后就开始收敛，之后继续作用结果仍然不变，以下同理。然而，一些石块在受到撞击后堆积在电缆周围。海底电缆上仍有许多石块覆盖。当水流流速为20 m/s 时，清理效果如图4(b)所示，基本上没有石块覆盖电缆。但是，电缆的两侧都堆满了石块。当水流流速为30 m/s 时，清理效果如图4(c)所示。这时候海缆周围的石块基本都清理干净了。因此水流速度优选设置为30 m/s，每个固定位置的冲击持续时间至少为0.055 s。然后可以移动水射流冲击其他位置，从而提高清理效率。

图4 不同水流流速清理效果

在清理石块的过程中，海底电缆会因与石块的碰撞而发生相对变形。因此，可以从应变的角度观察不同流速对电缆应变的影响。因为石块堆放在海底电缆上面。选择位于海底电缆外层上表面的中心点单元来进行应变监测，因为该单元产生的应变更加明显。

图5 分别为水流速度为10、20 和30 m/s 时所选单元Y轴的应变-时间曲线。当以10 m/s 的水流冲击0.025 s 时，图5(a)的曲线趋于变平，这表明该单元此时基本上没有石块，该单元只被水流作用；当以20 m/s 的水流冲击0.022 5 s 时，图5(b)的曲线趋于变平；当以30 m/s 的水流冲击0.02 s 时，图5(c)的曲线趋于变平缓。此外，流速为20 m/s时该单元的应变峰值为7×10-6；在10 和30 m/s 流速下该单元的应变峰值为5×10-6。

图5 不同水流流速海底电缆外层中心点Y 轴的应变-时间曲线

经分析可得，在应变-时间曲线的比较中，当水流速度为10 m/s 和30 m/s 时，电缆上的单元承受的应变最小。由图4 可知，当水流流速为30 m/s时，清理效果最好。所以当水流流速为30 m/s时，海缆的变形相对最小，抛石坝的清理效果也是相对最好的。其他工况可按同样的方法来进行仿真分析。

2 水下机械清理法及其仿真

2.1 海底抛石坝清理设备概念设计

水下抛石过程是海洋工程和水利工程中的常见问题[13]，针对海底管线在复杂海床地质条件下形成的悬空段，综合考虑经济、技术等因素，通常实施抛石填充保护方案[2]。按照前文分析方法，通过离散元软件使用EDEM 建立抛石坝模型。

如图6 所示，设计一种具有海底电缆抛石坝去保护功能的清理设备，包括底盘运载装置、末端执行机构、浮力模块、传动装置等。末端执行机构采用铲斗加滚筒结合的方式，能有效地进行大石块的清理及在清理过程中的电缆失效控制。末端执行机构与传动装置相连接，将抛石坝的石块清理运输至抛石坝附近而不影响后续工作。底盘运载装置采用履带式海底爬行装备，通过调节浮力模块控制接地压力，减小作业沉陷。

图6 海底抛石坝去保护清理设备

2.2 末端执行装置结构设计分析

对清理设备的末端设计滚筒结构和铲斗结构相结合的装置，用来进行抛石坝清理。末端结构设计要考虑其在清理过程中所受到的反作用力大小。在进行作业时，装备需要通过水平方向和滚筒旋转方向2 个自由度相互组合进行作业。为模拟实际工况下的清理效果，采用ADAMS 与EDEM耦合分析的方法进行分析，通过在滚筒施加沿清理方向的反作用力，同时驱动滚筒的旋转，模拟末端装备在清理过程中受到的2 个自由度的组合运动。对末端执行装置进行简化，如图7 所示，采用EDEM 与ADAMS 联合仿真的方法进行分析，分析动态清理石块过程中的受力变化，明确装置的结构设计分析。

图7 末端结构设计与作用力分析

利用Solidworks 先建立规则实体模型，离散元软件使用EDEM，在将颗粒的参数设定好之后，导入到EDEM 中再与ADAMS 进行联合仿真分析。需要运行一段时间消除因动态生成方法所产生的动能，使整个坝体稳定。将末端铲斗结构进行简化，分析在作业过程铲斗所受到的阻力大小，将所受的阻力施加到ADAMS 中，分析结构在运动过程的受力变化，对末端结构进行结构设计。

因为装置的主要功能是清理外层大石块，所以针对的石块主要为抛石坝外层最大石块，直径约为20 cm。末端铲斗结构参数设计根据抛石坝的底层尺寸进行分析，如图8 所示。末端执行机构为底部长度2 000 mm、高度500 mm 的铲斗装置，便于清理底部较大的石块；滚筒装置为直径大小200 mm 的空心圆柱体，用来传动铲斗内部堆积的石块，防止产生的反作用力较大，进而影响石块的清理；外部采用机械爪装置，爬齿间距为100 mm，以免最小的石块从缝隙中漏出。不同铲斗清理石块阻力大小不同。

图8 末端铲斗结构

如图9 所示，末端铲斗设备在进行作业过程中，铲斗所受到的反作用力呈先增大后减小的趋势。在0～2 s 过程中逐渐增大，增大到6 237.5 N时达到满载的状态，此时所受到的力是最大的阻力。在达到满载作业力后，反作用力逐渐减小至623 N。为计算铲斗与石块间的相互作用力，提取最大值作为阻力，计算铲斗是否符合设计要求。

图9 运动过程中的反作用力变化

2.3 末端装备动力学分析

将模型简化导入到ADAMS 中，模型主要由滚筒结构、铲斗结构、滚齿3 部分组成，如图10所示。对滚筒装置进行旋转驱动，分析在清理过程中驱动力的大小。驱动力是指在滚筒进行旋转运动时所提供的力，是设计末端装置能够进行作业的关键问题。

图10 末端结构ADAMS 建模

1）对铲斗加滚筒装置部分施加反作用力6 237.5 N，分析装置在运动过程中驱动力的变化，如图11 所示。通过分析发现，在运动过程中旋转力最大值为35 627.2 N，最小值为1 394.1 N。滚筒在运行过程中反向作用力呈先增大后减小的趋势，与铲石块过程基本趋势大致相符。在达到平稳后，力的大小在10 000～20 000 N 波动。

图11 末端结构驱动力变化

2）对铲斗加滚筒装置部分施加反作用力6 237.5 N，分析装置在运动过程中接触力的变化。接触力是指施加反向作用力后相对于转动副之间的接触摩擦的受力变化，是体现关节受力的关键影响因素。如图12 所示，通过分析发现在运动过程末端结构接触力的最大值为34 425.4 N，最小值为1 104.58 N。滚筒在运行过程中接触力呈先增大后减小的趋势，与铲石块过程基本趋势大致相符。在达到稳定状态后，接触力稳定在10 000～20 000 N。

图12 末端结构接触力变化

3）对铲斗加滚筒装置部分施加反作用力6 200 N，分析装置在运动过程中水平方向作用力的变化。如图13 所示，分析发现运动过程中旋转力最大值为31 200 N，在施加沿清理方向运动的反作用力后，滚筒在运行过程中水平方向作用力呈先增大后减小的趋势，与铲石块过程基本趋势大致相符。在达到平稳后，水平方向的作用力为10 000 N 左右，说明在水平方向上的受力大小呈先增大后减小至平稳状态。

图13 末端结构水平方向作用力变化

3 抛石坝清理过程对海底电缆的影响

在海底电缆抛石坝的清理过程中，清理设备例如大流量挖沟机或者其他水下机械设备等在执行清理任务时，很可能会对海底电缆造成一定影响。严重的甚至会使海底电缆失效，造成二次损坏。所以明确抛石坝清理过程对海底电缆的影响，有利于在抛石坝清理过程中避免出现危险和不利情况，使清理设备在安全范围内稳定运行。

3.1 石块冲击损坏

利用大流量挖沟机产生高速水射流对抛石坝进行清理，产生的水柱直径较大、流速快、流量大。石块会因为高速水射流的冲击而四处飞溅，飞溅的石块具有较大的动能，海底抛石坝中块径最大的石块可达204 mm，这种级别的石块在带有一定速度的情况下冲击海底电缆，对海底电缆的影响是不可逆的。在这种情况下，常用的保护措施包括埋深、冲埋、套管和抛石等[14-15]。面对这种情况，必须严格控制水射流的口径和流速，将石块对海底电缆的冲击影响降至最小[16]。

3.2 水下机械载荷损坏

水下机械是由水下运载设备与末端执行器组成，水下运载设备为末端执行器提供动力，末端执行器对石块进行清理。末端执行器在进行清理过程时，若是清理高度过深，易与海底电缆产生干涉，使海底电缆保护层受到损坏，这种情况对海底电缆的影响同样不容忽视。如果末端执行器为滚轮型式，末端执行器的圆周运动也会在清理抛石坝时产生石块飞溅，导致海底电缆损坏的风险大大增加。所以为避免清理过程中海底电缆不被破坏，应采用滚筒加铲斗结合的方式进行清理，控制反作用力的大小进而防止电缆被破坏。应控制水平方向反作用力最大荷载6 200 N，适用于大石块清理且产生的作用力较大。

4 结论

上述的2 种海底抛石坝清理方法在面对不同海况以及石块大小时，都有各自的适用范围。本文给出了一种仿真的方式对抛石坝过程进行模拟，能够较为准确地分析出清理石块的临界条件与清理效果，为具体进行抛石坝清理工作时的清理方式以及清理设备选型等提供重要参考。值得注意的是，2 种方法可以复合起来使用，通过设备之间的合理切换，在不损坏海底电缆的前提之下，达到最佳的清理效果和清理效率。