許海波，沙欣宇，張震宇，庫猛?

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021）

隨著國家海洋戰(zhàn)略的提出，海洋風電項目建設(shè)如火如荼，在海洋風電場建設(shè)的過程中，海底電纜鋪設(shè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要，因此海纜鋪設(shè)逐漸成為海洋風電研究領(lǐng)域的重要課題[1-3]。為了應對海洋環(huán)境的復雜性，海底電纜需要埋設(shè)于海床之下，以避免拋錨及拖網(wǎng)等海上作業(yè)對海底電纜造成損壞[4-5]。海底電纜需要依賴于埋設(shè)機進行鋪設(shè)，埋設(shè)機首先通過機械手將海纜提升至一定高度，隨后利用挖溝設(shè)備進行海床的開挖，最后進行海纜的放置與埋設(shè)。纜線受到機械手向上抬升之后，會形成一個懸跨段，這就導致纜線出現(xiàn)較大的撓曲和變形，引起局部應力的增加，進而可能造成海底電纜的損傷[6-7]。許多學者針對埋設(shè)機挖溝埋設(shè)過程中造成的懸跨問題開展研究，如劉可安[4]、李修波[8]、和劉志偉[9]等分別通過理論研究、仿真模擬等研究方法，對海底電纜的埋設(shè)受力進行研究。研究表明，海底電纜在埋設(shè)過程中的屈曲程度受到挖溝深度的影響非常顯著[8-11]。

本文以江蘇啟東市某海上風電場建設(shè)項目為工程背景，通過ABAQUS軟件，建立海底電纜鋪設(shè)模型，模擬海纜從纜線抬升至溝槽放置作業(yè)的全過程，分析海纜在鋪設(shè)作業(yè)中的應力變化規(guī)律。

1 工程概況

江蘇啟東市某海上風電場建設(shè)場地離岸距離約32 km，海上風電場區(qū)位置如圖1所示。

圖1 江蘇啟東某海上風電場Fig.1 An offshore wind farm in Qidong, Jiangsu province

海上風電場場區(qū)面積約 40 km2，裝機容量 250 MW。場區(qū)海底地形變化較為平緩，水深在6～13 m之間。場區(qū)內(nèi)海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元，地基土表層以粉砂為主。

海底電纜的鋪設(shè)采用HLA-4型海纜埋設(shè)機（如圖2所示）。海纜在鋪設(shè)的過程中要受到多種外力的作用，而影響海纜鋪設(shè)受力的重要因素就是纜線的鋪設(shè)速度。根據(jù)相關(guān)研究以及工程實踐成果，海纜若要避免張拉性破壞，埋設(shè)速度應盡可能控制在12 m/min以下，且勻速前進。當海洋作業(yè)船牽引埋設(shè)機行進時，被動牽引力主要由埋設(shè)機雪橇以及犁體與海床土質(zhì)的摩擦力、高壓射水水流正面阻力組成。經(jīng)過多個工程案例試驗表明，在一般軟土地質(zhì)以及砂層條件下，牽引力約120 kN。隨著埋設(shè)機被牽引前進，埋設(shè)機上的犁體裝置插入土體，進行海床土體的開挖。開挖深度可以通過變幅犁體調(diào)整，一般的變幅犁體可開挖的深度為0～4.2 m。埋設(shè)機的前進速度受牽引船的控制，通?？稍?～20 m/min的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

圖2 HLA-4型海纜埋設(shè)機Fig.2 HLA-4 submarine cable burying machine

2 海纜敷設(shè)數(shù)值模擬

海底電纜在鋪設(shè)的過程中，需要通過機械手將預先放置于海底的纜線進行抬升，這會導致纜線形成一個懸跨段，如圖3(a)所示。纜線的懸跨段一直存在于鋪設(shè)的過程中，包括纜線的挖溝放置階段，如圖3(b)所示。

圖3 作業(yè)前和作業(yè)中海底電纜懸跨示意[6]Fig.3 Schematic diagram of submarine cable suspension before and during operation[6]

在本文的研究中，海底電纜是均勻連續(xù)的材料，并且忽略上覆土對海底電纜的壓力作用[12-13]。海底電纜密度ρ=2 230 kg/m3，泊松比υ=0.3，由于海纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，本文參考內(nèi)部較為重要的銅芯導體材料的彈性模量值選取等效彈性模量[14-15]，E=120 GPa，海底電纜采用彈塑性模型；海底電纜截面是直徑D為252 mm的圓形，如圖4所示。海床土體密度ρ=1800 kg/m3，泊松比為υ=0.45，彈性模量E=120 GPa，海底土體采用彈性模型。建立海底電纜在挖溝機作業(yè)時的數(shù)值模型，如圖4所示。

圖4 挖溝機作業(yè)時海底電纜數(shù)值模型Fig.4 Submarine cable numerical model in trench digger operation

模型中海底電纜右端固定，假定右端為埋設(shè)段，左端為自由端，無約束；土體完全固定。整個模型采用三維八節(jié)點減縮積分六面體單元（C3D8R）網(wǎng)格進行劃分，海底電纜網(wǎng)格尺寸為 0.05 m×0.05 m，土體網(wǎng)格尺寸為 0.125 m×0.125 m（見圖4）；對電纜網(wǎng)格尺寸0.4 m、0.5 m 和 0.6 m 進行網(wǎng)格收斂性驗證，網(wǎng)格尺寸對數(shù)值模擬結(jié)果幾乎沒有影響。網(wǎng)格屬性設(shè)定為結(jié)構(gòu)，以保證網(wǎng)格質(zhì)量和運算精度，整個模型共劃分網(wǎng)格數(shù)為72 400。在運行海底電纜鋪設(shè)的數(shù)值模型時，首先需要對模型進行地應力平衡；其次對纜線前后抬升點賦予相應的位移，并通過位移時長來控制纜線抬升的速度；最后，通過海床土體部分的下移來模擬土體開挖，并將纜線自然下垂，模擬土體開挖以及纜線放置。通過模擬纜線抬升與放置的全過程，分析海纜鋪設(shè)作業(yè)的受力狀態(tài)，開展海纜作業(yè)中的力學研究。

3 作業(yè)前數(shù)值模擬分析

在進行海纜的埋設(shè)施工時，機械臂需要通過兩個抬升點將纜線提前抬升至一定的高度，導致海纜前后抬升點之間呈現(xiàn)向上的凸曲狀，如圖5所示。機械臂將海底電纜抬升后，海纜的凸曲變形會導致纜線材料受力增大，所以需要分析海底電纜所能承受機械臂的最大抬升高度，以及海纜在受到抬升后的應力特征，以保證海底電纜在鋪設(shè)過程中的安全。

圖5 機械手抬升引起海底電纜懸跨示意圖Fig.5 Schematic diagram of submarine cable suspension caused by lifting of manipulator

圖6表示海底電纜受到機械手抬升后，纜線全跨度的應力分布圖。電纜整體長度為150 m，抓取跨度為18 m，提升高度2.2 m，挖溝機位于電纜的中間位置（75 m處）。圖6中對比了考慮水的浮力作用與無浮力作用下電纜的應力分布曲線圖，圖中顯示兩者應力分布特征一致。從圖中可以看出，纜線的提升跨度段（A～C點）應力最大，其中前后提升點（A和C點）受到局部最大的集中應力，提升跨度段中點位置（B點）應力較小。此外，提升跨度兩端也出現(xiàn)了應力較大的懸跨段。

圖6 作業(yè)前海底電纜懸跨受力分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of submarine cable suspension span stress distribution before operation

對纜線提升后的應力分布來看，纜線局部較大的應力主要集中在海底電纜抬升點（A和C點），該位置受到較大的集中應力，可能造成纜線材料的損傷。因此，在海底電纜鋪設(shè)作業(yè)中，應對提升點位置處的纜線實施相應的保護措施。

4 作業(yè)中數(shù)值模擬分析

海底電纜在抬升之后，需要使用挖溝機開挖下方的海床土體，以便對纜線進行埋設(shè)。在埋設(shè)的過程中，海底電纜的后抬升點出現(xiàn)了應力集中。海纜的應力分布情況如圖7所示。在圖7的數(shù)值模型中，海纜埋設(shè)的挖溝深度為1 m，海纜前后提升點距離為18 m，機械臂對海纜的抬升高度為2.2 m。

圖7 埋設(shè)過程中海底電纜應力分布云圖Fig.7 Diagram of stress distribution of submarine cable during burial

海底電纜埋設(shè)過程纜線的應力分布如圖8所示。相比于纜線抬升階段的應力分布情況（圖6），海底電纜埋設(shè)過程中的纜線主要由后抬升點（圖8點C）支撐。相應地C點在埋設(shè)作業(yè)中相比于埋設(shè)作業(yè)前的應力顯著增大，埋設(shè)作業(yè)前C點應力為89 MPa，埋設(shè)作業(yè)中C點應力增大到114 MPa。這種埋設(shè)作業(yè)造成的后緣提升點應力增大的情況可能使纜線發(fā)生塑性破壞。

圖8 作業(yè)中海底電纜應力分布圖Fig.8 Diagram of stress distribution of submarine cable during operation

在不同挖溝深度H的工況下，海底電纜數(shù)值模擬的分析情況如圖9所示。圖9中分別選取挖溝深度為 1 m，2 m，3 m 的工況進行數(shù)值分析。

圖9 不同挖溝深度下海底電纜應力分布云圖Fig.9 Diagram of stress distribution of submarine cable at different trenching depths

從圖9中可以看出，隨著挖溝深度H的增加，海纜懸跨段局部最大應力（圖9黑色圓圈標識，圖8點C）變化非常明顯。挖深1 m時局部最大應力為114 MPa，挖深 2 m時，局部最大應力增大到138.3 MPa，挖深3 m 時局部最大應力為 159.3 MPa。相比于挖深 1 m的工況，挖深3 m的局部最大應力增大了約39.7%，相比于作業(yè)前海床未開挖時海底電纜的局部最大應力89 MPa，海纜埋設(shè)作業(yè)中C點的應力增大了79%，受力顯著增大。

因此，海底電纜在鋪設(shè)的過程中首先應在合理的范圍內(nèi)盡量降低埋設(shè)深度，其次海底電纜的屈服強度參數(shù)的設(shè)計應著重參考纜線埋設(shè)作業(yè)中的受力分析結(jié)果，盡量避免作業(yè)中纜線受力過大而導致的材料損傷。

5 結(jié)論

本文采用ABQUS數(shù)值模擬方法，以江蘇啟東某海上風電場項目為工程背景，開展了海纜在埋設(shè)過程中的受力分析，得到以下研究結(jié)論：

1）海底電纜受到抬升形成懸跨段，抬升點處出現(xiàn)應力集中的情況，海纜埋設(shè)作業(yè)過程中，后緣抬升點的應力顯著增大。因此，在鋪設(shè)作業(yè)中應在海底電纜的抬升點處，尤其是海底電纜埋設(shè)階段，加強對抬升點位置材料的保護。

2）挖溝深度H主要影響海底電纜的后緣提升點應力，對于本文工況當挖溝深度從1 m增大到3 m時，纜線后緣提升點處的應力增大了39.7%。因此，海底電纜埋設(shè)深度應在合理的范圍內(nèi)盡量減小，以避免埋設(shè)深度過大引起的纜線損傷。

3）埋設(shè)前抬升階段中纜線受到的局部最大應力小于埋設(shè)階段，本文工況中埋設(shè)前纜線局部最大應力為89 MPa，而埋設(shè)過程中該處應力增大了79%。因此，海底電纜的屈服應力參數(shù)選取應著重參考埋設(shè)作業(yè)中纜線的受力分析結(jié)果。