CN107169215A - 应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法 - Google Patents

应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，步骤如下：a、根据海底电缆埋设海域的情况，以及泊船吨位数确定船锚的锚型和参数；b、根据海底电缆埋设海域的情况，以及船锚的锚型和参数，计算船锚接触水面时的速度；c、计算船锚接触海底表层时的速度；d、计算锚贯穿海底表层至固定不动的入土深度；e、根据海底土层勘测确定抛锚土层是否为硬质土层，若否，则直接执行下一步骤，若是，则需要在船锚入土深度上在增加锚爪向下的抓底长度；f、计算冲淤影响而增加的深埋裕度；g、获得海底电缆深埋的设计值。本发明中设计方法对海底电缆的铺设进行设计后，能够有效克服现有技术中的缺陷，消除船舶停泊抛锚对海底电缆可能产生的危害。

Description

应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法
技术领域
本发明涉及海底电缆铺设技术领域，特别涉及应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法。
背景技术
海底电缆的铺设是一种常用的电缆铺设形式，在现有的海底电缆铺设作业中，海底电缆均沿着海上航道铺设。使用这种在现有的海上航道上铺设的方法，能够大大的减少前期海底勘测的成本，并且能在铺设作业中，能够利用航道进行材料的运输，有利于加快施工速度。
但是，现有的这种方法也存在隐患，由于海底电缆铺设在海上航道的下面，如果海面上航行的船只停泊抛锚，船锚在插入海底泥层的过程中，就会发生损坏海底电缆的危害。
因此，在海底电缆设计阶段急需一种专门的设计方法，对海底电缆的埋深进行设计，以消除船舶停泊抛锚对海底电缆可能产生的危害。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，实现的目的之一是克服现有技术中的缺陷，消除船舶停泊抛锚对海底电缆可能产生的危害。
为实现上述目的，本发明提供了应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，步骤如下：
a、根据海底电缆埋设海域的情况，以及泊船吨位数确定船锚的锚型和参数；
b、根据海底电缆埋设海域的情况，以及船锚的锚型和参数，计算船锚接触水面时的速度v1，公式如下：
其中：m为锚质量；
g为重力加速度；
v1为锚刚接触水面时的速度；
d1为锚抛出点在空气中下降到水面的高度；
c、计算船锚接触海底表层时的速度v2，公式如下：
其中：v1为锚刚接触水面时的速度；
v2为锚刚接触海底时速度；
d2为水深；
T为该段运动过程中运动的时间，可通过下面方法进行求解计算：
K可通过一下公式计算：
其中：mg为锚在水中收到的重力；
FB为锚在水中收到的浮力；
k＝6πηr；
其中：π是圆周率；
η为水的黏滞系数；
r为船锚的球体等效半径；
d、计算锚贯穿海底表层至固定不动的入土深度，公式如下：
其中：d3为船锚垂直入海底土层的贯穿量；
τ为土壤抗剪强度；可根据海底土层勘测后计算获得；
h'为土壤中锚的高度，若高度大于锚高(h+h1)则取值为(h+h1)，h、h1值则根据船锚确定，其中h为锚爪长、h1为锚底高；
A为锚底部周长；
v2为锚刚接触海底时速度；
m为锚质量；
根据上述计算结果，确定船锚入土深度；
e、根据海底土层勘测确定抛锚土层是否为硬质土层，若否，则直接执行下一步骤，若是，则需要在上一步骤确认的所述船锚入土深度上在增加锚爪向下的抓底长度hd1，公式如下：
hd1＝hsinα；
其中：h为锚爪长；
α为船锚的锚爪翻转角度；
f、计算冲淤影响而增加的深埋裕度；
g、获得海底电缆深埋的设计值。
优选的，在步骤d中，当海底土层分层比较严重，土壤抗剪强度τ随着深度的增加而变化时，需要分层计算，步骤如下：
a)根据海底土层勘测后的结果，将土壤抗剪强度不同的底土划分成若干层土层；
b)根据每一层所述土层不同的土壤抗剪强度，自上向下逐一计算所述船锚穿透每一层土层表面至静止的穿透量；当穿透量大于相应所述土层厚度时，需要计算所述船锚在到达相应所述土层底部的速度，并用所述速度计算所述船锚穿透下一层所述土层表面至静止的所述穿透量，直至所述穿透量小于相应所述土层的厚度；
c)将所述穿透量加上之前所有所述土层的厚度总和获得船锚垂直入海底土层的贯穿量d3。
优选的，在步骤d中，海底各层土质及厚度通过勘探获得，并将船锚简化视为桩模型，根据《建筑桩基技术规范(JGJ 94-2008)》，模型中抗剪强度值等效为混凝土预制桩极限侧阻力标准值qsik，不同土质的值见表1-3不同土质极限侧阻力标准值qsik。
表1-3不同土质极限侧阻力标准值qsik
土的名称 极限侧阻力标准值qsik(kPa)
淤泥 14～20
淤泥质土 22～30
砾砂 70～110
中砂 54～74
粗砂 74～95
黏性土 40～55
本发明的有益效果：
本发明从船锚运动分析、锚爪抓土形式、海床演变冲淤影响三个方面进行综合考虑，全面考虑船舶抛锚时船锚可能产生的危害，运用本发明中设计方法对海底电缆的铺设进行设计后，能够有效克服现有技术中的缺陷，消除船舶停泊抛锚对海底电缆可能产生的危害。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出的是本发明一实施例的流程图。
图2示出的是本发明一实施例中路由钻孔剖面图。
具体实施方式
实施例
以国网输变电设计竞赛忠田至湄洲110kV线路工程为例，平均水温20℃，根据勘查情况，海域最大水深＝14.7m，该段内地层主要是全新世的海积层、冲洪积沉积层、残积层和全风化花岗岩层。
根据勘探所得海底剖面图地质进行计算分析。海缆路由区穿过文甲支航道，经咨询航道管理者(福建省湄洲湾港口管理局)，建议至少按照满足通航3000吨级船舶水深要求敷设海底电缆，根据调研和相关统计数据，3000吨级船舶采用霍尔锚，锚重约2.5t左右。
采用如图1所示的，应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，步骤如下：
步骤a、根据海底电缆埋设海域的情况，以及泊船吨位数确定船锚的锚型和参数；
根据表1-1水粘滞系数随温度变化数据，以及表1-2霍尔锚尺度的统计数据，查得2640kg重的霍尔锚锚爪长度为1.221m，由锚冠底部到锚爪顶端的长度是1.489m。锚爪转动的角度为42°。本工程水域最大水深14.7m，计算时取15m。为了简化计算模型，将船锚简化为六面体，底面长宽同锚宽最大尺寸，高度同锚爪同高。
表1-1水粘滞系数随温度变化数据
温度/(℃) η/(Pa.s) 温度/(℃) η/(Pa.s)
0 1.783x10-3 40 0.653x10-3
10 1.307x10-3 60 0.466x10-3
20 1.002x10-3 80 0.357x10-3
30 0.798x10-3 100 0.282x10-3
表1-2霍尔锚尺度(mm)
因此，本例中H1＝380mm，L＝1741mm，h＝1221mm，B1＝801mm，m＝2640kg，d2＝15m，d1＝5m，ρ锚＝7895kg/m3，ρ水＝1025kg/m3，η＝1.002x10-3Pa.s。
步骤b、根据海底电缆埋设海域的情况，以及船锚的锚型和参数，计算船锚接触水面时的速度v1，A＝5084mm；经计算得到v1＝9.9m/s；
c、计算船锚接触海底表层时的速度v2，v2＝15.0m/s。
d、计算锚贯穿海底表层至固定不动的入土深度；
设计过程中往往海底各层土质及厚度可通过勘探获得，可将模型简化视为桩模型，根据《建筑桩基技术规范(JGJ 94-2008)》，模型中抗剪强度值等效为混凝土预制桩极限侧阻力标准值qsik，不同土质的值见表1-3：
表1-3不同土质极限侧阻力标准值qsik
土的名称 极限侧阻力标准值qsik
淤泥 14～20
淤泥质土 22～30
砾砂 70～110
中砂 54～74
粗砂 74～95
黏性土 40～55
粉土 46～66
粉细砂 48～66
据勘查报告中岩土层工程地质特征，根据附图2所示的路由钻孔剖面图，航道及水深处主要位于ZK3区域，水深处主要土质最上层为淤泥约0.6m，下一层粘土约1.6m，下一层为淤泥质土，约6.4m。
计算时土质极限侧阻力取均值，如淤泥取17kPa，粘土取47kPa，淤泥厚D1＝0.6m，粘土厚D2＝1.6m，先假设仅进入淤泥层，则
D′1＝2.81m＞D1，所以贯穿进入粘土层；
假设锚进入粘土距离为D’2，则：
因此船锚垂直入海底土层的贯穿量d3＝1.0+0.6＝1.6m；
e、在计算时采用水深最深处，且该处海底土壤条件较差，锚更容易进入土壤更深处，因此计算结果较为保守，锚进入土壤贯穿量计算值偏大，加上数学模型忽略一些影响因素，因此按照计算结果设计海缆埋深能够确保安全性。
硬泥底中，抛锚入土深度为锚爪向下抓底的长度，2.64t重的霍尔锚锚爪长度为1.221m。考虑到锚入土最深的情况，即锚有一定海床贯穿量并且锚爪向下抓底，可得大型船舶抛锚(锚重3.0t)可能的入土深度，计算公式如下：
抛锚入土深度＝触底海床贯穿量+锚爪长度
＝1.6+1.221sin42°＝2.4m。
f、计算冲淤影响而增加的深埋裕度；最后收集海床演变相关资料，海缆敷设时需要考虑充淤影响，此处取0.6m，即海缆多埋深0.6m。
g、获得海底电缆深埋的设计值，计算得到最终海缆埋深为3.0m。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，步骤如下：
a、根据海底电缆埋设海域的情况，以及泊船吨位数确定船锚的锚型和参数；
b、根据海底电缆埋设海域的情况，以及船锚的锚型和参数，计算船锚接触水面时的速度v1，公式如下：
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>gd</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中：m为锚质量；
g为重力加速度；
v1为锚刚接触水面时的速度；
d1为锚抛出点在空气中下降到水面的高度；
c、计算船锚接触海底表层时的速度v2，公式如下：
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </mfrac> <mi>T</mi> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>
其中：v1为锚刚接触水面时的速度；
v2为锚刚接触海底时速度；
d2为水深；
T为该段运动过程中运动的时间，可通过下面方法进行求解计算：
<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </mfrac> <mi>T</mi> </mrow> </msup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
K可通过一下公式计算：
<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>m</mi> <mi>g</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>B</mi> </msub> </mrow> <mi>k</mi> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中：mg为锚在水中收到的重力；
FB为锚在水中收到的浮力；
k＝6πηr；
其中：π是圆周率；
η为水的黏滞系数；
r为船锚的球体等效半径；
d、计算锚贯穿海底表层至固定不动的入土深度，公式如下：
<mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msubsup> <mi>mv</mi> <mn>2</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <msub> <mi>d</mi> <mn>3</mn> </msub> </msubsup> <msup> <mi>&amp;tau;Ah</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>dd</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow>
其中：d3为船锚垂直入海底土层的贯穿量；
τ为土壤抗剪强度；可根据海底土层勘测后计算获得；
h'为土壤中锚的高度，若高度大于锚高(h+h1)则取值为(h+h1)，h、h1值则根据船锚确定，其中h为锚爪长、h1为锚底高；
A为锚底部周长；
v2为锚刚接触海底时速度；
m为锚质量；
根据上述计算结果，确定船锚入土深度；
e、根据海底土层勘测确定抛锚土层是否为硬质土层，若否，则直接执行下一步骤，若是，则需要在上一步骤确认的所述船锚入土深度上在增加锚爪向下的抓底长度hdl，公式如下：
hd1＝hsinα；
其中：h为锚爪长；
α为船锚的锚爪翻转角度；
f、计算冲淤影响而增加的深埋裕度；
g、获得海底电缆深埋的设计值。
2.根据权利要求1所述的应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，其特征在于，在步骤d中，当海底土层分层比较严重，土壤抗剪强度τ随着深度的增加而变化时，需要分层计算，步骤如下：
a)根据海底土层勘测后的结果，将土壤抗剪强度不同的底土划分成若干层土层；
b)根据每一层所述土层不同的土壤抗剪强度，自上向下逐一计算所述船锚穿透每一层土层表面至静止的穿透量；当穿透量大于相应所述土层厚度时，需要计算所述船锚在到达相应所述土层底部的速度，并用所述速度计算所述船锚穿透下一层所述土层表面至静止的所述穿透量，直至所述穿透量小于相应所述土层的厚度；
c)将所述穿透量加上之前所有所述土层的厚度总和获得船锚垂直入海底土层的贯穿量d3。
3.根据权利要求1所述的应对锚害的海底电缆埋深要求的设计方法，其特征在于，在步骤d中，海底各层土质及厚度通过勘探获得，并将船锚简化视为桩模型，根据《建筑桩基技术规范(JGJ 94-2008)》，模型中抗剪强度值等效为混凝土预制桩极限侧阻力标准值qsik，不同土质的值见表1-3不同土质极限侧阻力标准值qsik。
表1-3不同土质极限侧阻力标准值qsik
土的名称 极限侧阻力标准值qsik(kPa) 淤泥 14～20 淤泥质土 22～30 砾砂 70～110 中砂 54～74 粗砂 74～95 黏性土 40～55
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