CN109494631A - 海底电缆免受锚害的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底电缆免受锚害的设计方法，包括以下步骤：获取海底电缆铺设的预设区域的土体的参数、海水的参数以及船锚的参数；根据土体参数，利用太沙基极限承载力公式计算土体的极限承载力P_u，得出土体对船锚的作用力F_u；根据土体对船锚的作用力F_u计算出土体在落锚过程中对船锚所做的功W₁；根据海水的参数及船锚的参数获取船锚触底时的速度v并计算出船锚触底时的动能E_v；根据W₁＝E_v，得出船锚的落锚深度z；根据船锚的落锚深度z，得出海底电缆的埋设深度z₁，若z₁＜z，使土体的垂直方向上附加应力小于电缆的机械强度。该海底电缆免受锚害的设计方法能够准确的计算船锚的落锚深度，从而能够合理的选择海底电缆的埋设深度，避免船锚对海底电缆造成破坏。

Description

海底电缆免受锚害的设计方法

技术领域

本发明涉及海底电缆铺设技术领域，具体涉及一种海底电缆免受锚害的设计方法。

背景技术

海底电缆输电属于跨海域联网工程建设的重要组成部分，对实现电网国际化、促进区域电网互联进程起着至关重要的作用。随着岛屿间电力网络的完善、通讯需求的增大以及国际间信息化交流的迅猛发展，海底电缆的铺设量也日益增加。

据历史数据统计，人类活动造成90％以上的海底电缆故障，而其中三分之一来自于锚害。船锚对海底电缆的破坏大多数发生在水深小于200m的海域，尤其在近岸区，船锚对海底电缆的破坏更为严重：70％发生在水深小于50m的海域，20％发生在水深小于10m的海域。随着海底电缆线路数量的不断增加，也导致海底电缆在近海区域由于船锚钩挂造成故障的问题变得越来越严重。

发明内容

基于此，有必要提供一种海底电缆免受锚害的设计方法，能够准确的计算船锚的落锚深度，从而能够合理的选择海底电缆的埋设深度，避免船锚对海底电缆造成破坏。

其技术方案如下：

一种海底电缆免受锚害的设计方法，包括以下步骤：

(A)、获取海底电缆铺设的预设区域的土体的参数、海水的参数以及船锚的参数；

(B)、根据所述预设区域的土体参数，利用太沙基极限承载力公式计算所述预设区域的土体的极限承载力P_u，得出预设区域的土体对船锚的作用力F_u；

(C)、根据所述预设区域的土体对船锚的作用力F_u计算出所述预设区域的土体在落锚过程中对船锚所做的功W₁；

(D)、根据所述预设区域的海水的参数及所述船锚的参数获取船锚触底时的速度v并计算出船锚触底时的动能E_v；

(E)、根据能量守恒定律，W₁＝E_v，得出所述预设区域上船锚的落锚深度z；

(F)、根据所述船锚的落锚深度z，得出海底电缆的埋设深度z₁；其中，若z₁＜z，则计算所述预设区域内的土体的垂直方向上附加应力使土体的垂直方向上附加应力小于电缆的机械强度[σ_电缆]。

上述海底电缆免受锚害的设计方法，当需要在预设区域铺设海底电缆时，首先根据预设区域的土体参数，利用太沙基极限承载力公式计算出预设区域的土体的极限承载力P_u；再根据P_u从而计算出预设区域的土体对船锚的作用力F_u；接着根据F_u计算出预设区域的土体在落锚过程中，即船锚从接触预设区域的土体至船锚陷入土体中而静止的过程中土体对船锚所做的功W₁；然后根据船锚触底时，即船锚与预设区域的土体接触时的速度v计算出此时船锚所具有的动能E_v；接着根据能量守恒定律，预设区域的土体对船锚所做功等于船锚触底时的动能，即W₁＝E_v，从而可以反推出船锚的落锚深度z，进而根据船锚的落锚深度z可以合理的得出海底电缆的埋设深度z₁；当海底电缆的埋设深度z₁大于或等于船锚的落锚深度z时，能够避免船锚落锚后与电缆发生碰撞，从而能够避免船锚对电缆造成损伤；当海底电缆的埋设深度z₁小于船锚的落锚深度z时，通过计算预设区域内的土体的垂直方向上附加应力若土体的垂直方向上附加应力小于电缆的机械强度[σ_电缆]，则可以得到海底电缆的埋设深度z₁的最小深度，即能够得到海底电缆的埋设深度z₁与船锚的落锚深度z之间的最小深度值，只需将海底电缆埋设在船锚的落锚深度z与埋设深度z₁的最小深度之间，也可避免船锚对电缆造成损伤；同时，根据落锚深度z合理的制定海底电缆的埋设深度z₁，还能够在最佳深度对海底电缆进行铺设，降低电缆的铺设难度，节省埋设成本。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，在步骤(B)中，P_u＝c×N_c+q×N_q+0.5×D×γ×N_γ，c为土体的粘聚力，N_c及N_q为无重土承载力系数，q为边载，q＝γ×z，D为基础宽度，D＝α×z，α为形状系数，z为船锚的落深，γ为基底以下土体的容重，N_γ为承载力系数，且F_u＝P_u×L×D，L为基础长度，且L＝β×z，β为常数。

在其中一个实施例中，步骤(B)中，F_u＝(c×N_c+z×γ×N_q+0.5×α×z×γ×N_γ)×α×β×z²；在步骤(C)中，根据能量损耗情况，

W₁＝0.125×aα²β×γ×N_γ×z⁴+0.25×bαβ×γ×N_q×z⁴+0.33×dαβ×c×N_c×z³，其中，a、b、d为经验系数。如此，考虑到能量损耗的情况，能够使得土体对船锚所做的功W₁计算的更加准确，从而能够更加合理的得到海底电缆的埋设深度z₁。

在其中一个实施例中，在步骤(D)中，包括：计算预设区域的船锚触底时的速度v，其中，W₂为船锚的浮重，W₂＝Vg×(ρ_s-ρ_w)，m为船锚的质量，m＝V×ρ_s，V为船锚的体积，ρ_s为船锚的密度，g为重力加速度，ρ_w为海水的密度，F_D为海水对船锚的阻力，C_D为阻力系数，A_F为船锚的前端面面积，z₀为船锚落入水中的深度。

在其中一个实施例中，在步骤(D)中，且E_v＝A×γ×N_γ×z⁴+B×γ×N_q×z⁴+C×c×N_c×z³，其中，A为土重分项系数，B为边载分项系数，C为黏聚力分项系数。

在其中一个实施例中，当船锚落入砂土上，砂土的内摩擦角为34°时，黏聚力分项系数C＝0，N_c＝52.8，N_q＝36.6，N_γ＝36，则E_v＝A×γ×N_γ×z⁴+B×γ×N_q×z⁴，根据最小二乘法，A＝8.3，B＝1.5，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴。

在其中一个实施例中，当船锚落入黏土上，黏土的内摩擦角为31.8°时，黏聚力分项系数C＝30.4kPa，N_c＝44.4，N_q＝28.7，N_γ＝28，根据A＝8.3，B＝1.5，

则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴+C×c×N_c×z³，根据最小二乘法，C＝1，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴+c×N_c×z³。

在其中一个实施例中，在步骤(F)中，若z₁＜z，则根据所述预设区域的土体的水平方向上附加应力σ_x，拟合出动力放大系数A₁；根据动力放大系数A₁计算出所述预设区域的土体的垂直方向上附加应力根据得到所述海底电缆埋设深度z₁的最小值。

在其中一个实施例中，由拟合得出P为铅垂向作用载荷，x为受影响的点距作用点的水平距离，R为受影响的点距作用点的距离，μ为泊松比。

在其中一个实施例中，在步骤(F)中，还包括：计算船锚的拖锚最大入土深度H₀，使海底电缆的埋设深度z₁大于或等于船锚的落锚深度z与拖锚最大入土深度H₀之和，其中，H₀＝sin(θ)×h，θ为锚爪的最大张角，h为锚爪长度和锚冠长度之和。

附图说明

图1为一个实施例的海底电缆免受锚害的设计方法的流程图；

图2为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚30cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图3为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚30cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图4为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚30cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图5为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚30cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图6为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚60cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图7为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚60cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图8为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚60cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图9为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚60cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图10为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚90cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图11为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚90cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图12为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚90cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图13为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的6.45kg霍尔锚90cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图14为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚30cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图15为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚30cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图16为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚30cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图17为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚30cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图18为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚60cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图19为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚60cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图20为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚60cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图21为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚60cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图22为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚90cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图23为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚90cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图24为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚90cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图25为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的31.25kg霍尔锚90cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图26为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚30cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图27为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚30cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图28为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚30cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图29为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚30cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图30为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚60cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图31为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚60cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图32为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚60cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图33为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚60cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图34为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚90cm落高情况下距落心30cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图35为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚90cm落高情况下距落心50cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图36为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚90cm落高情况下距落心70cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图37为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的76.20kg霍尔锚90cm落高情况下距落心90cm处水平方向上附加应力变化示意图；

图38为图1的海底电缆免受锚害的设计方法的动力放大系数与落高关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”、“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“固设于”另一个元件，或与另一个元件“固定连接”，它们之间可以是可拆卸固定方式也可以是不可拆卸的固定方式。当一个元件被认为是“连接”、“转动连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于约束本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”、“第三”等类似用语不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，在一个实施例中，公开了一种海底电缆免受锚害的设计方法，包括以下步骤：(A)、获取海底电缆铺设的预设区域的土体的参数、海水的参数以及船锚的参数；(B)、根据预设区域的土体参数，利用太沙基极限承载力公式计算预设区域的土体的极限承载力P_u，得出预设区域的土体对船锚的作用力F_u；(C)、根据预设区域的土体对船锚的作用力F_u计算出预设区域的土体在落锚过程中对船锚所做的功W₁；(D)、根据预设区域的海水的参数及船锚的参数获取船锚触底时的速度v并计算出船锚触底时的动能E_v；(E)、根据能量守恒定律，W₁＝E_v，得出预设区域上船锚的落锚深度z；(F)、根据船锚的落锚深度z，得出海底电缆的埋设深度z₁；其中，若z₁＜z，则计算预设区域内的土体的垂直方向上附加应力使土体的垂直方向上附加应力小于电缆的机械强度[σ_电缆]。

上述实施例的海底电缆免受锚害的设计方法，当需要在预设区域铺设海底电缆时，首先根据预设区域的土体参数，利用太沙基极限承载力公式计算出预设区域的土体的极限承载力P_u；再根据P_u从而计算出预设区域的土体对船锚的作用力F_u；接着根据F_u计算出预设区域的土体在落锚过程中，即船锚从接触预设区域的土体至船锚陷入土体中而静止的过程中土体对船锚所做的功W₁；然后根据船锚触底时，即船锚与预设区域的土体接触时的速度v计算出此时船锚所具有的动能E_v；接着根据能量守恒定律，预设区域的土体对船锚所做功等于船锚触底时的动能，即W₁＝E_v，从而可以反推出船锚的落锚深度z，进而根据船锚的落锚深度z可以合理的得出海底电缆的埋设深度z₁；当海底电缆的埋设深度z₁大于或等于船锚的落锚深度z时，能够避免船锚落锚后与电缆发生碰撞，从而能够避免船锚对电缆造成损伤；当海底电缆的埋设深度z₁小于船锚的落锚深度z时，通过计算预设区域内的土体的垂直方向上附加应力若土体的垂直方向上附加应力小于电缆的机械强度[σ_电缆]，则可以得到海底电缆的埋设深度z₁的最小深度，即能够得到海底电缆的埋设深度z₁与船锚的落锚深度z之间的最小深度值，只需将海底电缆埋设在船锚的落锚深度z与埋设深度z₁的最小深度之间，也可避免船锚对电缆造成损伤；同时，根据落锚深度z合理的制定海底电缆的埋设深度z₁，还能够在最佳深度对海底电缆进行铺设，降低电缆的铺设难度，节省埋设成本。

需要进行说明的是，根据船锚的落锚深度z，得出海底电缆的埋设深度z₁，考虑到实际埋设的误差情况，实际埋设深度可能与海底电缆的埋设深度z₁存在误差，只需满足在误差允许范围内即可。步骤(D)与步骤(A)、步骤(B)、步骤(C)可以同时进行也可以分开进行。

可选地，在步骤(B)中，P_u＝c×N_c+q×N_q+0.5×D×γ×N_γ，c为土体的粘聚力，N_c及N_q为无重土承载力系数，q为边载，q＝γ×z，D为基础宽度，D＝α×z，α为形状系数，z为船锚的落深，γ为基底以下土体的容重，N_γ为承载力系数，且F_u＝P_u×L×D，L为基础长度，且L＝β×z，β为常数。其中，根据土体的内摩擦角可以从如下的表1中选取对应的N_c、N_q及N_γ，进而得出。

可选地，船锚与土体接触时，基础宽度D随着船锚的落锚深度z的增加而增加，因此，D与z之间具有线性关系，即D＝α×z，α为形状系数。

可选地，基础长度L随着船锚的落锚深度z的增加而增加，因此，L与z之间具有线性关系，即L＝β×z，β为常数。

可选地，边载q随着船锚的落锚深度z的增加而增加，q＝γ×z，γ为基底以下土体的容重。

表1太沙基公式承载力系数表

可选地，在步骤(B)中，F_u＝(c×N_c+z×γ×N_q+0.5×α×z×γ×N_γ)×α×β×z²；在步骤(C)中，根据能量损耗情况：

W₁＝0.125×aα²β×γ×N_γ×z⁴+0.25×bαβ×γ×N_q×z⁴+0.33×dαβ×c×N_c×z³，其中，a、b、d为经验系数。如此，考虑到船锚在下落过程中的能量损耗情况，能够更加准确的对土体对船锚所做的功W₁进行计算，从而能够更加准确的计算出船锚的落锚深度z，进而能够更加合理的得出海底电缆的埋设深度z₁。

可选地，在步骤(D)中，包括：计算预设区域的船锚触底时的速度v，其中，W₂为船锚的浮重，W₂＝Vg×(ρ_s-ρ_w)，m为船锚的质量，m＝V×ρ_s，V为船锚的体积，ρ_s为船锚的密度，g为重力加速度，ρ_w为海水的密度，F_D为海水对船锚的阻力，C_D为阻力系数，A_F为船锚的前端面面积，z₀为船锚落入水中的深度。如此，采用受力分析法对船锚触底时的速度v进行计算，进而能够计算出船锚触底时的动能E_v。

进一步地，将相关参数带入中，从而能够得出对该微分方程进行求解，能够得到船锚触底时的速度v，即

当然，在其他实施例中，还能够根据其他现有的方法计算船锚触底时的速度v，只需满足能够根据船锚触底时的速度v得到船锚触底时的动能E_v即可。

进一步地，在步骤(D)中，且E_v＝A×γ×N_γ×z⁴+B×γ×N_q×z⁴+C×c×N_c×z³，其中，A为土重分项系数，B为边载分项系数，C为黏聚力分项系数。如此，能够对相应计算进行简化。

在一个实施例中，当船锚落入砂土上，砂土的内摩擦角为34°时，黏聚力分项系数C＝0，N_c＝52.8，N_q＝36.6，N_γ＝36，则E_v＝A×γ×N_γ×z⁴+B×γ×N_q×z⁴，根据最小二乘法，A＝8.3，B＝1.5，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴。如此，可以选用内摩擦角为34°的砂土作为预设区域的土体进行试验，从而能够拟合出在砂土上船锚触底时的动能E_v，进而能够反推出船锚在砂土上的落锚深度z，进而能够合理的选择海底电缆在砂土上的埋设深度z₁。

在另一个实施例中，当船锚落入黏土上，黏土的内摩擦角为31.8°时，黏聚力分项系数C＝30.4kPa，N_c＝44.4，N_q＝28.7，N_γ＝28，根据A＝8.3，B＝1.5，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴+C×c×N_c×z³，根据最小二乘法，C＝1，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴+c×N_c×z³。如此，可以选用内摩擦角为31.8°的黏土作为预设区域的土体进行试验，从而能够拟合出在黏土上船锚触底时的动能E_v，进而能够反推出船锚在黏土上的落锚深度z，进而能够合理的选择海底电缆在黏土上的埋设深度z₁。

由于船锚对海底电缆所造成的损伤不仅来自于落锚过程中对电缆的撞击，还来自于撞击过程中受影响的土体对海底电缆的作用力。在步骤(F)中，若z₁＜z，则根据预设区域的土体的水平方向上附加应力σ_x，拟合出动力放大系数A₁；根据动力放大系数A₁计算出预设区域的土体的垂直方向上附加应力根据得到海底电缆埋设深度z₁的最小值。由于垂直方向上附加应力σ_z对海底电缆的影响程度最大，首先根据土体在水平方向上的附加应力拟合出动力放大系数A₁，再根据动力放大系数A₁计算出土体的垂直方向上附加应力从而可以求得落锚过程中对电缆上某一点的影响，再结合电缆的机械强度[σ_电缆]，使落锚过程中电缆的机械强度大于预设区域的土体的垂直方向上附加应力从而求得电缆的最小埋设深度。

进一步地，由拟合得出P为铅垂向作用载荷，x为受影响的点距作用点的水平距离，R为受影响的点距作用点的距离，μ为泊松比。如此，拟合出动力放大系数A₁。

如图2至图5所示，在一个实施例中，选用6.45kg霍尔锚，在30cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝75。

如图6至图9所示，在一个实施例中，选用6.45kg霍尔锚，在60cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝100。

如图10至图13所示，在一个实施例中，选用6.45kg霍尔锚，在90cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝130。

如图14至图17所示，在一个实施例中，选用31.25kg霍尔锚，在30cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝75。

如图18至图21所示，在一个实施例中，选用31.25kg霍尔锚，在60cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝100。

如图22至图25所示，在一个实施例中，选用31.25kg霍尔锚，在90cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝130。

如图26至图29所示，在一个实施例中，选用76.20kg霍尔锚，在30cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝75。

如图30至图33所示，在一个实施例中，选用76.20kg霍尔锚，在60cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A＝100。

如图34至图37所示，在一个实施例中，选用76.20kg霍尔锚，在90cm落高情况下对土体中水平方向上附加应力σ_x理论解与砂土实验结果进行对比，此情况下动力放大系数A₁＝130。

如图38所示，从而可以得知，无论船锚质量是多少都可以由地基中附加应力的计算方法进行计算，且式中的动力放大系数A₁随着落高的增加而不断增加，如此，拟合出动力放大系数的计算公式为：

海底电缆为了免受船锚的损坏，海底电缆的埋设深度z₁越大越好。可选地，在步骤(F)中，还包括：计算船锚的拖锚最大入土深度H₀，使海底电缆的埋设深度z₁大于或等于船锚的落锚深度z与拖锚最大入土深度H₀之和，其中，H₀＝sin(θ)×h，θ为锚爪的最大张角，h为锚爪长度和锚冠长度之和。如此，根据不同类型的船锚计算出其对应的拖锚最大入土深度H₀，当海底电缆埋设深度z₁大于或等于船锚的落锚深度z与拖锚最大入土深度H₀之和，能够完全避免电缆受到船锚的撞击。其中，霍尔锚的锚爪的最大张角为42°，AC-14型锚的锚爪的最大张角为35°。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的约束。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)、获取海底电缆铺设的预设区域的土体的参数、海水的参数以及船锚的参数；

(B)、根据所述预设区域的土体参数，利用太沙基极限承载力公式计算所述预设区域的土体的极限承载力P_u，得出预设区域的土体对船锚的作用力F_u；

(C)、根据所述预设区域的土体对船锚的作用力F_u计算出所述预设区域的土体在落锚过程中对船锚所做的功W₁；

(D)、根据所述预设区域的海水的参数及所述船锚的参数获取船锚触底时的速度v并计算出船锚触底时的动能E_v；

(E)、根据能量守恒定律，W₁＝E_v，得出所述预设区域上船锚的落锚深度z；

(F)、根据所述船锚的落锚深度z，得出海底电缆的埋设深度z₁；其中，若z₁＜z，则计算所述预设区域内的土体的垂直方向上附加应力使土体的垂直方向上附加应力小于电缆的机械强度[σ_电缆]。

2.根据权利要求1所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，在步骤(B)中，P_u＝c×N_c+q×N_q+0.5×D×γ×N_γ，c为土体的粘聚力，N_c及N_q为无重土承载力系数，q为边载，q＝γ×z，D为基础宽度，D＝α×z，α为形状系数，z为船锚的落深，γ为基底以下土体的容重，N_γ为承载力系数，且F_u＝P_u×L×D，L为基础长度，且L＝β×z，β为常数。

3.根据权利要求2所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，在步骤(B)中，F_u＝(c×N_c+z×γ×N_q+0.5×α×z×γ×N_γ)×α×β×z²；在步骤(C)中，根据能量损耗情况，

W₁＝0.125×aα²β×γ×N_γ×z⁴+0.25×bαβ×γ×N_q×z⁴+0.33×dαβ×c×N_c×z³，其中，a、b、d为经验系数。

4.根据权利要求2所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，在步骤(D)中，包括：计算预设区域的船锚触底时的速度v，其中，W₂为船锚的浮重，W₂＝Vg×(ρ_s-ρ_w)，m为船锚的质量，m＝V×ρ_s，V为船锚的体积，ρ_s为船锚的密度，g为重力加速度，ρ_w为海水的密度，F_D为海水对船锚的阻力，C_D为阻力系数，A_F为船锚的前端面面积，z₀为船锚落入水中的深度。

5.根据权利要求4所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，在步骤(D)中，且E_v＝A×γ×N_γ×z⁴+B×γ×N_q×z⁴+C×c×N_c×z³，其中，A为土重分项系数，B为边载分项系数，C为黏聚力分项系数。

6.根据权利要求5所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，当船锚落入砂土上，砂土的内摩擦角为34°时，黏聚力分项系数C＝0，N_c＝52.8，N_q＝36.6，N_γ＝36，则E_v＝A×γ×N_γ×z⁴+B×γ×N_q×z⁴，根据最小二乘法，A＝8.3，B＝1.5，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴。

7.根据权利要求6所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，当船锚落入黏土上，黏土的内摩擦角为31.8°时，黏聚力分项系数C＝30.4kPa，N_c＝44.4，N_q＝28.7，N_γ＝28，根据A＝8.3，B＝1.5，

则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴+C×c×N_c×z³，根据最小二乘法，C＝1，则E_v＝8.3γ×N_γ×z⁴+1.5γ×N_q×z⁴+c×N_c×z³。

8.根据权利要求1至7任一项所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，在步骤(F)中，若z₁＜z，

则根据所述预设区域的土体的水平方向上附加应力σ_x，拟合出动力放大系数A₁；

根据动力放大系数A₁计算出所述预设区域的土体的垂直方向上附加应力根据得到所述海底电缆埋设深度z₁的最小值。

9.根据权利要求8所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，其中，由拟合得出P为铅垂向作用载荷，x为受影响的点距作用点的水平距离，R为受影响的点距作用点的距离，μ为泊松比。

10.根据权利要求1至7任一项所述的海底电缆免受锚害的设计方法，其特征在于，在步骤(F)中，还包括：计算船锚的拖锚最大入土深度H₀，使海底电缆的埋设深度z₁大于或等于船锚的落锚深度z与拖锚最大入土深度H₀之和，其中，H₀＝sin(θ)×h，θ为锚爪的最大张角，h为锚爪长度和锚冠长度之和。