水下电缆保护体的尺度设计方法技术

本发明专利技术涉及一种水下电缆保护体的尺度设计方法，包括以下步骤：(A)、确定电缆施工位置和电缆施工位置的保护方案；(B)、选取护底块石的最小稳定质量；(C)、计算锚爪的刺入深度；(D)、计算保护体的深度H和宽度B；(E)、校核保护体的深度和宽度设计，首先电缆施工位置和保护方案，接着确定护底块石的最小稳定质量，通过第一方程组得出锚爪的刺入深度，根据第二方程和第三方程得出保护体的深度和宽度，完成保护体的尺度设计，最后对保护体的尺度设计进行校核，根据地质种类及锚的尺寸进行设计保护体的尺度，并根据保护方案施工使海底电缆保护体的尺度设计规范化标准化，避免靠经验设计而造成没有统一设计标准的情况。

Scale Design Method of Underwater Cable Protector

The invention relates to a scale design method of underwater cable protector, which includes the following steps: (A) determining the protection scheme of cable construction location and cable construction location; (B) selecting the minimum stable mass of bottom rock; (C) calculating the penetration depth of anchor claw; (D) calculating the depth H and width B of the protector; (E) checking the depth and width design of the protector, and first cable construction. Work location and protection scheme, then determine the minimum stable mass of the bottom rock, get the penetration depth of the anchor claw through the first equation group, get the depth and width of the protective body according to the second equation and the third equation, complete the scale design of the protective body, finally check the scale design of the protective body, design the scale of the protective body according to the geological type and the size of the anchor, and root. According to the construction of protection scheme, the scale design of submarine cable protector is standardized and standardized, so as to avoid the situation that there is no unified design standard due to experience design.

【技术实现步骤摘要】
水下电缆保护体的尺度设计方法
本专利技术涉及电缆
，特别是涉及一种水下电缆保护体的尺度设计方法。
技术介绍
随着水下电缆线路数量的不断增加，水下电缆在近海区域由于船锚钩挂造成的故障日益频繁。上世纪80年代初，美国能源部针对世界各地水域在1879～1980年间发生的1061起水下电缆事故进行了统计分析。结果表明：除去水下电缆自身的腐蚀磨损，渔船日常作业、放锚等活动所造成的损害占到了水下电缆事故的绝大部分。水下电缆受到的锚害形式主要有两种：第一种是以一定速度下落的船锚侵彻电缆上方的保护层，直接破坏电缆；第二种是船锚在拖锚时从侧面侵彻防护层并最终与电缆接触，从而将电缆拖断。在水下电缆输电工程建设中，实施电缆后续抛石保护措施已在各国的水下电缆工程建设中得到了广泛应用。尤其是针对水下电缆在复杂水下地质条件下形成的悬空段，通过实施抛石填充所形成的石料堆积体，使水下电缆运行环境得到有效改善和稳固，避免了水下电缆在水流作用下，长期疲劳运动或与水体底床产生摩擦而造成电缆绝缘介质破坏。保护体尺度设计是水下电缆建设中的关键环节之一，抛石体尺度直接关系到水下电缆建设的工期、造价甚至成败。目前水下电缆抛石体保护设计尚无统一的方法，专家根据各个工程水文地质因素的适应性依次分别选择，最后可能造成同一种工程地质因素有不同的抛石体尺度，这时就主要靠专家的个人经验选择，不同专家所考量的因素也不相同，主观因素较大，这种经验方法没有考虑各工程地质因素的关联性，造成结果不明确统一，不利于水下电缆保护体设计施工的规范和统一。
技术实现思路
基于此，有必要针对海底电缆设计施工主要靠专家经验的问题，提供一种海底电缆保护体的尺度设计方法。其技术方案如下：一种水下电缆保护体的尺度设计方法，包括以下步骤：(A)、根据水下地质特点和电缆位置，确定电缆施工位置及电缆施工位置的保护方案；(B)、根据电缆施工位置的水下流速选取护底块石的最小稳定质量；(C)、选定电缆施工位置经过的最大船舶的锚，建立锚爪与保护体之间受力的第一方程组，基于锚爪和护底块石的最小稳定质量计算锚爪的刺入深度；(D)、设计在第一次拖锚已经破坏保护体表面的情况下，保证第二次拖锚电缆仍然安全的保护体，根据锚爪的刺入深度与保护体之间的位置关系建立关于保护体深度的第二方程、及关于保护体宽度的第三方程，并基于锚爪的刺入深度和护底块石的最大粒径计算保护体的深度H和宽度B，第二方程为：H＝(hf/Lf+h影/Lf)Lf+Dmax，第三方程为：B＝[β″+h影/Lf)Lf+Dmax]·2，其中，hf/Lf为第二次拖锚刺入深度系数，h影/Lf为第一次拖锚对抛石保护层表面破坏系数，β″为第二次拖锚刺入宽度系数，Dmax为护底块石的最大粒径；(E)、根据锚爪的单位宽度水平作用力和底面抗滑力之间的关系建立不等式校核保护体的深度和宽度设计。上述水下电缆保护体的尺度设计方法，首先根据水下地质特点和电缆位置确定电缆施工位置及电缆施工位置的保护方案，接着确定护底块石的最小稳定质量，通过第一方程组得出锚爪的刺入深度，根据第二方程和第三方程得出保护体的深度和宽度，完成保护体的尺度设计，最后对保护体的深度和宽度进行校核，该设计方法根据地质种类及锚的尺寸设计保护体的尺度，并根据保护方案施工使海底电缆保护体的尺度设计方案规范化标准化，避免靠经验设计而造成没有统一设计标准可能影响施工标准化的情况。下面进一步对技术方案进行说明：在其中一个实施例中，步骤(A)中，保护方案的确定采用如下方式：若水下地质种类为水下岩石地基，则采用明埋式保护方案；若水下地质种类为淤泥质土地基，则采用暗埋式保护方案；若水下地质种类为砂土或硬黏土，则采用混合式保护方案。根据不同的地质类型，因地制宜的采用不同的保护方案，以确保保护体能够充分发挥对电缆的保护作用。在其中一个实施例中，采用混合式保护方案时，先在砂土或硬黏土层采用暗埋式保护方案设置第一保护体，再在第一保护体上采用明埋式保护方案设置第二保护体。混合式保护方案针对砂土或硬黏土的地质类型，这种地质类型可能会使电缆在自重作用下陷入泥面以下一定深度，单独使用暗埋式保护方案，保护层厚度不足，故此时综合使用暗埋式保护方案和明埋式保护方案结合的混合式保护方案则更能够保障电缆在水下的安全。在其中一个实施例中，步骤(B)中，水下流速为波浪底流速和水流底流速的叠加。给出水下流速的确定方式，综合考虑波浪和水流的情况以增加设计的准确性。在其中一个实施中，保护体的位置的波浪底流速计算公式为：其中，V为波浪底流速，H为计算波高，L为计算波长，d为堤前水深，g为重力加速度。在考虑计算波高、计算波长和堤前水深的基础上建立波浪底水流速数学模型，便于对波浪底流速的计算，提高尺度设计方法的标准性和统一性。在其中一个实施例中，步骤(C)中，第一方程组包括水平力平衡方程和竖直力平衡方程，根据锚爪在保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平衡分别建立水平力平衡方程和竖直力平衡方程：水平力平衡方程为：竖直力平衡方程为：其中：Ta是拖锚拉力，Fz为锚运动受到的摩擦阻力，Ff1为锚爪受到的被动土压力，β为锚爪与水平面夹角，δ为外摩擦角，Ff2为锚冠受到的被动土压力，为内摩擦角，Wa为锚自重，N为锚受到的支持反力，且第一方程组还包括用于计算水平力平衡方程和竖直力平衡方程的第一附属方程、第二附属方程、第三附属方程和第四附属方程，第一附属方程为：第二附属方程为：Ff1＝0.5KKp1γhf2(L1+Bf)，第三附属方程为：Ff2＝0.5KKp2γhg2Lg，第四附属方程为：Fz＝[N+0.5Khf2/tanβ(L1+Bf)*γ]*tanδ′，其中，Kp为库伦被动土压力系数，为堆石内摩擦角，α'为墙背与竖直线之间的倾角，δ'为墙背与填土之间的摩擦角，β'为填土面与水平面之间的倾角，K为被动土压力放大系数，Kp1为锚爪被动土压力系数，Kp2为锚冠被动土压力系数，Kp1和Kp2通过第一附属方程采用不同的α'计算得到，γ为堆石的重度，hf为锚爪的刺入深度，L1为锚爪间的距离，Bf为锚爪宽度，Lg为锚冠的长度，hg与hf之间存在几何相关性。根据锚爪在保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平衡分别建立水平力平衡方程和竖直力平衡方程，从而联立方程组解得锚爪的刺入深度。在其中一个实施例中，计算得出锚爪的刺入深度后，还根据锚爪在保护体中的力矩平衡建立第四方程、以对锚爪刺入深度的计算正确性进行校核。通过第四方程对第一方程组的建模和锚爪刺入深度的计算准确性进行校核，确保设计方法的准确性。在其中一个实施例中，在步骤(D)中，护底块石的粒径根据步骤(B)中确定的护底块石的最小稳定质量和密度计算得出。根据水下流速在步骤(B)中选定护底块石的最小稳定质量后，结合护底块石的密度，即可通过质量、密度与体积之间的关系计算得出护底块石的最大粒径。在其中一个实施例中，步骤(E)中，根据锚的单位宽度水平作用力和锚的底面抗滑力之间的关系判断保护体的尺度设计是否满足要求。给出了校核保护体尺度设计方法准确性的校核方法，提高尺度设计的准确性和统一性。在其中一个实施例中，判断保护体的尺度设计是否满足要求的方法是：当采用明埋式保护方案时，采用第一判别式，第一判别式为：F底抗滑≥KF锚，当采用暗埋式保护方案时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(A)、根据水下地质特点和电缆位置，确定电缆施工位置及所述电缆施工位置的保护方案；(B)、根据所述电缆施工位置的水下流速选取护底块石的最小稳定质量；(C)、选定所述电缆施工位置经过的最大船舶的锚，建立锚爪与保护体之间受力的第一方程组，基于所述锚爪和所述护底块石的最小稳定质量计算所述锚爪的刺入深度；(D)、设计在第一次拖锚已经破坏保护体表面的情况下，保证第二次拖锚电缆仍然安全的保护体，根据所述锚爪的刺入深度与保护体之间的位置关系建立关于保护体深度的第二方程、及关于保护体宽度的第三方程，并基于锚爪的刺入深度和护底块石的最大粒径计算保护体的深度H和宽度B，所述第二方程为：H＝(hf/Lf+h影/Lf)Lf+Dmax，所述第三方程为：B＝[(β″+h影/Lf)Lf+Dmax]·2，其中，hf/Lf为第二次拖锚刺入深度系数，h影/Lf为第一次拖锚对抛石保护层表面破坏系数，β″为第二次拖锚刺入宽度系数，Dmax为护底块石的最大粒径；(E)、根据锚爪的单位宽度水平作用力和底面抗滑力之间的关系建立不等式校核保护体的深度和宽度设计。

【技术特征摘要】
1.一种水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(A)、根据水下地质特点和电缆位置，确定电缆施工位置及所述电缆施工位置的保护方案；(B)、根据所述电缆施工位置的水下流速选取护底块石的最小稳定质量；(C)、选定所述电缆施工位置经过的最大船舶的锚，建立锚爪与保护体之间受力的第一方程组，基于所述锚爪和所述护底块石的最小稳定质量计算所述锚爪的刺入深度；(D)、设计在第一次拖锚已经破坏保护体表面的情况下，保证第二次拖锚电缆仍然安全的保护体，根据所述锚爪的刺入深度与保护体之间的位置关系建立关于保护体深度的第二方程、及关于保护体宽度的第三方程，并基于锚爪的刺入深度和护底块石的最大粒径计算保护体的深度H和宽度B，所述第二方程为：H＝(hf/Lf+h影/Lf)Lf+Dmax，所述第三方程为：B＝[(β″+h影/Lf)Lf+Dmax]·2，其中，hf/Lf为第二次拖锚刺入深度系数，h影/Lf为第一次拖锚对抛石保护层表面破坏系数，β″为第二次拖锚刺入宽度系数，Dmax为护底块石的最大粒径；(E)、根据锚爪的单位宽度水平作用力和底面抗滑力之间的关系建立不等式校核保护体的深度和宽度设计。2.根据权利要求1所述的水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，所述步骤(A)中，所述保护方案的确定采用如下方式：若水下地质种类为水下岩石地基，则采用明埋式保护方案；若水下地质种类为淤泥质土地基，则采用暗埋式保护方案；若水下地质种类为砂土或硬黏土，则采用混合式保护方案。3.根据权利要求2所述的水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，采用所述混合式保护方案时，先在砂土或硬黏土层采用暗埋式保护方案设置第一保护体，再在所述第一保护体上采用明埋式保护方案设置第二保护体。4.根据权利要求1所述的水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，所述步骤(B)中，水下流速为波浪底流速和水流底流速的叠加。5.根据权利要求4所述的水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，所述保护体的位置的波浪底流速计算公式为：其中，V为波浪底流速，H为计算波高，L为计算波长，d为堤前水深，g为重力加速度。6.根据权利要求2所述的水下电缆保护体的尺度设计方法，其特征在于，所述步骤(C)中，所述第一方程组包括水平力平衡方程和竖直力平衡方程，根据锚爪在所述保护体中的水平方向力平衡和竖直方向力平...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈峰，徐伟，曹波，肖志军，聂卫平，郑志源，黄寅茂，高媛，黎予颖，
申请(专利权)人：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44