海底電纜拋石堤壩洋流穩定性的試驗研究

張正祥，曾二賢，吳海洋，張 軼

(1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510620；2.中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

1 概述

跨越瓊州海峽500 kV海底電纜線路是我國第一條超高壓、長距離、跨海峽的海底電纜線路。此海底電纜及附件全部由國外進口，投資較大；一旦電纜損壞，維修費用高昂。因此海底電纜的安全保護是聯網工程設計的重要環節。拋石保護法是海底電纜后續保護的備選方案之一，為了驗證該方案的可行性，本文以重力相似準則進行了拋石的極限穩定性試驗，獲取塊體穩定重量、拋石壩形狀、拋石級配等極限設計參數，提出了一些海底電纜拋石保護的設計建議，并在工程中進行實施。

2 計算分析

考慮電纜安全和堆石壩穩定性，本工程堆石壩分兩步進行拋石，采用兩層設計，內層為1"—2"碎石，外層為2"—8"塊石，拋石堤壩基本斷面見圖1，其中梯形斷面上邊寬1.0 m，高度為1.0 m，斜坡比1:2(底坡寬度為5 m)。內層初步保護塊石(1"－2")頂高程為0.5 m。

圖1 拋石堤壩斷面設計尺寸

水流作用下拋石塊體穩定性的計算公式較多,其中著名的公式有伊茲巴什公式、沙莫夫公式等。本研究選用伊茲巴什公式對塊石的穩定重量進行初步計算，公式如下：

式中：Ws為塊石重量；K為系數，一般取0.0155；

ρs為塊石密度，ρ0為水密度；g為重力加速度；v為流速。

為了利于工程單位根據施工、石料等條件選取塊石尺寸，對式(1)進行變換，可得塊石穩定尺寸：

式中：塊石按正方體考慮，單位為英寸('')。

進行拋石塊體設計的一般步驟為：⑴根據工程的水流條件，按公式計算出拋石塊體的穩定重量或尺寸；⑵選取一定安全系數，并據此確定最終的塊石重量或尺寸。安全系數的取值一般在1.0～1.5之間。

這里選取流速v范圍為1.0 m/s ～2.0 m/s，塊石密度ρ范圍為2.4 t/m3～2.7 t/m3，表1給出了典型條件下的塊石穩定尺寸計算結果。在不同安全系數條件下的塊石穩定尺寸與流速關系見圖2、圖3。

表1 典型條件下的塊石穩定尺寸

圖2 安全系數為1.0時塊石穩定重量與流速的關系

圖3 安全系數為1.5時塊石穩定重量與流速的關系

由上述計算結果可知：在極限流速條件2 m/s下，取較高的安全系數1.5范圍內，塊石尺寸應取6''～8''；若取較低的安全系數1.0，則塊石尺寸可取5''～6''，上述分析與試驗結果是符合的。在塊石臨界穩定重量試驗中，6''～8''塊石是穩定的，但4''～6''塊石多處于臨界穩定狀態。

3 試驗內容及設計

3.1 試驗設備

為了有效模擬拋石堤壩在海浪洋流作用下的受力特征，本次試驗在中國海洋大學工程學院海洋工程重點實驗室水動力學試驗室進行。試驗設備包括波流水槽、造波系統、造流系統、測試儀器等組成。

試驗水槽為鋼架結構，長為30 m、寬為0.6 m，高為1 m，槽首安裝造波機、槽尾鋪設消能區，兩側鑲嵌12 mm厚玻璃。

造波系統和造流系統均由計算機全自動控制。造波系統可模擬國內外常用頻譜及自定義頻譜所描述的各類不規則波。造流系統通過計算機控制水泵槳葉轉速，對水槽內的流量進行精細操作，滿足試驗實際的造流狀態。

試驗水槽流速測定采用旋槳式流速儀，波高與波周期的測量主要采用波高儀。數據采集則以SG2000型多功能數據采集及處理系統為平臺。

3.2 模型比尺

水工物理模型試驗是在模型中預演與原型相似的水流現象以觀測分析研究水流運動規律的手段，鑒于海流及波浪主要受重力作用，本模型依據重力相似準則進行設計，原型與模型的比尺佛汝德數相等，即：

式中：Fr為佛汝德數；L為長度；T為時間；g為加速度。

根據海流、波浪等環境動力因素、拋石堤壩斷面的幾何尺寸、試驗儀器精度、現有水槽設備條件及必須滿足的相似準則，綜合考慮確定試驗中的長度比尺λ=25，則由重力相似準則得出速度比尺λv=λ1/2=5，時間比尺λt=λ1/2=5。

3.3 試驗步驟

斷面試驗模型按照幾何相似準則制作，塊石石料均取自海南當地石料場，按尺寸進行精心篩分，精度按規范要求確定。

按照模型幾何比尺，并預留預備尺寸，試驗中對火山巖和玄武巖分別進行了篩分，對應的塊石原型尺寸共8組，分別為0"～1"、1"～ 2"、2"～ 3"、3"～ 4"、4"～ 6"、6"～ 8"、8"～ 10"、10"～ 12"。

散拋塊石自然坡角斷面形式的擺放是在水中完成的，選取直徑為4 cm(原型1 m)的直管，上端連接漏斗，進行散拋成坡，散拋完成后，不進行任何理坡操作。

在試驗中，海底電纜被埋置于拋石堤壩內部，選用鋼條作為電纜替代品，其直徑按幾何比尺取值約為0.6 cm。其中，斷面整體穩定性試驗選用的是紅色鋼條，堤壩間距試驗選用紅黃相間鋼條，黃色埋入堤壩，紅色露出。

在開展試驗之前，尚需進行如下測試：

(1)海流試驗：在試驗進行過程中，通過計算機自動控制造流泵轉速進行加壓，待自然穩定后，再逐級加大到設計流速進行正式試驗。

在較低的流速條件下，通過觀察，確認試驗中未出現塊石滾落等明顯破壞現象，則海流累計作用時間為0.5 h。若試驗中出現塊石滾落現象，則海流的累積作用時間按照一次漲潮或落潮歷時確定。該海區的潮汐性質為正規全日潮，即本海區多數情況下一天出現一次高潮和一次低潮。根據上述潮汐特點及模型試驗的時間比尺，各工況海流作用累積作用時間為2.5 h。

(2)波流共同作用試驗：試驗中海流流速取2.0 m/s(原型值)，波浪模擬采用規則波，其累積作用時間根據當地海區暴風浪和臺風浪的大浪持續時間進行計算，按時間比尺進行換算后不少于30 min(原型2～3 h)。規則波的模型試驗采用累積造波方法，當反射波到達造波板前立即停止造波，待水面相對平穩后，再行造波。

(3)拋石工藝試驗：每次拋石重量均按250 g確定。在典型水深條件下，根據施工工藝確定，漏斗管底高度分別為8 cm(原型2 m)、20 cm(原型5m)，一次拋石時間約為30～40s。

4 試驗結果及分析

4.1 拋石塊體極限穩定重量試驗

拋石塊體極限穩定物理模型試驗內容及工況見表2。

表2 拋石塊體極限穩定模型試驗工況

其中：序號1試驗目的是驗證拋石堤壩在不同流速海流條件1.0 m/s～2.0 m/s下拋石塊體穩定性。

不同尺寸塊石在典型水深條件下的堤壩斷面試驗結果表明：

(1)火山巖與玄武巖尺寸選擇在6"～8''、8"～10''、10"～12''時，流速范圍為1.0 m/s～2.0 m/s條件下未見外層拋石出現掀動和滾動，斷面整體穩定，形狀未發生明顯改變。

(2)火山巖與玄武巖在3"～4''、4"～6''尺寸條件下，當流速為1.0 m/s～1.6 m/s時，未見外層拋石出現掀動和滾動，斷面整體穩定，形狀未發生明顯改變。

當尺寸為4"～6''，流速為1.8 m/s～2.0 m/s時和尺寸為3"～4''，流速為1.0 m/s～1.6 m/s時，火山巖與玄武巖在迎流面肩角位置個別塊石發生掀動，未見塊石滾落；當尺寸為3"～4''流速為1.8 m/s時，火山巖與玄武巖在迎流面肩角位置個別塊石發生滾落；當流速為2.0 m/s時，火山巖與玄武巖在迎流面肩角位置可見塊石發生掀動和滾落，火山巖斷面形狀發生輕微變形，肩角變為流線形，玄武巖變化較小。

(3)在1"～2''、2"～3''尺寸條件下，當流速為1.0 m/s～1.4 m/s時，未見外層拋石出現掀動和滾動，斷面整體穩定，形狀未發生明顯改變。

當尺寸為2"～3''，流速逐漸增大至2.0 m/s時，火山巖與玄武巖斷面上塊石狀況逐漸由掀動發展至明顯滾落，梯形斷面形狀發生明顯改變，斷面形狀前后變化見圖4。

圖4 2''～3''塊石堤壩形狀試驗前后對比示意圖

當尺寸為1"～2"，流速逐漸增大至2.0 m/s時，火山巖與玄武巖梯形斷面整體破壞，部分試驗工況中，內層拋石所保護的海底電纜露出。

4.2 拋石堤壩斷面穩定性試驗

拋石堤壩斷面穩定性模型內容及工況見表3。

表3 拋石堤壩斷面穩定性模型試驗工況

其中：序號2試驗是針對火山巖、玄武巖2種材料組成的內層拋石尺寸為1"～2"，外層為2"～8"的拋石堤壩，其中2"～4"、4"～6"、6"～8"三種塊石的級配比例為2:1:1，在5 m、10 m、15 m、20 m及以上水深條件下，驗證拋石堤壩在不同流速海流條件下整體穩定性；序號3試驗是驗證指定拋石堤壩設計斷面在10 m水深條件時，在極限海流條件(2 m/s)及極限波高條件共同作用下護面塊石及整體穩定性。在風暴潮與極限流速共同作用下的斷面穩定性考察中，波浪條件按照當地風暴潮資料確定的最大波周期(6.1 s)，取理論破碎深度(10 m，該水深為拋石工程的最小水深)確定的極限波高(4.1 m)進行試驗。

不同尺寸塊石在典型水深條件下的堤壩斷面試驗結果表明：

(1)拋石堤壩在設計條件下，1.0～1.6 m/s流速作用時，外層拋石未見掀動和滾落，斷面整體穩定。

(2)當流速增大至1.8 m/s時，部分工況可見塊石發生掀動，斷面整體基本穩定，但迎流面肩角處會在海流作用下變為流線型。

(3)當流速達到2.0 m/s時，可見塊石發生掀動和滾落，火山巖與玄武巖整體斷面形狀均有改變，整體高度略有下降，梯形斷面在水流作用下呈現出流線型變化，特別是在迎流面一側肩部，該現象較為明顯。

(4)在10 m水深條件下，極限流速與極限波高共同作用時，火山巖壩體肩部塊石有掀動，迎浪面一側有較多塊石發生滾落；玄武巖壩體肩部塊石有掀動，迎浪面一側有個別塊石發生滾落。壩體形狀在波流共同作用下發生改變，整體高度有所下降，迎浪面一側肩角部分堤段下降明顯，但仍保持較高的整體性。

4.3 拋石堤壩間距穩定性試驗

拋石堤壩分段不同間距穩定性試驗的工況見表4。

表4 拋石堤壩分段不同間距穩定性試驗工況

序號4試驗是針對火山巖、玄武巖組成的內層拋石尺寸為1"～2"，外層為2"～8"的拋石堤壩，在5 m，10 m，15 m，20 m及以上水深條件下，驗證拋石堤壩在坡腳間距分別為11 m、8 m、4 m、1 m情況時，不同流速海流條件下的穩定性。

根據試驗結果分析可知：各間距條件下火山巖與玄武巖在流速1.0 m/s～1.4 m/s范圍內，堤頭未見明顯塊石掀動和滾落，堤頭整體穩定，未見破壞。當流速由1.6 m/s增大至1.8 m/s時，堤頭順流面可見塊石掀動和滾落。當流速大于1.8 m/s時，各間距各水深條件下，迎流面坡腳均出現沖蝕現象，其中間距為4 m時該現象最為嚴重。

4.4 拋石堤壩級配穩定性試驗

拋石堤壩級配穩定性的試驗工況見表5。

表5 拋石堤壩級配穩定性試驗工況

序號5試驗是針對火山巖、玄武巖組成的外層石料2"～4"、4"～6"、6"～8"三種石料體積比分別為2:1:1、1:1:1、1:1:2在20 m及以上水深條件下，驗證拋石堤壩在不同流速海流條件下穩定性。

拋石堤壩級配穩定性試驗結果表明：兩種石料在兩個級配條件下流速為1.0 m/s～1.4 m/s范圍內，拋石堤壩未見塊石掀動和滾落，斷面基本穩定。在1.6 m/s～2.0 m/s范圍內，拋石堤壩可見個別塊石掀動和滾落，斷面未見明顯改變，級配比為1:1:1和1:1:2的整體區別不大。

4.5 試驗結論

(1) 在設計梯形斷面條件下，在流速不大于1.4 m/s時，各尺寸石料均未出現掀動和滾落，斷面整體基本穩定。極限海流條件2 m/s下，火山巖與玄武巖在尺寸小于6"時，可見明顯塊石滾落，堤身變形明顯；當尺寸大于6"時，兩類石料僅見個別掀動，斷面基本無變形。因此，在當前環境動力條件下，6"～8"以上尺寸塊石穩定，4"～6"塊石處于臨界穩定狀態。

⑵ 在內層拋石為1"～2"、外層拋石為2"～8"情況下，火山巖與玄武巖拋石堤壩在極限海流條件下整體斷面基本穩定，未見明顯破壞及堤心石與海底電纜外露。在較大的水深條件下，火山巖與玄武巖斷面整體在水流作用下塊石會進一步壓實，產生不均勻下降現象。

(3) 拋石堤壩在典型水深條件10 m，并且極限海流與極限波高共同作用條件下，火山巖與玄武巖均失穩，堤壩頂面均見明顯塊石滾落，斷面整體也會產生不均勻下降。

(4)內層拋石斷面在不大于1.6 m/s海流條件下基本穩定，在大于1.6 m/s海流條件下，斷面失穩；當海流流速達到2.0 m/s時，火山巖斷面完全破壞，海底電纜外露；當海流流速達到2.0 m/s時，玄武巖斷面雖然海底電纜未外露，但拋石斷面結構已完全破壞。

(5)在內層拋石為1"～2"、外層拋石為2"～8"情況下，不同堤間距試驗條件下堤腳均有不同程度沖刷，在極限流速條件2.0 m/s下，斜坡坡面塊石有滾落，4 m間距沖刷程度最大，但整體形狀基本穩定。

(6)各級配條件下拋石堤壩斷面整體基本穩定，級配比為1:1:1和1:1:2的整體區別不大。

5 工程實施

跨越瓊州海峽500 kV海底電纜拋石保護工程于2011年8月開始進行，同年12月底完成，共計拋石22.6 km，拋石總量約28萬t。在實施當中還采取了以下措施確保施工安全和壩體穩定：

(1) 塊石選用無風化的高強度的新鮮玄武巖石料，比重為2.7，外層拋石塊石尺寸選擇范圍在2"～8"。綜合考慮施工工藝等條件，外層拋石2"～4"、4"～6"、6"～8"塊石級配比例建議選取1:1:1。

(2) 堤心石拋填應選擇海流流速不大于1.4m/s的時間段施工，且盡量縮短堤心石拋填與外層護面塊石的施工時間間隔，保證海底電纜工程安全。

(3) 當水深小于15 m時，風暴潮波浪影響明顯，此條件下不能采用拋石保護方式。結合施工船的施工能力，在水深大于20 m的地方才進行拋石。

6 結語

工程完工后，于2013年5月對海纜進行了綜合檢測，檢測結果表明：大部分拋石石壩的平均檢測厚度大于原設計厚度，只有局部厚度變淺情況，說明拋石石壩在長期的洋流作用下基本穩定。今后將在下一個檢測周期時再對壩體進行測量，并進行對比分析，進一步考查壩體穩定性。

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