瓊州海峽電纜保護拋石偏移量的試驗研究

劉曉青，紀君娜，劉 臻

（1.中交煙臺環保疏浚有限公司，煙臺 264000；2.山東省膠東調水工程棘洪灘水庫管理處，青島 266111；3.中國海洋大學工程學院，青島 266100）

瓊州海峽電纜保護拋石偏移量的試驗研究

劉曉青1，紀君娜2，3，劉 臻3

（1.中交煙臺環保疏浚有限公司，煙臺 264000；2.山東省膠東調水工程棘洪灘水庫管理處，青島 266111；3.中國海洋大學工程學院，青島 266100）

為保護瓊州海峽海底電纜免受破壞，擬對海底電纜采用拋石保護法。由于海域存在潮流等動力因素，塊石沉降過程會發生偏移。文章以通過垂直深入水下的管道完成散拋的塊石偏移量為研究內容，根據自然資料、設計資料和重力相似準則進行物理模型試驗，通過試驗考察了塊石偏移量與塊石種類、塊石尺寸、水平流速和漏斗底高度之間的關系，分析了塊石種類、尺寸、流速和漏斗底高度對偏移量的影響。

海底電纜；散拋塊石；水工試驗；偏移量；瓊州海峽

海底電纜輸電工程是跨海域聯網工程建設的重要組成部分，在實現電網國際化、區域電網互聯進程中起著重要作用。但由于船舶拋錨、漁船拖網及海流作用下海底電纜的疲勞運動和磨損等原因，海底電纜經常遭受破壞。海底電纜一旦損壞，維修困難，費用高昂，造成的影響和損失巨大，因此必須對海底電纜實施保護措施。常用的保護措施包括埋深、沖埋、套管和拋石等。瓊州海峽500 KV海底電纜是我國第一條超高壓、長距離、跨海峽的海底電纜線路［1-2］。海底電纜保護方案確定為全程掩埋，埋深1.5～2.0 m，由于海床地質原因，部分地段海床地質基本為硬土，間有少量巖石，該地段海底電纜埋深未達設計要求，而且部分海底電纜存在懸空段，擬對該部分電纜采用拋石保護法。拋石由挪威Nexans公司專業拋石船可下探至100 m水深的管道完成，該管道端部由ROV控制，可實現自動控制精細拋石。工程海域水深范圍40～100 m，拋石管道管口距海底位置由施工工藝確定。由于拋石工程所在海域存在潮流、余流等動力因素，散拋塊石在沉降過程中會產生偏移，對拋石工程的質量和可靠性產生較大的影響。為保證拋石工程的精確性，對瓊州海峽海底電纜散拋塊石偏移量進行物理模型試驗，獲得偏移量結果并分析偏移量影響因素，為拋石施工提供參考。

1 物理模型試驗

1.1 試驗設備

本次試驗在中國海洋大學工程學院山東省海洋工程重點實驗室水動力學試驗室的波流水槽進行。該水槽長30 m，寬0.6 m，高1 m，采用軸流式及離心式水泵造流，可對水槽內流量進行精細操作，最大造流能力可達0.2 m3/s，可滿足試驗要求。試驗采用旋漿式流速儀率定、測量流速，以SG2000型多功能數據采集及處理系統平臺進行數據采集，試驗設備如圖1～4所示。

1.2 試驗設計

1.2.1 相似準則及模型比尺

在流體力學中，有自由水面并且允許水面上下自由變動的各種流動均為重力起主要作用的流動。因此，海流主要受重力作用，本模型比尺按照重力相似準則進行設計［3］。根據國家海洋局南海海洋調查技術中心資料，實測表層最大潮流流速達到1.83 m/s，底層流速最大為1.40 m/s，潮流為東西向；余流表層最大流速0.39 m/s，最大底層流速為0.24 m/s，余流基本為東西向。根據挪威公司拋石船工作條件為近底海流不宜大于1.0 m/s，因此原型近底最大水流流速考慮為1.0 m/s。綜合考慮潮流、余流等環境動力因素、散拋塊石尺寸、試驗儀器精度、水槽等試驗設備條件，確定物理模型長度比尺為25，速度比尺為5，時間比尺為5。

圖1 離心式造流泵Fig.1 Centrifugal flow pump

圖2 波流水槽Fig.2 Wave current tank

圖3 旋槳式流速儀Fig.3 Propeller type current meter

圖4 SG2000智能數據采集系統Fig.4 SG2000 intelligent data collection system

1.2.2 試驗內容

實際工程中，散拋塊石經專業拋石施工船輸送帶輸送至料斗口，通過已安裝的拋石導管進行精確拋石［4］，物理模型試驗根據Nexans拋石船施工工藝與管道特征，設計了漏斗狀塊石拋填工具（如圖5所示）對塊石進行拋填。漏斗底部距底面的距離為漏斗底高度H，漏斗底高度H按照長度比尺，由實際工程中拋石管道管口距底面高程確定，拋石工具放置示意圖如圖6所示。在典型水深條件下，根據實際施工工藝確定物理模型試驗采用模型數據如下：每次拋石重量均為250 g，漏斗管底高度H分別為8 cm（原型2 m）、20 cm（原型5 m），一次拋石時間約為30～40 s。拋石收納工具（如圖7所示）與水槽斷面同寬（60 cm），長度為40 cm，共10格，每格4 cm，原型寬度為1 m。通過計量拋石收納工具各格內的塊石干重量，即可獲得不同粒徑在不同起拋高度和施工流速條件下的偏移量，塊石在拋石收納工具內分布效果如圖8所示。

圖5 拋石工具Fig.5 Riprap tool

圖6 拋石工具放置示意圖Fig.6 Sketch of riprap tool

為探究塊石種類（塊石比重）、尺寸、起拋高度及流速對偏移量的影響，采用不同尺寸1"～2"、2"～ 3"、3"～4"、4"～6"、6"～8"、混合料（原型）的火山巖和玄武巖塊石，在不同漏斗底高度2.0 m、5.0 m（原型）和流速0.5 m/s、1.0 m/s（原型）條件下進行試驗，測得偏移量。為消除拋石形狀不規則性造成塊石下沉過程中造成的偏移對試驗結果的干擾，每組工況均在流速為0（即靜水）情況下進行拋石試驗，獲得塊石分布情況，作為試驗的比對基礎。試驗工況如表1所示。

施工船具備2個石料倉，共裝載石料4 t［5］，因此根據模型比尺確定試驗各工況在試驗中一次投放散拋塊石的重量為250 g（模型值）。混合料中2"～4"、4"～6"、6"～8"尺寸的塊石級配比例分別為2∶1∶1。每組工況進行三次重復性試驗，減小試驗誤差，充分反映規律。

2 試驗結果及分析

試驗中通過觀察散拋塊石在拋石收納工具上的分布情況發現塊石均向水流下游方向偏移，而靜水對比試驗中塊石主要集中在管口正下方，上下游均有少量塊石分布，且數量相近。對試驗結果進行測量統計，得到塊石的偏移量（規定塊石向下游偏移偏移量為正，反之為負）。

各尺寸火山巖（含混合料）在2.0 m漏斗底高度與0.5 m/s流速條件下0 m、1 m 和2 m偏移量百分比圖如圖9所示。由圖可知，隨著塊石尺寸增加，偏移量為0 m百分比逐漸增加，偏移量為1 m和2 m的百分比逐漸減小。火山巖塊石整體偏移量隨著塊石尺寸的增加而減小，當塊石尺寸超過6"后，塊石偏移量2 m的情況消失，塊石落點范圍更加集中。混合料偏移量較6"～8"尺寸塊石略有增加，分析原因為混合料中小尺寸塊石偏移量較大原因造成。

圖7 拋石收納工具Fig.7 Riprap containing tool

圖8 拋石收納工具內塊石分布圖Fig.8 Distribution of rock in riprap containing tool

各尺寸玄武巖（含混合料）在2.0 m漏斗底高度與0.5 m/s流速條件下0 m、1 m和2 m偏移量百分比圖如圖10所示。各尺寸玄武巖塊石（含混合料）在各偏移量百分比基本持平，整體偏移量基本相同，偏移量受塊石尺寸影響較小。

對比分析圖9和圖10發現，1"～6"內相同尺寸的玄武巖塊石整體偏移量遠遠小于火山巖，但6"～8"尺寸玄武巖塊石偏移量遠大于火山巖，兩類塊石混合料偏移量基本相同。

在漏斗底高度為2.0 m條件下，1"～2"、2"～3"、3"～4"火山巖塊石在0.5 m/s和1.0 m/s流速下偏移量百分比如圖11、圖12、圖13所示。0.5 m/s流速下塊石偏移量主要集中在0 m和1 m，偏移量為1 m的塊石百分比最大，極限偏移量不超過2 m；1.0 m/s流速下塊石偏移量至少為1 m，偏移量主要集中在1 m、2 m和3 m，塊石極限偏移量較大，1"～2"塊石可達8 m，2"～3"塊石可達6 m。塊石偏移量隨著水平流速增加而增加，水平流速對塊石偏移量影響較大。

在1.0 m/s流速條件下，1"～2"、2"～3"、3"～4"火山巖塊石在2.0 m和5.0 m漏斗底高度偏移量百分比如圖14、圖15、圖16所示。漏斗底高度為2.0 m時，塊石偏移量主要集中在1～4 m，1"～2"塊石極限偏移量不超過8 m；漏斗底高度為5.0 m時，塊石偏移量主要集中在3～7 m，1"～2"塊石極限偏移量達到10 m。塊石偏移量隨著漏斗底高度增加而增加，漏斗底高度對塊石偏移量影響較大。

表1 散拋塊石偏移量試驗工況一覽表Tab.1 Experiment conditions

圖9 各尺寸火山巖塊石偏移量百分比圖（0.5 m/s，H=2 m）Fig.9 Comparison of offset of volcanic rock for each size

圖10 各尺寸玄武巖塊石偏移量百分比圖（0.5 m/s，H=2 m）Fig.10 Comparison of offset of basalt rock for each size

圖11 1"～2"火山巖塊石不同流速下偏移量百分比圖（H=2 m）Fig.11 Comparison of offset of 1"～2"volcanic rock under different velocities

圖12 2"～3"火山巖塊石不同流速下偏移量百分比圖（H=2 m）Fig.12 Comparison of offset of 2"～3"volcanic rock under different velocities

圖13 3"～4"火山巖塊石不同流速下偏移量百分比圖（H=2 m）Fig.13 Comparison of offset of 3"～4"volcanic rock under different velocities

圖14 1"～2"火山巖塊石不同漏斗底高度偏移量百分比圖（1.0 m/s）Fig.14 Comparison of offset of 1"～2"volcanic rock under different values of H

圖15 2"～3"火山巖塊石不同漏斗底高度偏移量百分比圖（1.0 m/s）Fig.15 Comparison of offset of 2"～3"volcanic rock under different values of H

圖16 3"～4"火山巖塊石不同漏斗底高度偏移量百分比圖（1.0 m/s）Fig.16 Comparison of offset of 3"～4"volcanic rock under different values of H

3 結論

根據上述試驗結果分析，綜合考慮施工工藝和內外層散拋塊石尺寸的選擇［6］，可得出如下結論：

（1）在施工條件允許的情況下選擇水流流速較小的時候進行施工，并盡可能降低漏斗底高度，降低塊石的起拋高度，減小散拋塊石偏移量，保證拋石工程的精確與可靠性。

（2）在內層拋石尺寸為1"～2"，外層拋石2"～8"情況下，內層拋石選擇偏移量相對較小的玄武巖塊石，外層拋石可選擇2"～6"玄武巖塊石和6"～8"火山巖塊石分別進行拋投；

（3）根據試驗結果布置拋石船拋石管道的平面位置。內層拋石選取1"～2"玄武巖塊石，在H=2 m、流速為0.5 m/s條件下，塊石偏移量主要集中在1～2 m，拋石管道可布置于海底電纜上游水平距離1 m處；外層拋石選取6"～8"火山巖塊石，在H=2 m、流速為0.5 m/s條件下，塊石偏移量主要集中在0～1 m，則拋石管道可布置于海底電纜上游0～1 m處。施工過程中應根據實測流速及塊石種類、尺寸、漏斗底高度等結合本試驗成果和施工觀測情況確定拋石管道管口位置。

［1］王裕霜.國內外海底電纜輸電工程綜述［J］.南方電網技術，2012，6（2）：26-30. WANG Y S.Review on Submarine Cable Projects for Power Transmission Worldwide［J］.Southern Power System Technology，2012，6（2）：26-30.

［2］張正祥.海底電纜拋石堤壩洋流穩定性的試驗研究［J］.電力勘測設計，2015，2（1）：49-54. ZHANG Z X.Experimental Research on Stability of Jackstone Dam Under Current Action for Protecting Submarine Cable［J］.Electric Power Survey and Design，2015，2（1）：49-54.

［3］李玉柱.工程流體力學［M］.北京：清華大學出版社，2006：249-255.

［4］王裕霜.500KV海底電纜后續拋石保護工程建設［J］.施工技術，2012，33（8）：116-118. WANG Y S.Follow-up Engineering Construction of Riprap Protection for 500 KV Submarine Cable［J］.Construction Technology，2012，33（8）：116-118.

［5］Tideway.Rock placement operations for BP-skarv project［R］.Netherlands：Tideway，2008.

［6］劉臻，史宏達，王愛群，等.瓊州海峽海底電纜工程拋石穩定性研究報告［R］.青島：中國海洋大學，2011.

Experimental study on offset of rockfill for Qiongzhou Strait cable protection

LIU Xiao?qing1,JI Jun?na2,3,LIU Zhen3
（1.CCCC.TDC Yantai Enviromental Protection Dredging Co.,LTD.,Yantai 264000,China;2.Jihongtan Reservoir Management Section of Management Bureau of Water Diversion from the Yellow River into Qingdao of Shandong Province,Qingdao 266111,China;3.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China）

In order to protect submarine cable deployed in Qiongzhou Strait from potential damages,the rockfill cover was proposed as the main defending solutions.The rockfill dumped from the rising tube would have a side offset because of horizontal pushing effects from water flow.Based on the gravity similarity criterion and local environmental hydrodynamic conditions,the hydraulic model tests on offset of rockfill were carried out.Effects of rock types,rock sizes,current velocities and heights of the funnel were investigated.

submarine cable;dumped rockfill;hydraulic test;offset;Qiongzhou Strait

TV 131.6

A

：1005-8443（2016）01-0007-05

2015-05-25；

：2015-07-28

山東省自然科學基金項目（JQ201314）

劉曉青(1980-)，男，山東威海榮成人，工程師，主要從事港口與疏浚工程工作。

Biography：LIU Xiao-qing（1980-），male，engineer.