如東海上風電場穿堤海纜管線對堤身沉降及滲流的影響

侯斯嘉， 徐政峰

(浙江華東工程咨詢有限公司， 杭州 310000)

0 引 言

在工程中，經常遇到不同種類結構穿越堤壩的情形，穿堤工程會對堤壩內部產生影響，使得堤壩在穿堤項目施工或后期運行過程中發生變形或滲透破壞等現象，對堤壩的安全帶來安全隱患。因此，研究穿堤工程對堤壩的影響是所有穿堤工作面臨的一個主要問題。

目前，許多學者對不同穿堤情況下堤壩的變形及滲流問題進行了研究。非開挖式穿堤技術，可以減少穿堤管道對堤壩的影響，但是在施工過程中也不可避免的會對堤身產生局部擾動，影響堤身的變形以及滲流場的分布。頂管技術是一種常見的穿堤施工方法，麥樹鋒[1]、陳紅根[2]以及李志堂等[3]對頂管技術的應用進行了分析，介紹了一些關鍵施工技術；丁禮建[4]對水平頂管穿堤的加固措施及其對海堤的變形影響進行了研究；盛興堯等[5]利用數值方法模擬了不同施工狀況下，頂管端面壓力、減阻泥漿模量、管土摩阻力對頂管上部土體和結構沉降的影響；李艷東[6]、張慶等[7]對頂管穿堤管道對堤防的滲透性的影響進行了研究。定向鉆穿堤技術作為一種非開挖方法越來越被廣泛應用到種類穿堤工程中[8]。岳青華[9]利用有限元軟件對多管并行穿堤之間的影響進行了分析，計算了相鄰管道之間不產生相互影響的最小管距。

類似地，在穿堤箱涵或穿堤涵洞的設計中，也存在著類似工程問題。任火良等[10]利用數值模擬方法對曹娥江過江穿越管工程引起的沉降進行了預測，模擬結果與監測結果吻合。張爽[11]和萬紅[12]針對穿堤涵閘滲透問題進行分析，并提出了多種防滲處理方法。

除了穿堤管道對原始堤壩的影響研究外，穿堤管道本身特性也在工程中得到關注。姜燕等[13]利用數值模擬分析，研究了穿堤涵管開裂的問題，認為其原因是軟土地基的不均勻沉降。秦蕾[14]對穿堤涵管的封堵技術進行了介紹。汪彭生[15]等還對穿堤管道的抗浮問題進行了分析。

在如東風電場的海纜敷設中，在海岸附近也存在著海纜穿堤的情況，采取的主要方法為非開挖定向鉆孔技術，為了研究所使用的施工方案對海堤的沉降變形及滲流場的影響，利用數值模擬方法，針對H15H海上風電場的海纜穿堤工程進行分析，研究結果可為工程實踐提供參考。

1 如東H15#海上風電場海纜穿堤項目背景

協鑫如東H15#海上風電場工程位于江蘇如東近海海域，竹根沙東側。場區中心點離岸約47 km，海底高程0～-10 m。風電場近似呈梯形，規劃海域面積約32 km2。工程規劃裝機容量200 MW，風電場配套新建一座220 kV海上升壓站和一座陸上集控中心。風電場所發電能匯集至海上升壓站35 kV母線，經主變升壓至220 kV后通過1回220 kV海纜登陸并轉220 kV陸纜接至風電場220 kV陸上集控中心，通過陸上集控中心電纜出線后通過1回220 kV線路接入220 kV蓬樹開關站。

根據鉆孔揭露的地層結構、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質，結合區域地質資料，勘探深度內(勘探孔最深70.60 m)均為第四系沉積物。在海岸區域向陸地線纜轉換時，需要穿過已經存在的海堤。工程采用非開挖定向鉆孔的方式實現對海纜在穿堤段的敷設。首先利用鉆機根據設計曲線鉆進得到導向孔，然后再根據土質情況采用分級反拉旋轉擴孔方法成孔，最后進行管道回拖。越堤管材為Φ548×20 mm的鋼管。拖管與電纜穿管結束之后，管內電纜與鋼管之間用沙土回填，外海側入土處管道口利用洛克塞克封堵，并在管口上方回填土后拋石進行保護，覆蓋寬度為15 m。海堤內側出土點管道口也利用洛克塞克封堵，鋼管與電纜3 m長度范圍內利用混凝土灌實。在海堤內側設置轉換井，將海纜通過電纜隧道接入到集控中心。為了減小穿堤海纜對海堤的影響，在海堤下方海纜管外側的擾動區進行鉆孔壓密注漿。

非開挖定向鉆穿堤部分約460 m，施工時間約30天，于2021年1月30日前完成。圖1和圖2分別為如東海上風電項目200 kV海纜登陸段的平面圖和剖面圖，其中H15#為本研究中的主要對象。

圖1 如東海上風電項目220 kV海纜登陸設施平面圖

圖2 如東海上風電項目220 kV海纜登陸區段剖面圖

2 如東海上風電場海纜穿堤數值模型

2.1 滲流場與應力場耦合理論

本計算中，采用多孔彈性理論計算滲流場與應力場的耦合。多孔彈性理論中應力、應變與孔隙水壓力的關系為：

σ=Cε-αbpfI

(1)

式中：σ是柯西應力張量；ε為應變張量；αb為Biot-Willis系數；pf為孔隙水壓力；C為彈性張量。根據Biot定理，孔隙水壓力可以表示為

pf=M(ζ-αbεvol)

(2)

式中：M為Biot模量；ζ為多孔介質內的流體增量；εvol為土體的體應變。土體的貯水系數可表示為

(3)

根據材料特性，S可以表示為流體體積模量Kf和固體體積模量Ks的函數：

(4)

式中，εp為孔隙率。

土體的排水條件下的體積模量Kd與Ks的關系約為

Kd≈(1-εp)Ks

(5)

且

(6)

則可得

(7)

描述流體滲流的質量守恒方程為

(8)

式中：Qm為源項；流速u通過達西定律計算得到

(9)

式中：κ為滲透率；g為重力加速度；D為高程。

根據貯存模型

(10)

得到質量守恒方程為

(11)

源項Qm與土體發生的應變率的關系為

(12)

2.2 模型設置

以所有已建的穿越海纜的為中心，建立如圖3所示的模型圖。在沿著海堤走向的方向上的模型長度為140 m，垂直于海堤方向上，以海堤表面為中心向海堤內側和外海側各延伸50 m，總寬度100 m，以外海側地表高程為參考，向下取地層深度為20 m。

圖3 數值模擬模型幾何示意圖(m)

圖4為模型網格圖，并利用不同顏色區分網格的尺寸，穿堤管內的網格為棱柱體網格，混凝土面板為六面體網格，地層及海堤為四面體網格，由棱柱體網格和六面體網格向四面體網格過渡區為金字塔形的五面體網格，總網格數52 922個。

圖4 模型網格圖(m)

圖5和圖6分別為模型的力學和水力學邊界條件。對于力學邊界，模型的四周邊界和底面邊界均為法向約束條件，模型上表面為無荷載且不約束位移的自由邊界條件。對于滲流場而言，模型的垂直于海堤走向的兩個側面和底面邊界均設置為不透水邊界，外海側和海堤內側表面均設置為水頭邊界條件，水頭按實際情況給定。根據調查資料顯示，外海側的最高水位為4.38 m，海堤內側的最低水位為-3.32 m。

圖5 模型力學邊界條件(m)

圖6 模型水力邊界條件(m)

模型中使用的材料物理力學參數見表1。在模擬過程中，地層土體視為彈塑性材料，并利用摩爾-庫侖準則模擬土體的塑性行為，混凝土視為彈性材料。

表1 模型中使用的材料參數

3 計算結果

在進行H15#海纜穿堤施工之前，其他穿堤海纜的施工已經完成，在本研究中將分析H15#海纜穿堤的施工過程中對海堤的影響。當H15#海纜穿堤處鉆孔完成時，海堤及其周圍土體的位移場分布如圖7所示。從圖中可以清晰地看到一條與H15#海纜穿堤位置平行的一條發生豎向位移集中的區域；在H15#海纜穿堤孔周圍發生的位移較大，在鉆孔水平兩側的水平位移較小，而上下的豎直向位移較大，在開孔處下部由于卸載產生向上的移位，最大位移達到12 mm，而開孔處上部產生向下的位移，最大達到6 mm以上。

圖7 H15#海纜穿堤鉆孔后的豎向位移(m)

圖8為海堤表面中線上的沉降情況。由圖可見，在H15#海纜管線完成開挖后，在H15#管線正上方的位置海堤表面產生的沉降最大，大概為0.85 mm，說明鉆孔的影響主要在其周圍局部，短期內對海堤的變形影響不大。但是如果不進行處理，在滲透作用的影響下，影響范圍可能會進一步擴大。

圖8 H15#海纜穿堤完成后的海堤表面中線的沉降量

圖9是在H15#海纜穿堤孔鉆孔后的土體的塑性變形情況，從圖中可以看出，塑性變形分布較為集中，主要發生在海堤的正下方，且最大塑性應變為4.5×10-3。在發生塑性變形較大的區域，土體受到的擾動較大，滲透性增加，強度降低，如不處理，可能在滲流過程中在海纜管道與土體接觸的位置發生侵蝕，進一步引起海堤表面的沉降。

圖9 鉆孔后H15#海纜穿堤孔周圍土體的塑性應變區分布

假設鉆孔后對塑性區不做處理，則土體的滲透系數增加，圖10為H15#海纜鉆孔后，塑性區土體的滲透系數增加10倍后的流速分布圖。可以看出，土體內的水流集中在H15#海纜管周圍，形成了沿著海纜管周的滲透通路，在滲流力的作用下，管周的土體進一步發生松動，強度降低，而引起管線上方海堤的沉管。所以，在所有的如東海上風電海纜穿堤工程中，均對海堤下部的管道周圍進行了壓密灌漿。假設壓密灌漿區的強度提高10倍，滲透率降低10倍，計算得到的流速分布如圖11所示。可以看出，在壓密灌漿后，滲流場在整個模型中分布均勻，不會產生集中滲透的現象，在施工后的運行期內，不會在管周形成侵蝕或脫空問題，減輕海纜穿堤對海堤的影響。

圖10 塑性區土體滲透系數增大10倍后的流速分布

圖11 在塑性區進行壓密灌漿后的流速分布

4 結 論

在種類穿堤工程中，穿堤管線對堤身的變形特性及滲透特性的影響是一個不容忽視的問題。利用有限元方法，對如東海上風電場的海纜穿堤工程進行了模擬分析，得出以下結論：

(1) 利用非開挖定向鉆孔技術施工，在鉆孔完成后沒有采取保護措施的情況下，會在鉆孔周圍形成塑性變形區，在該區域內土體的力學性能變低，滲透性能增強，且最大塑性變形發生在堤身正下方；

(2) 如果不對鉆孔周圍的擾動土體進行加固或防滲措施，會因為滲透率的增加在管道周圍形成高滲透率的通道，會在滲透水流的沖刷下使管道開挖的影響范圍進一步擴大，從而引起海堤表面更大的變形；

(3) 在采用壓密注漿防滲措施后，使得在穿堤工程周圍的滲流場受到的影響得到改善，流速分布均勻，不會出現集中滲流的趨勢，并且壓密注漿對堤身下方的塑性區起到加固作用，可防止塑性區的進一步發展，說明對管道周圍進行壓密注漿，是一種降低穿堤工程對堤身變形及滲透影響的有效方法。