船锚入土深度简化计算方法及适用性研究

  目的  随着海洋经济的发展,越来越多海上风电送出、海上油气平台的供电、岛屿联网供电项目涉及海底电缆的敷设。目前主要的敷设保护方式为直埋敷设,但不考虑经济性的埋深设计显然是不合理的。为了能有效地保护海底电缆,又能合理控制投资,需要在项目开发阶段就确定海缆的合理埋设深度。因此,在缺乏足够的设计输入资料的情况下,文章提出了一种简化的船锚入土深度计算方法,为项目前期确定敷设保护方案提供依据。  方法  将船锚入土过程分成三个阶段建立数学模型,并对船锚入土过程进行了一系列边界条件假设。在此基础上,基于能量法对各个阶段船锚运动过程进行力学模型分析和推导,提出了考虑海底基质剪切破坏的船锚入土深度简化计算方法。通过将该方法的计算值与不同情况下的实测值进行对比分析,探讨该计算方法的适用性及适用范围。  结果  通过该简化方法计算值与实测结果比较分析表明,该计算方法适用于抗剪强度大于20 kPa的粘土的情况下计算船锚入土深度,且该方法的计算误差在可接受范围内。  结论  从计算结果对比分析可以看出,该简化计算方法对工程实践应用具有指导意义,但该方法还有待在实践中积累不同实测数据进行验证和拟合修正,并结合经验法和概率法进行分析,为海底电缆敷设保护提供设计依据。     

砂土基质下落锚深度试验研究及计算方法

[目的]海底电缆合理的埋置深度是海底电缆保护设计的重要参数之一,需研究砂土基质条件下海底电缆合适的埋设深度。[方法]针对工程船舶常用的霍尔锚及AC-14型锚开展船锚刺入深度研究,基于砂土的室内模型试验,采用4种重量霍尔锚和3种重量AC-14锚,分别在6种不同高度下落得到船锚刺入深度试验结果。[结果]试验表明:DNV规范中对船锚的落深采用了能量法进行计算,即船锚的能量完全被土体吸收,本研究基于太沙基极限承载力公式,运用能量法通过建立了船锚落深的理论算法,并通过最小二乘法拟合试验数据,得出计算船锚刺入砂土深度。[结论]所提试验和计算方法是正确并有效的,可作为海底电缆最小埋深设计依据。     

海底电缆铺设过程中受力特性数值模拟研究

  目的  以江苏启东某海上风电场建设项目为工程背景,开展海底电缆铺设过程中的力学特性数值模拟研究,分析不同挖沟深度的工况下海缆悬跨段的局部应力分布情况。  方法  基于ABAQUS数值模拟软件,建立海底电缆埋设数值模型。  结果  研究结果显示:海底电缆后缘提升点在埋设过程中的应力相较于埋设作业前显著增大,该位置的缆线在整个埋设过程中受力最大,是最危险的位置;挖沟深度对海底电缆后缘提升点处的应力有显著影响,随着挖沟深度的增加,后缘提升点处的应力相应增大。  结论  海底电缆铺设作业中应加强保护抬升点处的缆线材料,缆线的屈服应力参数选取应着重参考埋设作业中缆线的受力分析结果。研究成果可为海底电缆铺设作业提供参考依据。     

海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟

  目的  桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题,浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性,对风机结构安全造成不可忽视的影响。  方法  采用CFD技术结合泥沙输运模型,针对稳流条件下,砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究,通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解,观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程,得到了冲刷坑深度的时变曲线。  结果  计算结果表明,冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加,随后冲刷速度逐渐变慢;在16 min的计算时间内,冲刷深度达到0.81倍桩径。  结论  根据冲刷深度的变化情况,认为对于处于砂质海床区域内的风电场,应当在基础施工期间考虑冲刷防护,通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。     

高压海底电缆锚害事故风险评估

  目的  锚害事故导致电缆受损断电将会造成较为严重的经济损失和社会影响,为降低海底电缆面临的锚害事故风险,提出了一种高压海底电缆锚害事故风险评估方法。  方法  根据事故发生的原因,将锚害事故分为抛锚事故和拖锚事故两种情况分别进行建模计算,并在单根电缆锚害风险研究的基础上,研究了多根电缆的锚害风险。  结果  根据模型计算结果,分析得出锚害事故的重要影响因子为电缆根数、警示距离、船舶速度,同时随着电缆根数减少、警示距离增加、船舶速度增大,高压海底电缆锚害事故风险将会有效降低。  结论  所提模型可有效评估高压海底电缆锚害事故风险,可以为海底电缆的防护及优化设计工作提供理论指导。     

可移动自升式平台的桩靴沉放安装研究

  目的  桩靴基础是可移动自升式平台的关键基础结构，在其贯入过程中会排开大量土体。为保证可移动自升式平台在海上风电安装领域的安全应用，研究桩靴沉放过程中周围土体流动模式的演变规律，可靠评估桩靴的贯入阻力尤为重要。  方法  利用耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法，模拟了桩靴在常见海床地质条件（包括均质黏土、非均质黏土、砂土、“黏土-砂土-黏土”以及“黏土（硬）-砂土（软）-黏土（硬）”）下的安装沉放过程，分析了沉放贯入机理的差异性。  结果  仿真结果表明:桩靴沉放过程中，土体流动机制和桩靴贯入阻力与海床土强度特性密切相关，而桩靴与海床土界面的摩擦系数对桩靴贯入机理和贯入阻力影响不大。  结论  通过与现行设计规范计算结果对比，大变形有限元模拟和规范设计相结合的方法更应该被推荐应用于工程设计实践，以便为桩靴贯入过程中的穿刺风险评价和插桩深度预测提供更好的依据。     

海上风电场海底电缆防护方案研究

  [目的]  海底电缆防护是海上风电场建设的一种重要组成部分,海上风电中最大部分的保险理赔主要由于电缆事故造成。由于电缆路由线路较长,会穿过不同区域,每个区域的防护方案都不同。  [方法]  首先简单介绍海底电缆防护作法的基本情况,然后详细阐述了海底电缆登陆段防护方案,紧接着描述了海底电缆交越段防护方案以及电缆管附近的海缆防护方案,最后对海上风电场海底电缆防护方案进行总结。  [结果]  针对海底电缆登陆段,多采用套管保护、电缆沟与水平定向钻方案;针对海底电缆交越段,多在交越点采用垫块的方案;针对基础附近的海缆,主要采用J型管与弯曲限制器的方式。  [结论]  无论采用哪种方式,应高度重视海上风电场海底电缆的防护,确保海缆在运行期间的安全。     

砂质海岸单桩基础的冲刷特征与防护措施试验研究

    目的   海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上风电基础支撑结构,近年来,单桩结构成为海上风电机组的主要基础形式。单桩基础在海洋环境中的局部冲刷问题对风机结构的稳定性有重要影响。    方法   通过开展系列物模试验,对某建于砂质海床并采用大直径单桩基础的风电场工程的桩基局部冲刷特征进行了研究,分析了不同直径、水深、波浪以及水流等因素对局部冲刷深度和范围的影响,并研究了砂被和沙袋等措施的防护效果。    结果   研究结果表明,对于直径7.0 m和6.5 m两种桩基,冲刷最深处均在单桩迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的0.8~0.9倍。    结论   采用无搭接方式铺设砂被并且采用沙袋填充冲刷坑可对桩基结构周围底床形成很好的防护,可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。     

海底电缆超短基线定位系统误差分析及处理策略

  [目的]  超短基线定位是一种重要的水下声学定位方式,主要解决超短基线定位远距离定位发散快,远距离定位精度不高的缺点。  [方法]  论文介绍了超短基线定位系统的原理,详细分析了引起超短基线定位误差的各种因素,并针对这些因素,提出了相应的处理策略,从而提高水下定位精度,  [结果]  结合海南联网海底电缆检测实际应用,验证将超短基线定位处理策略在克服距离定位发散快,远距离定位精度不高的缺陷的有效性。  [结论]  海南联网海底电缆检测实际应用实践验证了针对超短基线远距离定位发散快、定位精度不高的处理策略在海底高精度定位的有效性。     

软基路堤拓宽对原路堤桩体受力特性的影响

      目的     交通量日趋饱和与建设用地日益紧张促使道路需要进行拓宽改建,为了进一步研究路堤拓宽时的稳定性,对软基路堤拓宽时原路堤下桩体受力特性的变化进行分析。      方法     采用Abaqus对离心机模型验证后,分别建立拓宽路堤与原路堤有限元三维数值模型进行对比分析,研究拓宽路堤自重、不同拓宽路堤土体参数对原路堤下不同位置桩体的受力和变形性状以及破坏模式的影响。      结果     数值仿真结果表明:路堤下各桩对抗滑的贡献不同,接近坡脚的桩主要受弯剪作用,远离坡脚的桩主要受轴力作用;拓宽路堤土体自重使得原路堤下桩体所受弯矩及剪力减小,所受轴力增大,越靠近拓宽路堤的桩受影响越大,原路堤下桩体的位移增大,其中靠近原坡脚处的竖向位移增量最大,横向位移增量最大处位于原路堤中部;拓宽路堤土体重度能显著影响原路堤的竖向位移,而其变形模量和强度参数对原路堤的竖向位移影响不明显;路堤拓宽后在荷载作用下,原路堤下桩体的受力特性较拓宽前会发生改变,潜在破坏模式由弯剪区、压弯区和受压区三个分区变为压弯区和受压区。      结论     所建模型能较好验证离心机试验结果,研究结果能对路堤拓宽的稳定性分析提供指导。     

海上风电场联合送出优化方案研究

  [目的]  结合我国广东地区海上风电场布置及典型送出方案,对两个300 MW风电场联合送出的方案进行了探讨。  [方法]  在电气主接线、海缆选型、可靠性分析、海缆敷设与供货、可比投资等方面进行了分析比较。  [结果]  最终得出联合风场送出的优化方案,即设2座220 kV海上升压站＋1座陆上集控中心,其中1座升压站通过1回3×1 000 mm2海缆接至另1座升压站GIS,汇流后再通过2回3×1 000 mm2海缆一并送出至陆上集控中心。  [结论]  联合送出的优化方案可大大节省投资并减少用海面积,可为后续海上风电场电气设计提供参考。     

大型海上风电项目中的集电海缆研究

    目的   从2017年开始广东省海上风电进入了高速发展的时期,随着近海浅水区风电场开发的趋于饱和,近海深水区大型海上风电场的建设即将开始。在整个海上风电的设计过程中集电海缆是极为重要的一环,连接风机与升压站的集电线路通过合理的设计可以有效降低电能损耗,减少项目初始投资,提高运行的可靠性。针对海上风电从常规化向大型化的转变,集电海缆的设计亦需要同步做出调整。    方法   基于此,通过技术经济分析,论述了在大型海上风电项目中采用66 kV集电海缆的可能性。    结果   经过对比分析当风机容量达到10 MW及以上,风电场整体装机容量达到1 000 MW时,66 kV集电系统的技术、经济效果明显好于目前采用的35 kV系统。    结论   虽然目前国内海上风电领域暂无66 kV集电海缆投运的实际案例,但随着海上风电开发容量的不断增加,中国海上风电的集电系统势必会像英国、德国一样,向着更高电压等级的方向迈进。     

海上风电场孤网状态下的备用柴油发电机方案研究

  [目的]  为保障海上风电场孤网状态下的安全可靠运行,对备用柴油发电机组的配置方案与运行方式进行了研究。  [方法]  通过对孤网状态下的电气负荷、无功过电压、短路电流、谐波及保护整定进行分析,来验证备用柴油发电机组配置方案的合理性。  [结果]  研究表明:在文章给定的案例下,配置额定容量为1.2 MW的备用柴油发电机及2 Mvar的电抗器时,在运行维护的工况下,一半风机接入孤网时可满足风机和海上升压站的负荷需求和电压要求,也满足35 kV海缆无功需求。同时,为了避免谐波谐振,不推荐孤网备用柴油发电机组为风机提供偏航电源。对于柴油发电机组升压变压器、海上升压站接地变兼站用变,推荐采用复压过流作为主保护。  [结论]  配置方案为研究海上风电场孤网运行方案提供了思路。