海上風電鋼管樁樁身開孔位置對海底電纜受力特性的影響研究

陳大江，李超杰，周國興，庫 猛

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著石油、煤炭等資源的日益緊張，海洋資源的開發(fā)成為世界各國資源投資的風向標[1-2]。我國的風電事業(yè)正處于飛速增長的黃金時期，其中江蘇省海上風電累計裝機容量占全國海上風電累計裝機容量的71.5%，裝機規(guī)模連續(xù)多年領(lǐng)跑全國[3]。海底電纜作為風力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，承擔著電力輸送的重要功能。傳統(tǒng)的單樁基礎(chǔ)連接海底電纜的方式采用外套籠方案，但是隨著海上風電向大單機容量、大水深、離岸距離遠的趨勢發(fā)展，單樁基礎(chǔ)直徑越來越大，海水深度也隨之增加[4-5]，外套籠方案適用性變差，造成外套籠整體高度過大，不僅造價成倍增加而且施工周期更長[6-7]。當前，海上風電工程常常采用樁身開孔的方式引入海底電纜進入塔筒內(nèi)，將纜線與風力發(fā)電設(shè)備連接，降低了施工成本，保護了纜線材料，也簡化了纜線的裝配部件。該方法于國家電力投資公司的濱海H2號海上風電場項目初次使用，目前已在全國風電場推廣。該方法將海底電纜一端放置于海床土體，另一端則裝配于樁身之上，使纜線產(chǎn)生一個懸跨段。樁身開孔位置影響海底電纜懸跨段的長度，進而影響海底電纜的應(yīng)力分布。因此，分析樁身開孔位置對海底電纜應(yīng)力的影響，具有重要的理論價值和工程意義[8-9]。

本文以啟東H1號某海上風電單樁基礎(chǔ)為研究對象，建立海底電纜-樁身-海床土體的ABAQUS數(shù)值模型，開展樁身開孔位置對海底電纜受力特性的分析研究，以期為海上風電后期樁身開孔設(shè)計及海底電纜保護設(shè)計提供參考。

1 工程概況

江蘇啟東H1號某海上風電場工程位于江蘇啟東近海海域，地理位置見圖1。該風電場總裝機容量為250 MW，場區(qū)呈矩形，規(guī)劃場區(qū)面積約40 km2，場區(qū)中心離岸距離約32 km，規(guī)劃裝機容量250 MW。場區(qū)內(nèi)海底地形變化較為平緩，地基土表層以粉砂為主，水深在6～13 m 之間。風電場所發(fā)電能由8回35 kV海底電纜匯流至海上升壓站，經(jīng)2臺220/35 kV變壓器(140 MVA)升壓后由1回220 kV海底電纜接入陸上集控中心后轉(zhuǎn)架空線路送出。

圖1 風電場地理位置示意

2 海底電纜-樁身-海床土體有限元數(shù)值模型

2.1 海底電纜穿孔樁身模型介紹

樁身開孔布置在泥面以上2～3 m，便于纜線海上穿纜施工，通過開孔處纜線保護裝置及基礎(chǔ)內(nèi)平臺設(shè)置錨固裝置進行纜線的固定[10-11]。海底電纜一端放置于海床土體，另一端則裝配于樁身之上，這就造成了樁身周圍的纜線產(chǎn)生一個懸跨段。樁身開孔引入海底電纜進入塔筒內(nèi)的連接方式見圖2。

圖2 樁身開孔示意

2.2 海底電纜-樁身-海床土體ABAQUS數(shù)值模型

采用有限元軟件ABAQUS，建立海底電纜-樁身-海床土體的數(shù)值模型，包括海床土體、海底電纜以及樁身。為減少計算時間，便于建模，將樁身與纜線接觸的部分簡化為長條形。建立的數(shù)值模型見圖3。首先，通過對初始模型賦予重力進行計算得到地應(yīng)力，導(dǎo)入相應(yīng)的地應(yīng)力作為該模型初始應(yīng)力場，再反復(fù)計算直至模型整體豎向沉降小于10-3m，由此得到該模型在地應(yīng)力平衡下的初始狀態(tài)。隨后，給樁身賦予1個向上的位移，模擬自然條件下纜線穿孔樁身時的受力。通過控制樁身的位置設(shè)置開孔的高度，研究樁身開孔位置對海底電纜受力的影響。

圖3 數(shù)值模型

模型中，海底電纜外徑D為252 mm，模擬為彈塑性材料，忽略纜線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，假定纜線內(nèi)部均勻，材料連續(xù)。本文集中研究海底電纜的受力特征，因此樁身以及海床土體模擬為簡單的理想彈性材料。海底電纜、海床土體以及樁身的參數(shù)見表1。

表1 模型力學(xué)參數(shù)

3 海底電纜受力分析與討論

3.1 樁身開孔海纜受力分析

圖4為樁身模型開孔高度2 m時，海底電纜的應(yīng)力云圖。從圖4可知，海底電纜有2個應(yīng)力集中位置，分別為圖中所標注的A和B點。該模型左側(cè)纜線放置于海床土體之上，右側(cè)纜線穿過樁身開孔位置。圖5為樁身開孔高度為2 m時，海底電纜的應(yīng)力分布。從圖5可以看出，置于海床上的纜線部分受力較小，而在纜線懸跨處(A點)和纜線穿孔處(B點)出現(xiàn)較大的纜線受力情況。纜線穿孔高度為2 m時，A點應(yīng)力為2.32 MPa，B點應(yīng)力為6.29 MPa。因此，在樁身開孔進行海底電纜的受力分析時，應(yīng)著重對以上2處進行分析，并對該處纜線材料加強保護，避免局部受力過大而損傷纜線。

圖4 樁身開孔高度2 m時海底電纜應(yīng)力云圖

圖5 樁身開孔高度2 m時海底電纜應(yīng)力分布

3.2 樁身開孔位置對海底電纜受力影響分析

在海底電纜鋪設(shè)以及穿孔樁身的過程中，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，樁身開孔位置要根據(jù)不同海底地形條件進行調(diào)整，有必要研究樁身不同開孔位置對纜線受力的影響。圖6分別為樁身開孔高度為2.5、3 m和3.5 m時海底電纜的應(yīng)力分布云圖。從圖6可知，不同開孔高度下，海底電纜的應(yīng)力集中位置都在懸跨段和纜線穿孔處，這2處的應(yīng)力值隨著開孔高度的增加而增大。

圖6 樁身不同開孔高度下海底電纜的應(yīng)力分布云圖

針對不同樁身開孔高度下海底電纜的應(yīng)力分析結(jié)果，分別選取纜線懸跨處(A點)和纜線穿孔處(B點)2個應(yīng)力較大的位置進行整體的分析，研究樁身的開孔高度對于纜線局部受力較大的特征點的影響。圖7為開孔高度為2.0、2.5、3.0和3.5 m的情況下，海底電纜2個較為危險的局部應(yīng)力變化規(guī)律。

圖7 海底電纜局部應(yīng)力與樁身開孔高度的關(guān)系

從圖7可以看出，無論是A或B點，在開孔高度增大的情況下，這2個點的局部應(yīng)力都有所增加。樁身開孔高度一般在距海底泥面2～3 m的范圍之間，而在本文工況下，當開孔高度從2 m上升到3.5 m時，A點的應(yīng)力從2.32 MPa增大到4.23 MPa，增大了82.3%，B點的應(yīng)力從6.29 MPa增大到10.1 MPa，增大了60.6%。由此可見，對于纜線中較為危險的2個局部應(yīng)力點，樁身開孔高度對于A點的影響更為顯著。此外，B點作為纜線穿孔樁身的位置，在纜線鋪設(shè)過程中會加以保護，圖2中纜線穿孔位置的套管就是一種保護。因此，相對于纜線穿孔處的B點，在進行海底電纜鋪設(shè)的力學(xué)研究或在海底電纜鋪設(shè)作業(yè)的施工時，應(yīng)對纜線前部懸跨段的危險點加以重視。

4 結(jié) 語

本文以江蘇啟東H1號某海上風電單樁基礎(chǔ)為研究對象，采用ABAQUS數(shù)值模擬方法，建立了海底電纜-樁身-海床土體的數(shù)值模型，分析了樁身開孔位置對海底電纜應(yīng)力分布的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)采用樁身開孔引入海底電纜到樁身內(nèi)部的方法，纜線有2個局部應(yīng)力較大點，分別是前部的纜線懸跨處A點和后部的樁身開孔處B點。

(2)樁身開孔高度越高，A和B點的應(yīng)力越大。當開孔高度從2 m上升到3.5 m時，A點的應(yīng)力從2.32 MPa上升到4.23 MPa，增大了82.3%，B點的應(yīng)力從6.29 MPa上升到10.1 MPa，增大了60.6%，樁身開孔的高度對纜線受力的影響顯著。

(3)相對于樁身開孔處的B點，雖然纜線懸跨處A點的應(yīng)力較小，但是A點受樁身開孔高度的影響程度要大于B點。在施工作業(yè)中，應(yīng)對A點的受力情況加以重視，采取必要的保護措施，以免海底電纜受到損傷。