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.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著石油、煤炭等資源的日益緊張，海洋資源的開發成為世界各國資源投資的風向標[1-2]。我國的風電事業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%，裝機規模連續多年領跑全國[3]。海底電纜作為風力發電的關鍵設備，承擔著電力輸送的重要功能。傳統的單樁基礎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展，單樁基礎直徑越來越大，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，將纜線與風力發電設備連接，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力分布。因此，分析樁身開孔位置對海底電纜應力的影響，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為研究對象，建立海底電纜-樁身-海床土體的ABAQUS數值模型，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計及海底電纜保護設計提供參考。

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，場區呈矩形，規劃場區面積約40 km2，場區中心離岸距離約32 km，規劃裝機容量250 MW。場區內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。風電場所發電能由8回35 kV海底電纜匯流至海上升壓站，經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內平臺設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生一個懸跨段。樁身開孔引入海底電纜進入塔筒內的連接方式見圖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力，導入相應的地應力作為該模型初始應力場，再反復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力平衡下的初始狀態。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，忽略纜線的內部結構，假定纜線內部均勻，材料連續。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見表1。

表1 模型力學參數

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，海底電纜的應力云圖。從圖4可知，海底電纜有2個應力集中位置，分別為圖中所標注的A和B點。該模型左側纜線放置于海床土體之上，右側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)出現較大的纜線受力情況。纜線穿孔高度為2 m時，A點應力為2.32 MPa，B點應力為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時海底電纜應力云圖

圖5 樁身開孔高度2 m時海底電纜應力分布

3.2 樁身開孔位置對海底電纜受力影響分析

在海底電纜鋪設以及穿孔樁身的過程中，由于海洋環境的復雜性，樁身開孔位置要根據不同海底地形條件進行調整，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時海底電纜的應力分布云圖。從圖6可知，不同開孔高度下，海底電纜的應力集中位置都在懸跨段和纜線穿孔處，這2處的應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力分布云圖

針對不同樁身開孔高度下海底電纜的應力分析結果，分別選取纜線懸跨處(A點)和纜線穿孔處(B點)2個應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力變化規律。

圖7 海底電纜局部應力與樁身開孔高度的關系

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點的應力從2.32 MPa增大到4.23 MPa，增大了82.3%，B點的應力從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的力學研究或在海底電纜鋪設作業的施工時，應對纜線前部懸跨段的危險點加以重視。

4 結 語

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

(1)采用樁身開孔引入海底電纜到樁身內部的方法，纜線有2個局部應力較大點，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點的應力越大。當開孔高度從2 m上升到3.5 m時，A點的應力從2.32 MPa上升到4.23 MPa，增大了82.3%，B點的應力從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。在施工作業中，應對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。