如东海上风电场穿堤海缆管线对堤身沉降及渗流的影响

侯斯嘉， 徐政峰

(浙江华东工程咨询有限公司， 杭州 310000)

0 引 言

在工程中，经常遇到不同种类结构穿越堤坝的情形，穿堤工程会对堤坝内部产生影响，使得堤坝在穿堤项目施工或后期运行过程中发生变形或渗透破坏等现象，对堤坝的安全带来安全隐患。因此，研究穿堤工程对堤坝的影响是所有穿堤工作面临的一个主要问题。

目前，许多学者对不同穿堤情况下堤坝的变形及渗流问题进行了研究。非开挖式穿堤技术，可以减少穿堤管道对堤坝的影响，但是在施工过程中也不可避免的会对堤身产生局部扰动，影响堤身的变形以及渗流场的分布。顶管技术是一种常见的穿堤施工方法，麦树锋[1]、陈红根[2]以及李志堂等[3]对顶管技术的应用进行了分析，介绍了一些关键施工技术；丁礼建[4]对水平顶管穿堤的加固措施及其对海堤的变形影响进行了研究；盛兴尧等[5]利用数值方法模拟了不同施工状况下，顶管端面压力、减阻泥浆模量、管土摩阻力对顶管上部土体和结构沉降的影响；李艳东[6]、张庆等[7]对顶管穿堤管道对堤防的渗透性的影响进行了研究。定向钻穿堤技术作为一种非开挖方法越来越被广泛应用到种类穿堤工程中[8]。岳青华[9]利用有限元软件对多管并行穿堤之间的影响进行了分析，计算了相邻管道之间不产生相互影响的最小管距。

类似地，在穿堤箱涵或穿堤涵洞的设计中，也存在着类似工程问题。任火良等[10]利用数值模拟方法对曹娥江过江穿越管工程引起的沉降进行了预测，模拟结果与监测结果吻合。张爽[11]和万红[12]针对穿堤涵闸渗透问题进行分析，并提出了多种防渗处理方法。

除了穿堤管道对原始堤坝的影响研究外，穿堤管道本身特性也在工程中得到关注。姜燕等[13]利用数值模拟分析，研究了穿堤涵管开裂的问题，认为其原因是软土地基的不均匀沉降。秦蕾[14]对穿堤涵管的封堵技术进行了介绍。汪彭生[15]等还对穿堤管道的抗浮问题进行了分析。

在如东风电场的海缆敷设中，在海岸附近也存在着海缆穿堤的情况，采取的主要方法为非开挖定向钻孔技术，为了研究所使用的施工方案对海堤的沉降变形及渗流场的影响，利用数值模拟方法，针对H15H海上风电场的海缆穿堤工程进行分析，研究结果可为工程实践提供参考。

1 如东H15#海上风电场海缆穿堤项目背景

协鑫如东H15#海上风电场工程位于江苏如东近海海域，竹根沙东侧。场区中心点离岸约47 km，海底高程0～-10 m。风电场近似呈梯形，规划海域面积约32 km2。工程规划装机容量200 MW，风电场配套新建一座220 kV海上升压站和一座陆上集控中心。风电场所发电能汇集至海上升压站35 kV母线，经主变升压至220 kV后通过1回220 kV海缆登陆并转220 kV陆缆接至风电场220 kV陆上集控中心，通过陆上集控中心电缆出线后通过1回220 kV线路接入220 kV蓬树开关站。

根据钻孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合区域地质资料，勘探深度内(勘探孔最深70.60 m)均为第四系沉积物。在海岸区域向陆地线缆转换时，需要穿过已经存在的海堤。工程采用非开挖定向钻孔的方式实现对海缆在穿堤段的敷设。首先利用钻机根据设计曲线钻进得到导向孔，然后再根据土质情况采用分级反拉旋转扩孔方法成孔，最后进行管道回拖。越堤管材为Φ548×20 mm的钢管。拖管与电缆穿管结束之后，管内电缆与钢管之间用沙土回填，外海侧入土处管道口利用洛克塞克封堵，并在管口上方回填土后抛石进行保护，覆盖宽度为15 m。海堤内侧出土点管道口也利用洛克塞克封堵，钢管与电缆3 m长度范围内利用混凝土灌实。在海堤内侧设置转换井，将海缆通过电缆隧道接入到集控中心。为了减小穿堤海缆对海堤的影响，在海堤下方海缆管外侧的扰动区进行钻孔压密注浆。

非开挖定向钻穿堤部分约460 m，施工时间约30天，于2021年1月30日前完成。图1和图2分别为如东海上风电项目200 kV海缆登陆段的平面图和剖面图，其中H15#为本研究中的主要对象。

图1 如东海上风电项目220 kV海缆登陆设施平面图

图2 如东海上风电项目220 kV海缆登陆区段剖面图

2 如东海上风电场海缆穿堤数值模型

2.1 渗流场与应力场耦合理论

本计算中，采用多孔弹性理论计算渗流场与应力场的耦合。多孔弹性理论中应力、应变与孔隙水压力的关系为：

σ=Cε-αbpfI

(1)

式中：σ是柯西应力张量；ε为应变张量；αb为Biot-Willis系数；pf为孔隙水压力；C为弹性张量。根据Biot定理，孔隙水压力可以表示为

pf=M(ζ-αbεvol)

(2)

式中：M为Biot模量；ζ为多孔介质内的流体增量；εvol为土体的体应变。土体的贮水系数可表示为

(3)

根据材料特性，S可以表示为流体体积模量Kf和固体体积模量Ks的函数：

(4)

式中，εp为孔隙率。

土体的排水条件下的体积模量Kd与Ks的关系约为

Kd≈(1-εp)Ks

(5)

且

(6)

则可得

(7)

描述流体渗流的质量守恒方程为

(8)

式中：Qm为源项；流速u通过达西定律计算得到

(9)

式中：κ为渗透率；g为重力加速度；D为高程。

根据贮存模型

(10)

得到质量守恒方程为

(11)

源项Qm与土体发生的应变率的关系为

(12)

2.2 模型设置

以所有已建的穿越海缆的为中心，建立如图3所示的模型图。在沿着海堤走向的方向上的模型长度为140 m，垂直于海堤方向上，以海堤表面为中心向海堤内侧和外海侧各延伸50 m，总宽度100 m，以外海侧地表高程为参考，向下取地层深度为20 m。

图3 数值模拟模型几何示意图(m)

图4为模型网格图，并利用不同颜色区分网格的尺寸，穿堤管内的网格为棱柱体网格，混凝土面板为六面体网格，地层及海堤为四面体网格，由棱柱体网格和六面体网格向四面体网格过渡区为金字塔形的五面体网格，总网格数52 922个。

图4 模型网格图(m)

图5和图6分别为模型的力学和水力学边界条件。对于力学边界，模型的四周边界和底面边界均为法向约束条件，模型上表面为无荷载且不约束位移的自由边界条件。对于渗流场而言，模型的垂直于海堤走向的两个侧面和底面边界均设置为不透水边界，外海侧和海堤内侧表面均设置为水头边界条件，水头按实际情况给定。根据调查资料显示，外海侧的最高水位为4.38 m，海堤内侧的最低水位为-3.32 m。

图5 模型力学边界条件(m)

图6 模型水力边界条件(m)

模型中使用的材料物理力学参数见表1。在模拟过程中，地层土体视为弹塑性材料，并利用摩尔-库仑准则模拟土体的塑性行为，混凝土视为弹性材料。

表1 模型中使用的材料参数

3 计算结果

在进行H15#海缆穿堤施工之前，其他穿堤海缆的施工已经完成，在本研究中将分析H15#海缆穿堤的施工过程中对海堤的影响。当H15#海缆穿堤处钻孔完成时，海堤及其周围土体的位移场分布如图7所示。从图中可以清晰地看到一条与H15#海缆穿堤位置平行的一条发生竖向位移集中的区域；在H15#海缆穿堤孔周围发生的位移较大，在钻孔水平两侧的水平位移较小，而上下的竖直向位移较大，在开孔处下部由于卸载产生向上的移位，最大位移达到12 mm，而开孔处上部产生向下的位移，最大达到6 mm以上。

图7 H15#海缆穿堤钻孔后的竖向位移(m)

图8为海堤表面中线上的沉降情况。由图可见，在H15#海缆管线完成开挖后，在H15#管线正上方的位置海堤表面产生的沉降最大，大概为0.85 mm，说明钻孔的影响主要在其周围局部，短期内对海堤的变形影响不大。但是如果不进行处理，在渗透作用的影响下，影响范围可能会进一步扩大。

图8 H15#海缆穿堤完成后的海堤表面中线的沉降量

图9是在H15#海缆穿堤孔钻孔后的土体的塑性变形情况，从图中可以看出，塑性变形分布较为集中，主要发生在海堤的正下方，且最大塑性应变为4.5×10-3。在发生塑性变形较大的区域，土体受到的扰动较大，渗透性增加，强度降低，如不处理，可能在渗流过程中在海缆管道与土体接触的位置发生侵蚀，进一步引起海堤表面的沉降。

图9 钻孔后H15#海缆穿堤孔周围土体的塑性应变区分布

假设钻孔后对塑性区不做处理，则土体的渗透系数增加，图10为H15#海缆钻孔后，塑性区土体的渗透系数增加10倍后的流速分布图。可以看出，土体内的水流集中在H15#海缆管周围，形成了沿着海缆管周的渗透通路，在渗流力的作用下，管周的土体进一步发生松动，强度降低，而引起管线上方海堤的沉管。所以，在所有的如东海上风电海缆穿堤工程中，均对海堤下部的管道周围进行了压密灌浆。假设压密灌浆区的强度提高10倍，渗透率降低10倍，计算得到的流速分布如图11所示。可以看出，在压密灌浆后，渗流场在整个模型中分布均匀，不会产生集中渗透的现象，在施工后的运行期内，不会在管周形成侵蚀或脱空问题，减轻海缆穿堤对海堤的影响。

图10 塑性区土体渗透系数增大10倍后的流速分布

图11 在塑性区进行压密灌浆后的流速分布

4 结 论

在种类穿堤工程中，穿堤管线对堤身的变形特性及渗透特性的影响是一个不容忽视的问题。利用有限元方法，对如东海上风电场的海缆穿堤工程进行了模拟分析，得出以下结论：

(1) 利用非开挖定向钻孔技术施工，在钻孔完成后没有采取保护措施的情况下，会在钻孔周围形成塑性变形区，在该区域内土体的力学性能变低，渗透性能增强，且最大塑性变形发生在堤身正下方；

(2) 如果不对钻孔周围的扰动土体进行加固或防渗措施，会因为渗透率的增加在管道周围形成高渗透率的通道，会在渗透水流的冲刷下使管道开挖的影响范围进一步扩大，从而引起海堤表面更大的变形；

(3) 在采用压密注浆防渗措施后，使得在穿堤工程周围的渗流场受到的影响得到改善，流速分布均匀，不会出现集中渗流的趋势，并且压密注浆对堤身下方的塑性区起到加固作用，可防止塑性区的进一步发展，说明对管道周围进行压密注浆，是一种降低穿堤工程对堤身变形及渗透影响的有效方法。