串列海缆悬跨段的流场特性及防护措施研究

沈方超，宗家欣

（浙江华东工程咨询有限公司，杭州 310000）

0 引言

随着海上风电场建设快速发展，海缆已成为海上电力输送的主要手段。海缆服役于复杂的海洋环境，由于波流的冲刷和抛锚等人为因素，会造成海缆出现悬跨段。悬跨段海缆受到海底波流反复冲刷会出现磨损、疲劳等现象，导致海缆产生机械损伤［1-3］，在影响电力输送的同时，还对项目运营造成危害。

李国珍等［4］对海底管道周围流场进行数值模拟，总结在不同管道裸露阶段的泥沙冲刷模式，探讨管线冲刷淘空的机理。张龙珠等［5］建立适用于海底管道冲刷的数值计算模型，分析了管道底部冲刷坑初步形成及发育机理。卢志飞等［6］采用直接流固耦合的方法建立了洋流冲刷海缆的三维有限元模型，获得了海缆各层结构的位移和应变数据。谢英等［7］对国内研究进行了综述，提出有必要系统地研究流场特性和地震动特性对海底管线周围流场和受力的影响规律。岳波等［8］利用缩尺模型开展了海底电缆在水流作用下的涡激振动试验，分析得到模型的振动频率、响应幅值、模态特征等数据。潘盼等［9］对某海洋石油开采项目采用的子母管结构进行涡激振动特性研究，并与相同海缆在自由悬跨状态下振动特性进行比较。数值仿真结果显示涡激升力是导致垂直方向振动的主要原因。冯雨珊等［10］提供了波浪力作用下海缆动力学模型的建立和求解方法，并对数据进行了分析，为分析海底电缆的力学特性及通过光纤振动监测其工作状态提供了参考。吴荣辉等［11］采用ABQUS 数值模拟方法，建立埋设机海底电缆铺设数值模型，开展不同挖沟深度条件下海底电缆整体受力分析研究。郭强等［12］基于海南联网500 kV海底电缆路由埋深检测数据，分析了琼州海峡海底电缆埋深变化特征，探讨了海缆埋深变化的原因。

在冲刷防护研究方面，谌军等［13］基于数值仿真的方法，得到海缆冲刷发展的三个阶段，并针对埋深海缆冲刷的机理，研发一种新型海缆保护装置。马坤明［14］对海底管线冲刷防护措施中的后挖沟埋设法、结构支撑法和抛石法的优缺点进行了比较。郑炳文等［15］针对胜利海上油田海底电缆悬空损伤进行分析，设计新型海底电缆保护装置，并提出新型海底电缆保护装置的规范要求。

目前，在海底管道、海缆悬跨段涡激振动，流场特性方面研究较多，多集中于单条海缆管线，在串列海缆悬跨段流场特性方面的研究仍然较少。

本文基于不可压缩的N-S方程和标准k-ε湍流模型分析海流作用下串列海缆悬跨段的流场特性，并结合如东H15＃海上风电场工程项目提出对应的防护措施，以期为类似工程建设提供一定的参考。

1 工程概况

如东H15＃海上风电项目，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，东西方向平均长约为5.6 km，南北宽约为5.7 km，规划海域面积约32 km2。风电场配套设置一座220 kV 海上升压站及一座陆上集控中心，海上升压站位于风电场中部偏西海域。本工程共有8 个联合单元汇总到海上升压站。每8～9台风力机组成1 个联合单元，由35 kV 集电线路海缆以链形连接起来汇集电能。8 个联合单元的电能在升压站汇集、升压至220 kV，再通过220 kV 输电线路海缆传输至陆上集控中，进而输送至电网。随着海流长期往返运动，海上升压站附近易产生冲刷，造成海缆悬跨，并进一步向周围扩展。随着悬跨段的不断增加，造成海缆张力加大，导致海缆损坏，因此有必要对串列海缆悬跨段流场特性进行分析并提出相应的防护措施。

2 流场特性研究

2.1 控制方程

采用不可压缩的N-S 方程描述海流运动，连续性方程和动量方程分别为：

式中：u为来流速度；ρ为流体密度；p为压力；υ为流体运动黏性系数。

标准k-ε模型方程为：

式中：k为湍流动能；ε为湍能耗散率；μ为湍流黏性系数；Gk为层流速度梯度产生的湍流动能；C1ε和C2ε为湍流系数，分别取1.44 和1.92。

2.2 数值模型

数值模型如图1 所示，简化为串列圆柱绕流问题。计算域高度H为1 m，宽度W为3.2 m，海缆直径D为0.16 m，L／D为2，G／D为1，前柱中心距左侧边界0.8 m。左侧边界为速度入口边界，速度为1.875 m／s，右侧边界为压力边界，其余边界设置为无滑移壁面边界，网格划分如图2 所示。

图1 数值模型图

图2 网格划分图

2.3 结果分析

图3 所示为串列圆柱附近流线图。由图可见，在绕流初期，前柱上游没有漩涡出现，在前后柱的下游均形成两个近似对称漩涡并逐渐扩展。经过一定时间的发展，前后柱上方漩涡被流体的粘性耗散掉，逐渐向下方移动，而后下方的漩涡脱落向上方发展，之后漩涡脱落交替反复进行。

图3 串列海缆附近流线图

图4 示出串列圆柱周围压力分布，串列圆柱之间存在负压区，使得该处流体速度增大，压力减小，从而产生上述的漩涡脱落。在串列圆柱绕流中后柱所受到的力与前柱有关，前柱先产生卡门涡街，使流场发生变化，在后柱的两侧形成明显压力差，导致后柱受到流体的不均匀作用力，使得后柱受前柱的力随着时间呈周期性变化。为避免海缆在周期性力作用下的疲劳破坏，需采取一定的防护措施。

图4 串列海缆周围压力分布图

3 防护措施研究

借鉴桥梁桩基防护方法，工程中常用砂袋结合土工布方式进行防护，该方法的优点是施工简单，不影响正常生产，防护的范围比较广，但由于如东H15＃风电场海区潮流大、流速大，且土工布不具备促淤作用，在海流长期作用下，土工布易被破坏，进一步造成二次冲刷，因此并不是最适宜的方法。同样施工简便的短桩支撑法可以有效地固定海缆，减小涡激振动的危害，但其保护范围小，且无法消除悬空，因此也不适用。在综合考虑各类环境因素的条件下，建议采用如下两类防护方案：

（1）柔性材料防护。①在海缆上方覆盖“仿生草”，仿生水草可有效减缓来流速度，减小床面冲刷，同时将海流中的泥沙沉积到海缆周围。②在海缆上方安装悬浮帘，使其在水中悬浮并来回摆动，进而减缓水流流速，实现泥沙淤积。③在海缆下方安装柔性导流板，减小海缆上下游的压力差，促使缆线自埋。该方法防护效果较好，不影响海缆正常工作。实际应用中，应结合不同悬跨区段特点采用不同措施。

（2）压载管道法。利用土工布结合混凝土连锁排进行冲刷防护，可提高覆盖层抗冲刷能力，且具有一定的促淤作用，整体性好，能较好适应床面变形，施工简单，施工质量易控制，对于悬跨段较长的缆线防护具有很好的适应性，施工中要注意垫层的刚性边缘引起的海床冲刷。

4 结语

本文建立数值计算模型分析海流作用下串列海缆悬跨段的流场特性，并结合如东H15＃海上风电场工程项目对海缆悬空段防护措施进行探讨，得出主要结论如下：

（1）串列悬跨海缆之间存在负压区，使得该处流体速度增大，产生周期性的漩涡脱落现象。海缆后柱受到周期性的作用力，对海缆的安全运营造成影响。

（2）根据该工程海区特点，建议采用柔性防护法和压载管道法对悬跨段海缆进行防护。在具体施工中，可根据悬跨区段的地质洋流条件，将两种方法结合运用。