海底电缆抛石保护层抗锚害能力的理论与试验研究

With the improvement of China's inter-island electricity network and the increase needs of communication,choosing the submarine cable as.across-sea power and communication transmission medium has become a necessity.Inrecent years, submarine cables damaged by chorages are accident-prone, whichhas become a great threat to its security operations, and caused huge economic losses.For the hard seabed, he riprap covering layer is generally used to protect the submarine cables at home and abroad. However, its anti-anchor damage ability is few quantitative researched both in theory and experiment aroud the world. This project intends to use the finite element method to analyse the initial force while the ship dropping anchor and dragging anchors, and to get the mechanical parameters of the underwater rockfill through indoor field experiment and numerical simulation test. Respectively, using the discrete element method and discrete-finite lement coupled method to make numerical simulation research on the failure strain and cable response of the riprap protection layer of submarine.cables under the penetration of the dropped anchor and the invasion of the dragging anchor. Also, a scale model experiment of dropping anchor and dragging anchor will be conducted to verify the reliability of the numerical analysis.A sensitive analysis will be made on the anti-anchor damage ability for different types of vessels and anchors, water depths, anchored stages, and so on. Besides, a professional analysis software with Chinese independent intellectual property will be developed and this will explore a practical way to make quantitative nalysis.on the ability against anchor damage of submarine cables coverd by the riprap layer.

随着我国岛屿间电力网络的完善、通信需求的增大，选择海底电缆作为跨海的电力、通信传输介质已成为必然。但近几年海缆被船锚破坏的事故常有发生，使其安全运营遭到了极大的威胁，并造成了巨大的经济损失。对于海床比较坚硬的位置，目前国内外一般采用抛石层来保护海底电缆，但是其抗锚害能力无论在理论还是实验方面国内外还都鲜有定量研究。本项目拟采用有限元法分析船只落锚和拖锚时的初始力；通过室内和数值模拟实验测得水下堆石体的力学参数；分别采用离散元法和离散元-有限元耦合法对海底电缆的抛石保护层在落锚侵彻、拖锚侧侵下的破坏变形及电缆的响应进行数值仿真；通过室内缩尺模型进行落锚、拖锚实验，以验证数值分析的可靠性；对抛石保护层的抗锚害能力在不同船只、不同船锚、不同水深、不同抛锚阶段等情况进行敏感性分析；开发一套具有我国自主知识产权的专业分析软件，为抛石防护后海底电缆抗锚害能力的定量分析探一条可行之路。

随着我国岛屿间电力网络的完善、通信需求的增大，选择海底电缆作为跨海的电力、通信传输介质已成为必然。但海缆被船锚破坏的事故经常发生，使其安全运营遭到极大威胁，并且造成了巨大的经济损失。目前国内外通常采用抛石保护层来防护海底电缆。虽然这种防护方式在实际工程中已有广泛应用，但是其实际的抗锚害能力在国内外还鲜有定量研究，在抛石的设计以及抗锚害能力计算方面也基本是空白。本课题主要研究内容及相应成果如下：.1. 基于离散元理论的抛石抗锚害能力研究。建立了离散元法的基本运动方程，给出了几种求解离散元运动方程的数值方法，比较了不同数值方法的精度和稳定性；提出了三种确定时间步长的方法，并推导得出了时间步长的解析表达式，给出了不同时间步长确定方法的适用范围；开发了基于离散元的数值仿真平台，通过对琼州海峡500kV海底电缆防护工程的计算分析，定量得到了抛石保护层的抗锚害能力，并研究了抛石颗粒粒径和摩擦系数对抗锚害能力的影响。.2. 基于离散—连续耦合理论的抛石抗锚害能力研究。首先通过经典变分原理，推导了离散单元法与其它连续介质的数值方法耦合的理论解析式，证明了耦合算法的可行性；然后通过引入“过渡层”概念，实现了离散元法和有限元法的耦合计算。同时，通过接触面的相容条件和平衡条件，实现了离散元法和有限差分法的耦合计算，并都给出了耦合计算的流程图；开发了基于离散—连续耦合的数值仿真平台，依据同一工程实例，采用耦合法定量得到了抛石保护层的抗锚害能力，并将结果和离散元近似法的结果作了初步对比。.3. 抛石保护层抗锚害能力的试验研究。针对国内外缺少相关试验研究的情况，以及为了验证两种理论计算方法的正确性，设计了抛石保护层抗锚害能力的室内缩尺试验，采用与试验相同的工况，分别用离散元法和离散-连续耦合法进行了计算，并将理论解和试验值作了对比，估算了两者之间的误差，应依据实际工程规模、工程重要程度以及现有计算机条件等综合确定数值计算方法。