海底電纜拋石保護(hù)層抗錨害能力的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著我國(guó)島嶼間電力網(wǎng)絡(luò)的完善、通信需求的增大，選擇海底電纜作為跨海的電力、通信傳輸介質(zhì)已成為必然。但最近幾年來(lái)海纜被船錨破壞的事故經(jīng)常發(fā)生，使其安全運(yùn)營(yíng)遭到極大威脅，并且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于海床較堅(jiān)硬的地方，目前國(guó)內(nèi)外通常采用拋石保護(hù)層來(lái)防護(hù)海底電纜。雖然這種海纜防護(hù)方式在實(shí)際工程中已有廣泛應(yīng)用，也對(duì)海纜抵御船錨侵害起到了一定的作用，但是其實(shí)際的抗錨害能力在國(guó)內(nèi)外還鮮有定量研究，在拋石的設(shè)計(jì)以及抗錨害能力計(jì)算方面也基本是空白。為此

2、，本文對(duì)海底電纜拋石保護(hù)層抗錨害能力這一實(shí)際工程問(wèn)題展開(kāi)了全面系統(tǒng)的研究，可以為將來(lái)的拋石設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論依據(jù)。本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作：
　　1.錨泊系統(tǒng)荷載研究。為了得到船錨侵害拋石保護(hù)層的初始荷載，本文首先研究了單獨(dú)施加于船體、錨鏈的外部作用力，然后建立了錨泊系統(tǒng)的平衡偏微分方程，并編寫(xiě)了相應(yīng)的迭代求解程序，最后對(duì)三種船錨和對(duì)應(yīng)的船型在多個(gè)放錨階段下的荷載進(jìn)行了計(jì)算，得到了不同放錨階段時(shí)船錨外部作用力。計(jì)算結(jié)果表明，

3、船錨所受豎向力和水平力都隨錨鏈釋放長(zhǎng)度的增加而減小，并呈明顯的非線性特征。
　　2.散體顆粒材料模型及接觸力學(xué)研究。海底電纜拋石保護(hù)層由散體顆粒材料組成，本文首先研究了顆粒的兩種基本模型—軟球模型和硬球模型，提出了相應(yīng)的模型假設(shè)，確定了不同顆粒模型的適用范圍；然后研究了顆粒與顆粒之間的接觸模型，比較了接觸模型之間的差異，確定了不同接觸模型的適用范圍；最后提出了顆粒均一化的基本概念，并給出了顆粒均一化的基本過(guò)程，以平均應(yīng)力的推導(dǎo)為例

4、，實(shí)現(xiàn)了顆粒從微觀尺度到宏觀尺度的均一化過(guò)程。
　　3.基于離散元理論的拋石抗錨害能力研究。本文研究了離散單元法的基本思想，并建立了離散元法的基本運(yùn)動(dòng)方程，給出了幾種求解離散元運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值方法，比較了不同數(shù)值方法的精度和穩(wěn)定性；提出了三種確定時(shí)間步長(zhǎng)的方法，并推導(dǎo)得出了時(shí)間步長(zhǎng)的解析表達(dá)式，給出了不同時(shí)間步長(zhǎng)確定方法的適用范圍；以顆粒離散元分析軟件PFC3D為仿真平臺(tái)，建立了船錨—拋石—海底電纜的離散單元模型， 通過(guò)對(duì)

5、瓊州海峽500kV海底電纜防護(hù)工程這一實(shí)例的計(jì)算分析，定量得到了拋石保護(hù)層的抗錨害能力，并研究了拋石顆粒粒徑和摩擦系數(shù)對(duì)其抗錨害能力的影響。
　　4.基于離散—連續(xù)耦合理論的拋石抗錨害能力研究。首先通過(guò)經(jīng)典變分原理，推導(dǎo)了離散單元法與其它連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法耦合的理論解析式，證明了耦合算法的可行性；然后通過(guò)引入“過(guò)渡層”概念，實(shí)現(xiàn)了離散元法和有限元法的耦合計(jì)算，同時(shí)，通過(guò)接觸面的相容條件和平衡條件，實(shí)現(xiàn)了離散元法和有限差分法的耦合計(jì)

6、算，并都給出了耦合計(jì)算的流程圖；最后依據(jù)同樣一工程實(shí)例，利用PFC3D建立拋石保護(hù)層的離散元模型，同時(shí)利用FLAC3D建立了船錨和海底電纜的有限差分的連續(xù)介質(zhì)模型，通過(guò)離散元—有限差分法的耦合計(jì)算，定量得到了拋石保護(hù)層的抗錨害能力，并將結(jié)果和離散元近似法的結(jié)果作了初步對(duì)比。
　　5.拋石保護(hù)層抗錨害能力的試驗(yàn)研究。針對(duì)國(guó)內(nèi)外缺少相關(guān)試驗(yàn)研究的情況，以及為了驗(yàn)證兩種理論計(jì)算方法的正確性，設(shè)計(jì)了拋石保護(hù)層抗錨害能力的室內(nèi)縮尺試驗(yàn)，采用