郭強(qiáng)，黃小衛(wèi)，蔣道宇，馮衡，王亞東，劉春，鄭春波

1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 510000

2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000

3.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221

海底電纜是跨海地區(qū)之間電力傳輸?shù)闹匾b備，海底電纜故障會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)與電網(wǎng)之間解列，期間如果發(fā)生機(jī)組故障跳機(jī)或負(fù)荷突然升高，會(huì)造成電網(wǎng)低頻事故，極易造成大面積停電。所以在海纜故障后，要在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)施搶修施工，避免對(duì)經(jīng)濟(jì)、生活等產(chǎn)生重要影響。這就帶來我國(guó)對(duì)海底電纜搶修技術(shù)研發(fā)的迫切需求。但海底電纜搶修水下施工關(guān)鍵技術(shù)僅有國(guó)外少數(shù)幾家公司掌握。海底電纜搶修主要分為4 個(gè)部分，分別是海纜覆蓋物清理、海纜水下切割、海纜打撈和海纜回放。而海底拋石壩清理則是海底覆蓋物清理主要過程之一。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外航道整治等工程的經(jīng)驗(yàn)，水下石塊清理通常采用抓斗清理或者水下爆破，但這些都是海底大面積的石塊清理，對(duì)海底電纜安全有較大威脅。拋石壩保護(hù)是海底電纜常見的保護(hù)方式[1]，國(guó)內(nèi)缺少海底電纜拋石壩清理經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績(jī)，也沒有成熟的清理方式，故對(duì)海底電纜拋石壩清理技術(shù)進(jìn)行研究，已成為海底電纜搶修的重要課題。針對(duì)深水拋石壩的清理，國(guó)外通常采用大流量挖掘機(jī)設(shè)備，提供類似水下清理服務(wù)和設(shè)備的公司有新加坡James Fisher 和蘇格蘭Rotech 等公司。而針對(duì)拋石壩的機(jī)械清理去保護(hù)問題國(guó)內(nèi)外研究較少，程志遠(yuǎn)等[2]采用有限差分法模擬船錨和管線，采用離散單元法模擬拋石保護(hù)層，并對(duì)該模型的船錨侵入位移和管線的側(cè)壁承壓進(jìn)行了計(jì)算，證明該耦合方法合理可行；肖鵬[3]基于離散元理論，以顆粒離散元分析軟件為平臺(tái)，對(duì)用于防護(hù)海底電纜的海底拋石壩在船錨作用下碰撞侵徹、拖動(dòng)下的破壞變形進(jìn)行計(jì)算仿真，從而為拋石壩的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

作為清洗技術(shù)之一的高壓水射流技術(shù)一直備受人們的關(guān)注[4]。在眾多技術(shù)人員的共同努力下，高壓水射流技術(shù)發(fā)展迅速，并逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是建筑行業(yè)，如在設(shè)備清理、除銹等方面，高壓水射流技術(shù)占據(jù)了70%以上的市場(chǎng)份額。但由于水下作業(yè)難度大，目前市場(chǎng)上用于海底石塊高壓水射流清理的相關(guān)設(shè)備較少[5]。李欣等[6]設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來研究射流入射角對(duì)環(huán)氧樹脂涂層去除的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)射流入射角為50°左右時(shí)，環(huán)氧涂層的去除效率最高。陳曉晨等[7]提出了水射流擊中目標(biāo)后的裂紋判據(jù)，并推導(dǎo)出了裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力準(zhǔn)則，研究認(rèn)為顆粒周圍的微觀裂縫會(huì)擴(kuò)大，直到它們相遇，這導(dǎo)致材料顆粒從基體上剝落。李明輝等[8]則將高壓水射流清理技術(shù)應(yīng)用于石化行業(yè)，經(jīng)過不斷探索，他們?cè)O(shè)計(jì)制造了用于油田清理作業(yè)的高壓水射流自動(dòng)清理設(shè)備，該設(shè)備的研制成功為高壓水射流清理技術(shù)在油田化工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

目前對(duì)海底電纜拋石壩清理先例較少，本文提出了2 種清理方式：水射流清理以及水下機(jī)械清理，并分別對(duì)這2 種方式的清理過程進(jìn)行仿真，量化關(guān)鍵參數(shù)，為海底拋石壩清理技術(shù)提供重要參考。

1 水射流清理法及其仿真

水射流法是通過內(nèi)部大功率的渦輪增壓機(jī)將兩側(cè)吸收的水流加速?gòu)某鏊趪姵?，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，將拋石沖開。水射流在海底拋石壩清理過程中的適用范圍尚不明確，采用FLUENTEDEM 耦合仿真的方法對(duì)水射流在拋石壩清理過程進(jìn)行仿真分析。

1.1 海底拋石壩離散元建模

以南海某海域海底電纜拋石保護(hù)為例，拋石段水深主要在20～110 m 區(qū)域，拋石壩在海床中橫斷面呈龜背型，底寬約6～10 m，高度約1～1.5 m。拋石壩分內(nèi)外兩層，內(nèi)層初步保護(hù)層層高(相對(duì)于電纜頂部?jī)舾?不小于0.5 m，采用粒徑為2.5～5 cm碎石；外層為粒徑為5～20 cm 塊石。海底拋石壩以碎石為主，石塊密度為2 600 kg/m3，泊松比為0.38，剪切模量為1.0×108Pa，碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.5，靜摩擦系數(shù)0.6，動(dòng)摩擦系數(shù)0.05。建模仿真時(shí)不區(qū)分大小石塊的差異[9]。

建立規(guī)則實(shí)體模型，再創(chuàng)建平面對(duì)規(guī)則實(shí)體進(jìn)行切割。在將顆粒的參數(shù)設(shè)定好之后，導(dǎo)入到EDEM 軟件中。擬合石塊之后，依據(jù)石塊的半徑，按正態(tài)分布的規(guī)律設(shè)置不同石塊大小的生成比例。將梯形截面石壩體模型導(dǎo)入到EDEM 中作為石塊的生成模具，采用動(dòng)態(tài)生成顆粒的方法建模。待石塊動(dòng)態(tài)生成填充滿拋石壩模型之后，需要再運(yùn)行一段時(shí)間消除因動(dòng)態(tài)生成方法所產(chǎn)生的動(dòng)能，使整個(gè)壩體穩(wěn)定。設(shè)置分析步長(zhǎng)為1×10-5s，分析總時(shí)間為2 s，計(jì)算的網(wǎng)格大小為顆粒半徑的3 倍。生成拋石壩模型如圖1 所示。

圖1 拋石壩模型

1.2 水射流沖擊海底平面有限元仿真分析

海底拋石壩在實(shí)際清理時(shí)會(huì)面臨多種工況，而且在石塊清理過程中，水射流流速、水射流直徑、石塊大小等對(duì)石塊的清理效率有直接影響。

其中沖石塊的啟動(dòng)條件可以根據(jù)Shields 準(zhǔn)則來計(jì)算：

式中：ψ為Shields 數(shù)，該數(shù)越大，石塊的運(yùn)動(dòng)性就越強(qiáng)；ψcr為臨界Shields 數(shù)；τ為 剪切應(yīng)力；ρr為石塊的密度；ρw為海水的密度；g為重力加速度；D為石塊直徑。

作用在石塊上的海流剪切應(yīng)力為

式中：u為流速；C為海底摩擦Chezy 系數(shù)，在大多數(shù)數(shù)值模擬中，Chezy 系數(shù)由r值為0.02～0.03取得，。

當(dāng)ψcr=0.03～0.035時(shí)，石塊開始運(yùn)動(dòng)；當(dāng)ψcr=0.05～0.055 時(shí)，石塊有限制的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)式（1）和式（2），可以確定射流器所需的最小流速，從而確定射流器所需泵的最小功率。故之后依據(jù)理論啟動(dòng)流速，對(duì)具體情況下的不同工況進(jìn)行仿真分析[10]。

在FLUENT 中建立水射流沖擊模型，如圖2所示，網(wǎng)格水射流直徑為1 m，創(chuàng)建長(zhǎng)10 m、寬10 m、高1.3 m 的流場(chǎng)。網(wǎng)格尺寸大于石塊直徑至少3 倍，流體域網(wǎng)格體積大于石塊體積至少10 倍，這是為了使整個(gè)模型耦合分析時(shí)能收斂。同時(shí)設(shè)置海水密度為1 050 kg/m3，使用k-ε湍流模型，入口流速為10 m/s[11]。

圖2 水射流沖擊海底平面

1.3 有限元-離散元耦合仿真

通過FLUENT 導(dǎo)入耦合編譯文件，進(jìn)行初始化，設(shè)置分析步為100，分析步時(shí)長(zhǎng)為0.001 s，這個(gè)分析步時(shí)長(zhǎng)為FLUENT 中的分析步長(zhǎng)，最終時(shí)長(zhǎng)與EDEM 耦合之后共同影響，模型收斂之后的時(shí)間里清理效果保持不變。耦合之后模型如圖3所示。之后可根據(jù)不同的工況修改參數(shù)，通過結(jié)果分析以及不同工況之間的對(duì)比，計(jì)算出石塊精確的啟動(dòng)流速與安全的流速范圍。其中海底電纜的參數(shù)中，平均密度為3 210 kg/m3，楊氏模量為7.31×107Pa，泊松比為0.33[12]。

圖3 水射流沖擊拋石壩

1.4 結(jié)果分析

采用相等直徑的高壓水流裝置對(duì)拋石壩進(jìn)行清理，數(shù)值模擬得到的清理效果如圖4 所示。當(dāng)水流流速為10 m/s 時(shí)，清理效果如圖4(a)所示。拋石壩經(jīng)過0.03 s 的水流作用后，上層的大部分石塊被清除，模型在0.03 s 之后就開始收斂，之后繼續(xù)作用結(jié)果仍然不變，以下同理。然而，一些石塊在受到撞擊后堆積在電纜周圍。海底電纜上仍有許多石塊覆蓋。當(dāng)水流流速為20 m/s 時(shí)，清理效果如圖4(b)所示，基本上沒有石塊覆蓋電纜。但是，電纜的兩側(cè)都堆滿了石塊。當(dāng)水流流速為30 m/s 時(shí)，清理效果如圖4(c)所示。這時(shí)候海纜周圍的石塊基本都清理干凈了。因此水流速度優(yōu)選設(shè)置為30 m/s，每個(gè)固定位置的沖擊持續(xù)時(shí)間至少為0.055 s。然后可以移動(dòng)水射流沖擊其他位置，從而提高清理效率。

圖4 不同水流流速清理效果

在清理石塊的過程中，海底電纜會(huì)因與石塊的碰撞而發(fā)生相對(duì)變形。因此，可以從應(yīng)變的角度觀察不同流速對(duì)電纜應(yīng)變的影響。因?yàn)槭瘔K堆放在海底電纜上面。選擇位于海底電纜外層上表面的中心點(diǎn)單元來進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，因?yàn)樵搯卧a(chǎn)生的應(yīng)變更加明顯。

圖5 分別為水流速度為10、20 和30 m/s 時(shí)所選單元Y軸的應(yīng)變-時(shí)間曲線。當(dāng)以10 m/s 的水流沖擊0.025 s 時(shí)，圖5(a)的曲線趨于變平，這表明該單元此時(shí)基本上沒有石塊，該單元只被水流作用；當(dāng)以20 m/s 的水流沖擊0.022 5 s 時(shí)，圖5(b)的曲線趨于變平；當(dāng)以30 m/s 的水流沖擊0.02 s 時(shí)，圖5(c)的曲線趨于變平緩。此外，流速為20 m/s時(shí)該單元的應(yīng)變峰值為7×10-6；在10 和30 m/s 流速下該單元的應(yīng)變峰值為5×10-6。

圖5 不同水流流速海底電纜外層中心點(diǎn)Y 軸的應(yīng)變-時(shí)間曲線

經(jīng)分析可得，在應(yīng)變-時(shí)間曲線的比較中，當(dāng)水流速度為10 m/s 和30 m/s 時(shí)，電纜上的單元承受的應(yīng)變最小。由圖4 可知，當(dāng)水流流速為30 m/s時(shí)，清理效果最好。所以當(dāng)水流流速為30 m/s時(shí)，海纜的變形相對(duì)最小，拋石壩的清理效果也是相對(duì)最好的。其他工況可按同樣的方法來進(jìn)行仿真分析。

2 水下機(jī)械清理法及其仿真

2.1 海底拋石壩清理設(shè)備概念設(shè)計(jì)

水下拋石過程是海洋工程和水利工程中的常見問題[13]，針對(duì)海底管線在復(fù)雜海床地質(zhì)條件下形成的懸空段，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素，通常實(shí)施拋石填充保護(hù)方案[2]。按照前文分析方法，通過離散元軟件使用EDEM 建立拋石壩模型。

如圖6 所示，設(shè)計(jì)一種具有海底電纜拋石壩去保護(hù)功能的清理設(shè)備，包括底盤運(yùn)載裝置、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、浮力模塊、傳動(dòng)裝置等。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用鏟斗加滾筒結(jié)合的方式，能有效地進(jìn)行大石塊的清理及在清理過程中的電纜失效控制。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)裝置相連接，將拋石壩的石塊清理運(yùn)輸至拋石壩附近而不影響后續(xù)工作。底盤運(yùn)載裝置采用履帶式海底爬行裝備，通過調(diào)節(jié)浮力模塊控制接地壓力，減小作業(yè)沉陷。

圖6 海底拋石壩去保護(hù)清理設(shè)備

2.2 末端執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

對(duì)清理設(shè)備的末端設(shè)計(jì)滾筒結(jié)構(gòu)和鏟斗結(jié)構(gòu)相結(jié)合的裝置，用來進(jìn)行拋石壩清理。末端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮其在清理過程中所受到的反作用力大小。在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，裝備需要通過水平方向和滾筒旋轉(zhuǎn)方向2 個(gè)自由度相互組合進(jìn)行作業(yè)。為模擬實(shí)際工況下的清理效果，采用ADAMS 與EDEM耦合分析的方法進(jìn)行分析，通過在滾筒施加沿清理方向的反作用力，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)，模擬末端裝備在清理過程中受到的2 個(gè)自由度的組合運(yùn)動(dòng)。對(duì)末端執(zhí)行裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖7 所示，采用EDEM 與ADAMS 聯(lián)合仿真的方法進(jìn)行分析，分析動(dòng)態(tài)清理石塊過程中的受力變化，明確裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

圖7 末端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與作用力分析

利用Solidworks 先建立規(guī)則實(shí)體模型，離散元軟件使用EDEM，在將顆粒的參數(shù)設(shè)定好之后，導(dǎo)入到EDEM 中再與ADAMS 進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。需要運(yùn)行一段時(shí)間消除因動(dòng)態(tài)生成方法所產(chǎn)生的動(dòng)能，使整個(gè)壩體穩(wěn)定。將末端鏟斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，分析在作業(yè)過程鏟斗所受到的阻力大小，將所受的阻力施加到ADAMS 中，分析結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程的受力變化，對(duì)末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

因?yàn)檠b置的主要功能是清理外層大石塊，所以針對(duì)的石塊主要為拋石壩外層最大石塊，直徑約為20 cm。末端鏟斗結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)拋石壩的底層尺寸進(jìn)行分析，如圖8 所示。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為底部長(zhǎng)度2 000 mm、高度500 mm 的鏟斗裝置，便于清理底部較大的石塊；滾筒裝置為直徑大小200 mm 的空心圓柱體，用來傳動(dòng)鏟斗內(nèi)部堆積的石塊，防止產(chǎn)生的反作用力較大，進(jìn)而影響石塊的清理；外部采用機(jī)械爪裝置，爬齒間距為100 mm，以免最小的石塊從縫隙中漏出。不同鏟斗清理石塊阻力大小不同。

圖8 末端鏟斗結(jié)構(gòu)

如圖9 所示，末端鏟斗設(shè)備在進(jìn)行作業(yè)過程中，鏟斗所受到的反作用力呈先增大后減小的趨勢(shì)。在0～2 s 過程中逐漸增大，增大到6 237.5 N時(shí)達(dá)到滿載的狀態(tài)，此時(shí)所受到的力是最大的阻力。在達(dá)到滿載作業(yè)力后，反作用力逐漸減小至623 N。為計(jì)算鏟斗與石塊間的相互作用力，提取最大值作為阻力，計(jì)算鏟斗是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 運(yùn)動(dòng)過程中的反作用力變化

2.3 末端裝備動(dòng)力學(xué)分析

將模型簡(jiǎn)化導(dǎo)入到ADAMS 中，模型主要由滾筒結(jié)構(gòu)、鏟斗結(jié)構(gòu)、滾齒3 部分組成，如圖10所示。對(duì)滾筒裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，分析在清理過程中驅(qū)動(dòng)力的大小。驅(qū)動(dòng)力是指在滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)所提供的力，是設(shè)計(jì)末端裝置能夠進(jìn)行作業(yè)的關(guān)鍵問題。

圖10 末端結(jié)構(gòu)ADAMS 建模

1）對(duì)鏟斗加滾筒裝置部分施加反作用力6 237.5 N，分析裝置在運(yùn)動(dòng)過程中驅(qū)動(dòng)力的變化，如圖11 所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)力最大值為35 627.2 N，最小值為1 394.1 N。滾筒在運(yùn)行過程中反向作用力呈先增大后減小的趨勢(shì)，與鏟石塊過程基本趨勢(shì)大致相符。在達(dá)到平穩(wěn)后，力的大小在10 000～20 000 N 波動(dòng)。

圖11 末端結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力變化

2）對(duì)鏟斗加滾筒裝置部分施加反作用力6 237.5 N，分析裝置在運(yùn)動(dòng)過程中接觸力的變化。接觸力是指施加反向作用力后相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的接觸摩擦的受力變化，是體現(xiàn)關(guān)節(jié)受力的關(guān)鍵影響因素。如圖12 所示，通過分析發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)過程末端結(jié)構(gòu)接觸力的最大值為34 425.4 N，最小值為1 104.58 N。滾筒在運(yùn)行過程中接觸力呈先增大后減小的趨勢(shì)，與鏟石塊過程基本趨勢(shì)大致相符。在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，接觸力穩(wěn)定在10 000～20 000 N。

圖12 末端結(jié)構(gòu)接觸力變化

3）對(duì)鏟斗加滾筒裝置部分施加反作用力6 200 N，分析裝置在運(yùn)動(dòng)過程中水平方向作用力的變化。如圖13 所示，分析發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中旋轉(zhuǎn)力最大值為31 200 N，在施加沿清理方向運(yùn)動(dòng)的反作用力后，滾筒在運(yùn)行過程中水平方向作用力呈先增大后減小的趨勢(shì)，與鏟石塊過程基本趨勢(shì)大致相符。在達(dá)到平穩(wěn)后，水平方向的作用力為10 000 N 左右，說明在水平方向上的受力大小呈先增大后減小至平穩(wěn)狀態(tài)。

圖13 末端結(jié)構(gòu)水平方向作用力變化

3 拋石壩清理過程對(duì)海底電纜的影響

在海底電纜拋石壩的清理過程中，清理設(shè)備例如大流量挖溝機(jī)或者其他水下機(jī)械設(shè)備等在執(zhí)行清理任務(wù)時(shí)，很可能會(huì)對(duì)海底電纜造成一定影響。嚴(yán)重的甚至?xí)购５纂娎|失效，造成二次損壞。所以明確拋石壩清理過程對(duì)海底電纜的影響，有利于在拋石壩清理過程中避免出現(xiàn)危險(xiǎn)和不利情況，使清理設(shè)備在安全范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 石塊沖擊損壞

利用大流量挖溝機(jī)產(chǎn)生高速水射流對(duì)拋石壩進(jìn)行清理，產(chǎn)生的水柱直徑較大、流速快、流量大。石塊會(huì)因?yàn)楦咚偎淞鞯臎_擊而四處飛濺，飛濺的石塊具有較大的動(dòng)能，海底拋石壩中塊徑最大的石塊可達(dá)204 mm，這種級(jí)別的石塊在帶有一定速度的情況下沖擊海底電纜，對(duì)海底電纜的影響是不可逆的。在這種情況下，常用的保護(hù)措施包括埋深、沖埋、套管和拋石等[14-15]。面對(duì)這種情況，必須嚴(yán)格控制水射流的口徑和流速，將石塊對(duì)海底電纜的沖擊影響降至最小[16]。

3.2 水下機(jī)械載荷損壞

水下機(jī)械是由水下運(yùn)載設(shè)備與末端執(zhí)行器組成，水下運(yùn)載設(shè)備為末端執(zhí)行器提供動(dòng)力，末端執(zhí)行器對(duì)石塊進(jìn)行清理。末端執(zhí)行器在進(jìn)行清理過程時(shí)，若是清理高度過深，易與海底電纜產(chǎn)生干涉，使海底電纜保護(hù)層受到損壞，這種情況對(duì)海底電纜的影響同樣不容忽視。如果末端執(zhí)行器為滾輪型式，末端執(zhí)行器的圓周運(yùn)動(dòng)也會(huì)在清理拋石壩時(shí)產(chǎn)生石塊飛濺，導(dǎo)致海底電纜損壞的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。所以為避免清理過程中海底電纜不被破壞，應(yīng)采用滾筒加鏟斗結(jié)合的方式進(jìn)行清理，控制反作用力的大小進(jìn)而防止電纜被破壞。應(yīng)控制水平方向反作用力最大荷載6 200 N，適用于大石塊清理且產(chǎn)生的作用力較大。

4 結(jié)論

上述的2 種海底拋石壩清理方法在面對(duì)不同海況以及石塊大小時(shí)，都有各自的適用范圍。本文給出了一種仿真的方式對(duì)拋石壩過程進(jìn)行模擬，能夠較為準(zhǔn)確地分析出清理石塊的臨界條件與清理效果，為具體進(jìn)行拋石壩清理工作時(shí)的清理方式以及清理設(shè)備選型等提供重要參考。值得注意的是，2 種方法可以復(fù)合起來使用，通過設(shè)備之間的合理切換，在不損壞海底電纜的前提之下，達(dá)到最佳的清理效果和清理效率。