如東海上風(fēng)電場(chǎng)穿堤海纜管線對(duì)堤身沉降及滲流的影響

侯斯嘉， 徐政峰

(浙江華東工程咨詢有限公司， 杭州 310000)

0 引 言

在工程中，經(jīng)常遇到不同種類結(jié)構(gòu)穿越堤壩的情形，穿堤工程會(huì)對(duì)堤壩內(nèi)部產(chǎn)生影響，使得堤壩在穿堤項(xiàng)目施工或后期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生變形或滲透破壞等現(xiàn)象，對(duì)堤壩的安全帶來(lái)安全隱患。因此，研究穿堤工程對(duì)堤壩的影響是所有穿堤工作面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。

目前，許多學(xué)者對(duì)不同穿堤情況下堤壩的變形及滲流問(wèn)題進(jìn)行了研究。非開(kāi)挖式穿堤技術(shù)，可以減少穿堤管道對(duì)堤壩的影響，但是在施工過(guò)程中也不可避免的會(huì)對(duì)堤身產(chǎn)生局部擾動(dòng)，影響堤身的變形以及滲流場(chǎng)的分布。頂管技術(shù)是一種常見(jiàn)的穿堤施工方法，麥樹(shù)鋒[1]、陳紅根[2]以及李志堂等[3]對(duì)頂管技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，介紹了一些關(guān)鍵施工技術(shù)；丁禮建[4]對(duì)水平頂管穿堤的加固措施及其對(duì)海堤的變形影響進(jìn)行了研究；盛興堯等[5]利用數(shù)值方法模擬了不同施工狀況下，頂管端面壓力、減阻泥漿模量、管土摩阻力對(duì)頂管上部土體和結(jié)構(gòu)沉降的影響；李艷東[6]、張慶等[7]對(duì)頂管穿堤管道對(duì)堤防的滲透性的影響進(jìn)行了研究。定向鉆穿堤技術(shù)作為一種非開(kāi)挖方法越來(lái)越被廣泛應(yīng)用到種類穿堤工程中[8]。岳青華[9]利用有限元軟件對(duì)多管并行穿堤之間的影響進(jìn)行了分析，計(jì)算了相鄰管道之間不產(chǎn)生相互影響的最小管距。

類似地，在穿堤箱涵或穿堤涵洞的設(shè)計(jì)中，也存在著類似工程問(wèn)題。任火良等[10]利用數(shù)值模擬方法對(duì)曹娥江過(guò)江穿越管工程引起的沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合。張爽[11]和萬(wàn)紅[12]針對(duì)穿堤涵閘滲透問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出了多種防滲處理方法。

除了穿堤管道對(duì)原始堤壩的影響研究外，穿堤管道本身特性也在工程中得到關(guān)注。姜燕等[13]利用數(shù)值模擬分析，研究了穿堤涵管開(kāi)裂的問(wèn)題，認(rèn)為其原因是軟土地基的不均勻沉降。秦蕾[14]對(duì)穿堤涵管的封堵技術(shù)進(jìn)行了介紹。汪彭生[15]等還對(duì)穿堤管道的抗浮問(wèn)題進(jìn)行了分析。

在如東風(fēng)電場(chǎng)的海纜敷設(shè)中，在海岸附近也存在著海纜穿堤的情況，采取的主要方法為非開(kāi)挖定向鉆孔技術(shù)，為了研究所使用的施工方案對(duì)海堤的沉降變形及滲流場(chǎng)的影響，利用數(shù)值模擬方法，針對(duì)H15H海上風(fēng)電場(chǎng)的海纜穿堤工程進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為工程實(shí)踐提供參考。

1 如東H15#海上風(fēng)電場(chǎng)海纜穿堤項(xiàng)目背景

協(xié)鑫如東H15#海上風(fēng)電場(chǎng)工程位于江蘇如東近海海域，竹根沙東側(cè)。場(chǎng)區(qū)中心點(diǎn)離岸約47 km，海底高程0～-10 m。風(fēng)電場(chǎng)近似呈梯形，規(guī)劃海域面積約32 km2。工程規(guī)劃裝機(jī)容量200 MW，風(fēng)電場(chǎng)配套新建一座220 kV海上升壓站和一座陸上集控中心。風(fēng)電場(chǎng)所發(fā)電能匯集至海上升壓站35 kV母線，經(jīng)主變升壓至220 kV后通過(guò)1回220 kV海纜登陸并轉(zhuǎn)220 kV陸纜接至風(fēng)電場(chǎng)220 kV陸上集控中心，通過(guò)陸上集控中心電纜出線后通過(guò)1回220 kV線路接入220 kV蓬樹(shù)開(kāi)關(guān)站。

根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，勘探深度內(nèi)(勘探孔最深70.60 m)均為第四系沉積物。在海岸區(qū)域向陸地線纜轉(zhuǎn)換時(shí)，需要穿過(guò)已經(jīng)存在的海堤。工程采用非開(kāi)挖定向鉆孔的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)海纜在穿堤段的敷設(shè)。首先利用鉆機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)曲線鉆進(jìn)得到導(dǎo)向孔，然后再根據(jù)土質(zhì)情況采用分級(jí)反拉旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔方法成孔，最后進(jìn)行管道回拖。越堤管材為Φ548×20 mm的鋼管。拖管與電纜穿管結(jié)束之后，管內(nèi)電纜與鋼管之間用沙土回填，外海側(cè)入土處管道口利用洛克塞克封堵，并在管口上方回填土后拋石進(jìn)行保護(hù)，覆蓋寬度為15 m。海堤內(nèi)側(cè)出土點(diǎn)管道口也利用洛克塞克封堵，鋼管與電纜3 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)利用混凝土灌實(shí)。在海堤內(nèi)側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)換井，將海纜通過(guò)電纜隧道接入到集控中心。為了減小穿堤海纜對(duì)海堤的影響，在海堤下方海纜管外側(cè)的擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行鉆孔壓密注漿。

非開(kāi)挖定向鉆穿堤部分約460 m，施工時(shí)間約30天，于2021年1月30日前完成。圖1和圖2分別為如東海上風(fēng)電項(xiàng)目200 kV海纜登陸段的平面圖和剖面圖，其中H15#為本研究中的主要對(duì)象。

圖1 如東海上風(fēng)電項(xiàng)目220 kV海纜登陸設(shè)施平面圖

圖2 如東海上風(fēng)電項(xiàng)目220 kV海纜登陸區(qū)段剖面圖

2 如東海上風(fēng)電場(chǎng)海纜穿堤數(shù)值模型

2.1 滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合理論

本計(jì)算中，采用多孔彈性理論計(jì)算滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合。多孔彈性理論中應(yīng)力、應(yīng)變與孔隙水壓力的關(guān)系為：

σ=Cε-αbpfI

(1)

式中：σ是柯西應(yīng)力張量；ε為應(yīng)變張量；αb為Biot-Willis系數(shù)；pf為孔隙水壓力；C為彈性張量。根據(jù)Biot定理，孔隙水壓力可以表示為

pf=M(ζ-αbεvol)

(2)

式中：M為Biot模量；ζ為多孔介質(zhì)內(nèi)的流體增量；εvol為土體的體應(yīng)變。土體的貯水系數(shù)可表示為

(3)

根據(jù)材料特性，S可以表示為流體體積模量Kf和固體體積模量Ks的函數(shù)：

(4)

式中，εp為孔隙率。

土體的排水條件下的體積模量Kd與Ks的關(guān)系約為

Kd≈(1-εp)Ks

(5)

且

(6)

則可得

(7)

描述流體滲流的質(zhì)量守恒方程為

(8)

式中：Qm為源項(xiàng)；流速u通過(guò)達(dá)西定律計(jì)算得到

(9)

式中：κ為滲透率；g為重力加速度；D為高程。

根據(jù)貯存模型

(10)

得到質(zhì)量守恒方程為

(11)

源項(xiàng)Qm與土體發(fā)生的應(yīng)變率的關(guān)系為

(12)

2.2 模型設(shè)置

以所有已建的穿越海纜的為中心，建立如圖3所示的模型圖。在沿著海堤走向的方向上的模型長(zhǎng)度為140 m，垂直于海堤方向上，以海堤表面為中心向海堤內(nèi)側(cè)和外海側(cè)各延伸50 m，總寬度100 m，以外海側(cè)地表高程為參考，向下取地層深度為20 m。

圖3 數(shù)值模擬模型幾何示意圖(m)

圖4為模型網(wǎng)格圖，并利用不同顏色區(qū)分網(wǎng)格的尺寸，穿堤管內(nèi)的網(wǎng)格為棱柱體網(wǎng)格，混凝土面板為六面體網(wǎng)格，地層及海堤為四面體網(wǎng)格，由棱柱體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格向四面體網(wǎng)格過(guò)渡區(qū)為金字塔形的五面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)52 922個(gè)。

圖4 模型網(wǎng)格圖(m)

圖5和圖6分別為模型的力學(xué)和水力學(xué)邊界條件。對(duì)于力學(xué)邊界，模型的四周邊界和底面邊界均為法向約束條件，模型上表面為無(wú)荷載且不約束位移的自由邊界條件。對(duì)于滲流場(chǎng)而言，模型的垂直于海堤走向的兩個(gè)側(cè)面和底面邊界均設(shè)置為不透水邊界，外海側(cè)和海堤內(nèi)側(cè)表面均設(shè)置為水頭邊界條件，水頭按實(shí)際情況給定。根據(jù)調(diào)查資料顯示，外海側(cè)的最高水位為4.38 m，海堤內(nèi)側(cè)的最低水位為-3.32 m。

圖5 模型力學(xué)邊界條件(m)

圖6 模型水力邊界條件(m)

模型中使用的材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。在模擬過(guò)程中，地層土體視為彈塑性材料，并利用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則模擬土體的塑性行為，混凝土視為彈性材料。

表1 模型中使用的材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行H15#海纜穿堤施工之前，其他穿堤海纜的施工已經(jīng)完成，在本研究中將分析H15#海纜穿堤的施工過(guò)程中對(duì)海堤的影響。當(dāng)H15#海纜穿堤處鉆孔完成時(shí)，海堤及其周圍土體的位移場(chǎng)分布如圖7所示。從圖中可以清晰地看到一條與H15#海纜穿堤位置平行的一條發(fā)生豎向位移集中的區(qū)域；在H15#海纜穿堤孔周圍發(fā)生的位移較大，在鉆孔水平兩側(cè)的水平位移較小，而上下的豎直向位移較大，在開(kāi)孔處下部由于卸載產(chǎn)生向上的移位，最大位移達(dá)到12 mm，而開(kāi)孔處上部產(chǎn)生向下的位移，最大達(dá)到6 mm以上。

圖7 H15#海纜穿堤鉆孔后的豎向位移(m)

圖8為海堤表面中線上的沉降情況。由圖可見(jiàn)，在H15#海纜管線完成開(kāi)挖后，在H15#管線正上方的位置海堤表面產(chǎn)生的沉降最大，大概為0.85 mm，說(shuō)明鉆孔的影響主要在其周圍局部，短期內(nèi)對(duì)海堤的變形影響不大。但是如果不進(jìn)行處理，在滲透作用的影響下，影響范圍可能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖8 H15#海纜穿堤完成后的海堤表面中線的沉降量

圖9是在H15#海纜穿堤孔鉆孔后的土體的塑性變形情況，從圖中可以看出，塑性變形分布較為集中，主要發(fā)生在海堤的正下方，且最大塑性應(yīng)變?yōu)?.5×10-3。在發(fā)生塑性變形較大的區(qū)域，土體受到的擾動(dòng)較大，滲透性增加，強(qiáng)度降低，如不處理，可能在滲流過(guò)程中在海纜管道與土體接觸的位置發(fā)生侵蝕，進(jìn)一步引起海堤表面的沉降。

圖9 鉆孔后H15#海纜穿堤孔周圍土體的塑性應(yīng)變區(qū)分布

假設(shè)鉆孔后對(duì)塑性區(qū)不做處理，則土體的滲透系數(shù)增加，圖10為H15#海纜鉆孔后，塑性區(qū)土體的滲透系數(shù)增加10倍后的流速分布圖?？梢钥闯?，土體內(nèi)的水流集中在H15#海纜管周圍，形成了沿著海纜管周的滲透通路，在滲流力的作用下，管周的土體進(jìn)一步發(fā)生松動(dòng)，強(qiáng)度降低，而引起管線上方海堤的沉管。所以，在所有的如東海上風(fēng)電海纜穿堤工程中，均對(duì)海堤下部的管道周圍進(jìn)行了壓密灌漿。假設(shè)壓密灌漿區(qū)的強(qiáng)度提高10倍，滲透率降低10倍，計(jì)算得到的流速分布如圖11所示?？梢钥闯?，在壓密灌漿后，滲流場(chǎng)在整個(gè)模型中分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生集中滲透的現(xiàn)象，在施工后的運(yùn)行期內(nèi)，不會(huì)在管周形成侵蝕或脫空問(wèn)題，減輕海纜穿堤對(duì)海堤的影響。

圖10 塑性區(qū)土體滲透系數(shù)增大10倍后的流速分布

圖11 在塑性區(qū)進(jìn)行壓密灌漿后的流速分布

4 結(jié) 論

在種類穿堤工程中，穿堤管線對(duì)堤身的變形特性及滲透特性的影響是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。利用有限元方法，對(duì)如東海上風(fēng)電場(chǎng)的海纜穿堤工程進(jìn)行了模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1) 利用非開(kāi)挖定向鉆孔技術(shù)施工，在鉆孔完成后沒(méi)有采取保護(hù)措施的情況下，會(huì)在鉆孔周圍形成塑性變形區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)土體的力學(xué)性能變低，滲透性能增強(qiáng)，且最大塑性變形發(fā)生在堤身正下方；

(2) 如果不對(duì)鉆孔周圍的擾動(dòng)土體進(jìn)行加固或防滲措施，會(huì)因?yàn)闈B透率的增加在管道周圍形成高滲透率的通道，會(huì)在滲透水流的沖刷下使管道開(kāi)挖的影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，從而引起海堤表面更大的變形；

(3) 在采用壓密注漿防滲措施后，使得在穿堤工程周圍的滲流場(chǎng)受到的影響得到改善，流速分布均勻，不會(huì)出現(xiàn)集中滲流的趨勢(shì)，并且壓密注漿對(duì)堤身下方的塑性區(qū)起到加固作用，可防止塑性區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展，說(shuō)明對(duì)管道周圍進(jìn)行壓密注漿，是一種降低穿堤工程對(duì)堤身變形及滲透影響的有效方法。