Byadmin
本实用新型涉及到海底电缆保护领域，更加具体地是适用于近海段海底电缆保护的水泥沙袋坝体。
背景技术：
随着我国经济的快速发展和海上工业的进步，海底电力电缆工程逐渐增多。由于海底电缆资产的重要性，必须对其加以保护以防外部危险，电缆保护费用占总投资的比例往往较大。设计良好的电缆保护措施以提高电缆可靠性及系统有效性，减少电缆系统修复和维护所需的运行成本已经成为广泛的共识。但是，近年来，海底电缆在运行中因船只抛锚、洋流冲击等而遭受损坏的问题日益突出，因此开展海底电缆的保护措施及防锚害评价方法研究非常必要。
对海底电缆的保护应采用综合性的保护措施，包括选择合适的电缆路由、设计合适的电缆铠装、采用可靠的外部保护方法以及维护期间的保护措施等。
海底电缆保护措施总体上又可分为海底电缆自身的保护及敷设时掩埋在海床中防止锚害等事故的保护两大类。
第一类为海底电缆自身的保护，主要是指在海底电缆制造时所采取的保护措施。在海底电缆的外层有防腐层、防蛀层及铠装层，使得海底电缆能够防止海水侵蚀、海上微生物蛀蚀，及具有一定的机械强度以抵抗外力的破坏。
第二类为有效抵御锚害等事故，可在敷设时采用额外的外部保护措施，将海底电缆掩埋在海床中或覆盖保护件，以确保海底电缆的安全运行。
根据施工方法的不同，国内外常用的海底电缆保护方案主要有电缆犁、水力冲埋、预挖沟、抛石、盖板等。近海浅水区域还可采用铁护套和预埋钢管等保护手段，但单纯依靠该种保护仅能抗击较小吨位的锚，需要与预挖沟同时进行以提高保护效果。
a)电缆犁
开沟并将电缆直埋于海底下是现在最常用的保护方法。其中采用电缆犁开沟已有数十年的使用历史，当犁铧切割出狭长的电缆沟时，电缆可被直接引导放置于犁铧后面或通过犁铧的中空槽埋入土中。
受限于电缆犁自身缺乏动力，电缆犁依靠海面船只拖动且电缆犁自身需要对电缆施加很大拖力，这使得犁的位置控制异常困难，尤其是遭遇岩土情况时，岩石和大块圆石会使犁朝向失常，电缆就有挤压和损伤的潜在危险。
b)水力冲埋
另一种直埋保护方式为冲埋保护，即采用高压喷射水流冲击海底形成电缆沟并将海底电缆埋入其中。冲埋保护方案是目前应用最为广泛的保护方案，对电缆保护效果较好，工期短，费用低，尤其适合新敷设电缆的保护施工。但水力冲埋设备需由大型施工船只提供动力，浅水区域往往水深有限，因此大型冲埋设备往往仅适用于深水区。
c)预挖沟
在铺设电缆前，通过预挖沟设备在电缆路由挖沟，将电缆铺设后再利用回填土回填，从而达到对海底电缆的保护。显然，该种保护方式仅适用于挖机能够进行开挖施工的潮间带浅水区域，且地质条件能够保证沟道开挖成型。
d)抛石保护
抛石保护为外部保护方案中常用的一种保护方式，即采用特定级配的石料覆盖于电缆之上形成石坝以抵抗锚害的保护方法。大型抛石船只一般不能进入浅水区域施工，且位于浅水区域的抛石堤坝受风暴潮影响较大，长期运行存在堤坝稳定性问题，所以一般适用于深水区域。另外，采用抛石保护方案需针对海洋环境进行仿真计算和理论分析，以确定石坝的抗锚等保护能力。抛石保护方案耗用石料方量较大，对施工船只及队伍要求高，造价较高。
d)盖板保护
盖板保护也可用于深海区的电缆保护，但由于施工工艺复杂，深海区盖板敷设工期长，费用高，一般应用于近岸侧浅海区域。盖板作业主要用于海底电缆或管道出现交叉情况时采取的交叉跨越保护方案，施工效率极低，不适用于大范围的海缆保护。根据dnv石笼盖板保护分析研究结果，石笼盖板在海床上的稳定性没有问题，但包裹钢丝在海水腐蚀下最长寿命只有20年，且石笼盖板对1t及以上的锚基本没有防护能力。石笼盖板方案仅适用于比较容易施工且只有小型船舶活动的近岸浅水区域的海底电缆保护。
综上所述，开沟保护(电缆犁、冲埋、预挖沟)方案广泛适用于地质条件为浅海软土到中等硬度土层上的电缆保护，其保护效果好、工期短、费用低；
抛石方案具有成熟的经验，且工期、费用和抗锚能力都优于盖板方案，适用于深海区域海底电缆的保护；石笼盖板方案在工期和经济性上都不具有优势，而且只适用于近岸浅水区域的海底电缆保护。
因此，当近岸段海洋底质为岩石层或珊瑚礁时，通常因为海洋底质强度较高而无法用电缆犁、水力喷射机械或挖机进行挖沟埋设，而传统的石笼盖板或混凝土连锁排保护方案均需要岸上进行预制并运到现场施工，费用相对较高，施工周期较长。因此，探寻一种经济性较高且施工方便的近海海底电缆保护技术方案是非常必要的。
同时，目前关于海底电缆保护技术方案的分析评估方法尚不成熟，相关成果鲜见于文献。
对于冲埋保护，挪威船级社在2009年研究出粘性土壤的不排水抗剪强度和船锚贯入深度的关系，从而确定了在粘性土壤中，海底电缆的埋设深度，然而，对于砂质海床及淤泥质海床，由于其土体自身的不透明性，以及冲埋过程的瞬时性和海底环境恶劣性等因素限制，水射流冲埋此类土质的内在机制仍然不清楚，缺少相应的定量评价分析方法。而对于抛石保护，已有的研究成果往往侧重于抛石坝体形态对于锚害的抵抗效果，忽略了坝体自身的洋流稳定性。
在针对锚害保护的研究过程中，相关研究成果往往侧重于对各类型渔网附件入土深度及各类型船锚落锚入土深度进行统计分析，或是结合冲埋设备能力给出海底电缆保护埋深的建议值。而对近岸段保护技术方案的分析评估方法几乎为一片空白。因此，开拓性地对海底电缆近海段海底电缆保护防锚害评价方法开展深入研究同样具有工程实践意义。
因此迫切需要一种结构和一种评估方法来解决上述问题。
技术实现要素：
本实用新型的第一目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出近海段海底电缆覆盖保护的水泥沙袋坝体。
本实用新型的第一目的是通过如下技术方案来实施的：适用于近海段海底电缆保护的水泥沙袋坝体，它位于海底电缆上；它包括水泥沙袋底层、水泥沙袋中间层、水泥沙袋顶层和海床；
所述的水泥沙袋底层、水泥沙袋中间层和水泥沙袋顶层由上至下堆砌形成水泥沙袋坝体，所述的水泥沙袋坝体位于所述的海床上，且所述的水泥沙袋坝体整体堆成梯形结构；
每层所述的水泥沙袋底层、水泥沙袋中间层和水泥沙袋顶层中的水泥沙袋长边垂直于电缆路布置且水泥沙袋的短边互相对接。
在上述技术方案中：呈梯形结构的所述的水泥沙袋坝体与所述的海床的水平面之间形成的角度为20度-30度之间。
在上述技术方案中：所述的海底电缆位于所述的水泥沙袋坝体的正下方。
在上述技术方案中：所述的海底电缆的中心相对于所述的水泥沙袋坝体中心的偏差值为±0.2米，且所述的水泥沙袋坝体的两端超出岩石或珊瑚礁区段至少1米。
在上述技术方案中：所述的水泥沙袋坝体沿电缆路由呈带状分布。
在上述技术方案中：所述的水泥沙袋坝体上方加6盖有石笼盖板。
在上述技术方案中：所述的水泥沙袋坝体整体底宽e为1.5米-3.5米；顶宽f为0.6-1.3米，高度h为0.6米-1.0米；且单个水泥沙袋袋长a为0.66米，宽为0.3米，高c为0.2米，单个水泥沙袋的水泥和沙比例为1:4-1:5。
本实用新型的第二目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出适用于近海段海底电缆保护的水泥沙袋坝体的定量评估方法
本实用新型的第二目的是通过如下技术方案来实施的：适用于近海段海底电缆保护的水泥沙袋坝体的定量评估方法，它包括如下步骤；
①、水泥沙袋坝体的抗锚害能力评价：
步骤一：根据海域的锚害情况即主要锚重、海床的地质条件及海水水文条件作为边界约束条件；
步骤二：计算船锚下落至坝体时的冲击能量；在流体中匀速下落物体的速度可以通过下式计算：
式中：
m-下落物体的质量(kg)；
g-重力加速度(m/s2)；
v-物体的体积(排水体积)(m3)；
ρwater-水的密度(kg/m3)；
cd-物体的拖曳系数；
a-下落方向上物体的垂直投影面积；
vt-物体的最终速度(m/s)；
船锚下落至水泥沙袋坝体上后，其能量由水泥沙袋坝体吸收，根据能量公式，下落船锚的能量为：
步骤三：计算船锚的侵入深度；下落船锚的能量全部由坝体吸收，而水泥沙袋坝体吸收的能量可以表达为：
在公式(2)和公式(3)中：
ep-下落物体的动能；
γ’-土壤的有效重度；
d-下落物体的外轮廓尺寸；
a-下落物体在下落方向上的投影面积；
z-下落物体的侵入深度；
nγ、nq-承载力系数；
从上述公式可计算出下落物体的侵入深度z；
步骤四：核实坝体高度h与侵入深度z的相对大小，判读水泥沙袋坝体的高度是否满足抗锚害要求；
当水泥沙袋坝体的高度h大于或等于侵入深度z，则可以认为所述水泥沙袋坝体满足抗锚害能力要求，
当水泥沙袋坝体的高度h小于侵入深度z，则可以所述水泥沙袋坝体不满足抗锚害能力要求，
即应增加水泥沙袋坝体中的水泥沙袋层数或高度并重复步骤一到步骤四进行重新验算；
②、水泥沙袋坝体自身洋流稳定性评价：
步骤一：计算受水泥沙袋材料的临界剪应力：
τcr＝(ρr-ρw)·g·d50·ψcr(4)
上述式中：
τcr-临界剪应力(n/m2)；
ρr-水泥沙袋密度(kg/m3)；
ρw-水的密度(kg/m3)；
g-重力加速度(m/s2)；
d50-中粒径；
ψcr-shields参数。
步骤二：计算由水流和波浪作用引起的联合剪应力：
公式(5)变形可得：
τw＝0.5ρw·fw·(kw·ub)2
其中：
τcw-由水流和波浪作用引起的联合剪应力(n/m2)；
fw-波浪摩擦系数＝exp(-6+5.2(ab/ks)-0.19)，不大于0.3；
ab-底部水平位移幅度(m)；
ks-底部粗糙系数(m)；
vavg-水深平均恒定流速(m/s)；
ub-底部水平位移速度(m/s)；
c-chey参数(m1/2/s)；
kw,kc-波浪和水流的紊流系数；
-波浪与水流方向的夹角(°)
步骤三：核实坝体洋流稳定性；当水流和波浪引起的联合剪应力小于等于水泥沙袋材料的临界剪应力时，则水泥沙袋坝体自身稳定性满足要求，
当水流和波浪引起的联合剪应力大于水泥沙袋材料的临界剪应力时，则水泥沙袋坝体不满足稳定性要求，
需要增加水泥沙袋尺寸并重复步骤一至步骤三进行重新验算；
③、水泥沙袋施工过程中对电缆的冲击安全性评价：
步骤一：计算水泥沙袋在水中降落时的最终速度；利用公式(1)计算水泥沙袋的最终速度vt；
步骤二：计算水泥沙袋冲击海底电缆时的能量；
步骤三：比较冲击能量与海底电缆(1)最大允许冲击能量相对大小，若水泥沙袋撞击海底电缆时的能量小于海底电缆所能承受的允许冲击能量，则可以认为电缆是安全的，
若水泥沙袋撞击海底电缆时的能量大于海底电缆所能承受的允许冲击能量，则应调整缩小水泥沙袋尺寸。
在上述技术方案中：所述的水泥沙袋由水泥和砂混合制成，且水泥和砂的配合比为1:4至1:5之间。
本实用新型具有如下优点：1、本实用新型能够有效保护海底电缆不受抛锚、拖锚、渔具等外力因素的伤害。
2、本实实用新型不需要对原有海床进行切割、冲埋，适用于坚硬的海床的底质，适用范围广泛。
3、本实用新型能够有效抵抗海底洋流作用，使用年限可达8～10年
4、本实用新型施工时能有效保护电缆不受损伤，施工方便、安全。
5、本实用新型水泥沙袋取材简单，简易可行，可在施工船上进行现场调配，无需预制，可节省施工工期约30％。
6、本实用新型造价相对较低，可减少施工成本约50％。
附图说明
图1是水泥沙袋坝体的横断面图
图2是水泥沙袋坝体的俯视图
图3是单个水泥沙袋的三视图
图中：海底电缆1、水泥沙袋底层2、水泥沙袋中间层3、水泥沙袋顶层4、海床5、水泥沙袋坝体6。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已，同时通过说明本实用新型的优点将变得更加清楚和容易理解。
参照图1-3所示：适用于近海段海底电缆保护的水泥沙袋坝体，它位于海底电缆1上；它包括水泥沙袋底层2、水泥沙袋中间层3、水泥沙袋顶层4和海床5；
所述的水泥沙袋底层2、水泥沙袋中间层3和水泥沙袋顶层4由上至下堆砌形成水泥沙袋坝体6，所述的水泥沙袋坝体6位于所述的海床5上，且所述的水泥沙袋坝体6整体堆成梯形结构；
每层所述的水泥沙袋底层2、水泥沙袋中间层3和水泥沙袋顶层4中的水泥沙袋长边垂直于电缆路布置且水泥沙袋的短边互相对接。
如图2所示：呈梯形结构的所述的水泥沙袋坝体6与所述的海床5的水平面之间形成的角度为20度-30度之间；所述的海底电缆1位于所述的水泥沙袋坝体6的正下方；所述的海底电缆1的中心相对于所述的水泥沙袋坝体6中心的偏差值为±0.2米，且所述的水泥沙袋坝体6的两端超出岩石或珊瑚礁区段至少1米。
所述的水泥沙袋坝体6沿电缆路由呈带状分布；所述的水泥沙袋坝体6上方加6盖有石笼盖板。
如图3所示：所述的水泥沙袋坝体6整体底宽e为1.5米-3.5米；顶宽f为0.6-1.3米，高度h为0.6米-1.0米；且单个水泥沙袋袋长a为0.66米，宽为0.3米，高c为0.2米，单个水泥沙袋的水泥和沙比例为1:4-1:5。
本实用新型还提出一种有关于水泥沙袋稳定性等的定量评估方法：适用于近海段海底电缆保护的水泥沙袋坝体的定量评估方法，它包括如下步骤；
①、水泥沙袋坝体的抗锚害能力评价：
步骤一：根据海域的锚害情况即主要锚重、海床的地质条件及海水水文条件作为边界约束条件；
步骤二：计算船锚下落至坝体时的冲击能量；在流体中匀速下落物体的速度可以通过下式计算：
式中：
m-下落物体的质量(kg)；
g-重力加速度(m/s2)；
v-物体的体积(排水体积)(m3)；
ρwater-水的密度(kg/m3)；
cd-物体的拖曳系数；
a-下落方向上物体的垂直投影面积；
vt-物体的最终速度(m/s)；
船锚下落至水泥沙袋坝体6上后，其能量由水泥沙袋坝体6吸收，根据能量公式，下落船锚的能量为：
步骤三：计算船锚的侵入深度；下落船锚的能量全部由坝体吸收，而水泥沙袋坝体(6)吸收的能量可以表达为：
在公式(2)和公式(3)中：
ep-下落物体的动能；
γ’-土壤的有效重度；
d-下落物体的外轮廓尺寸；
a-下落物体在下落方向上的投影面积；
z-下落物体的侵入深度；
nγ、nq-承载力系数；
从上述公式可计算出下落物体的侵入深度z；
步骤四：核实坝体高度h与侵入深度z的相对大小，判读水泥沙袋坝体6的高度是否满足抗锚害要求；
当水泥沙袋坝体的高度h大于或等于侵入深度z，则可以认为所述水泥沙袋坝体6满足抗锚害能力要求，
当水泥沙袋坝体的高度h小于侵入深度z，则可以所述水泥沙袋坝体6不满足抗锚害能力要求，
即应增加水泥沙袋坝体6中的水泥沙袋层数或高度并重复步骤一到步骤四进行重新验算；
②、水泥沙袋坝体6自身洋流稳定性评价：
步骤一：计算受水泥沙袋材料的临界剪应力：
τcr＝(ρr-ρw)·g·d50·ψcr(4)
上述式中：
τcr-临界剪应力(n/m2)；
ρr-水泥沙袋密度(kg/m3)；
ρw-水的密度(kg/m3)；
g-重力加速度(m/s2)；
d50-中粒径；
ψcr-shields参数。
步骤二：计算由水流和波浪作用引起的联合剪应力：
公式(5)变形可得：
τw＝0.5·ρw·fw·(kw·ub)2
其中：
τcw-由水流和波浪作用引起的联合剪应力(n/m2)；
fw-波浪摩擦系数＝exp(-6+5.2(ab/ks)-0.19)，不大于0.3；
ab-底部水平位移幅度(m)；
ks-底部粗糙系数(m)；
vavg-水深平均恒定流速(m/s)；
ub-底部水平位移速度(m/s)；
c-chey参数(m1/2/s)；
kw,kc-波浪和水流的紊流系数；
-波浪与水流方向的夹角(°)
步骤三：核实坝体洋流稳定性；当水流和波浪引起的联合剪应力小于等于水泥沙袋材料的临界剪应力时，则水泥沙袋坝体6自身稳定性满足要求，
当水流和波浪引起的联合剪应力大于水泥沙袋材料的临界剪应力时，则水泥沙袋坝体6不满足稳定性要求，
需要增加水泥沙袋尺寸并重复步骤一至步骤三进行重新验算；
③、水泥沙袋施工过程中对电缆的冲击安全性评价：
步骤一：计算水泥沙袋在水中降落时的最终速度；利用公式1计算水泥沙袋的最终速度vt；
步骤二：计算水泥沙袋冲击海底电缆1时的能量；
步骤三：比较冲击能量与海底电缆1最大允许冲击能量相对大小，若水泥沙袋撞击海底电缆1时的能量小于海底电缆1所能承受的允许冲击能量，则可以认为电缆是安全的，
若水泥沙袋撞击海底电缆1时的能量大于海底电缆1所能承受的允许冲击能量，则应调整缩小水泥沙袋尺寸。
所述的水泥沙袋由水泥和砂混合制成，且水泥和砂的配合比为1:4至1:5之间。当所述水泥沙袋尺寸过小时，沙袋下落过程中对潮流及波浪干扰抵抗性减弱，施工精度难以保证，影响水泥沙袋坝体整体保护效果。但当水泥沙袋尺寸过大时，施工对船只的能力要求提高，且水泥沙袋下落到达电缆上方时的冲击能量有可能过大，存在损伤电缆的风险；因此，为了定量评价沙袋尺寸或质量及其施工安全性，
实施例1：本实用新型近海段海底电缆覆盖保护的水泥沙袋坝体的定量评估方法，包含以下步骤：
第一步：计算水泥沙袋坝体的抗锚能力，验算步骤如下：
1.调查某海域锚害重量为1吨，海堤流速为2m/s。
2.计算船锚下落时的冲击能量。在流体中匀速下落的物体的速度可以通过下式计算：
计算得到下落船锚的能量为14813j。
3.计算船锚的侵入深度，
从上述公式可计算出下落物体的侵入深度z＝0.3m，水泥沙袋坝体的高度0.6m大于该侵入深度z，电缆是安全的。
第二步：计算水泥沙袋坝体6的洋流稳定性，验算步骤如下：
经计算，单个水泥沙袋体积应大于125cm3即可满足2m/s的洋流稳定性，因此水泥沙袋单个体积为39600cm3满足洋流稳定性要求。
第三步：计算水泥沙袋施工过程中对海底电缆1的冲击安全性，其步骤
经计算，水泥沙袋最大产生的冲击能量314j小于海底电缆1允许的冲击能量1000j，因此本实用新型满足该海域的抗锚、稳定性和施工安全的要求。
上述未详细说明的部分均为现有技术。