500 kV海底电缆后续抛石保护工程建设

王裕霜

(广东天广工程监理咨询有限公司，广州市 510623)

0 引言

海底电缆抛石保护的施工建设是一项复杂的海洋工程，由于抛石作业具有明确的受限条件和施工过程隐蔽［1］，使得施工设备自动化程度高，涉及技术领域广泛。随着国内外海洋工程技术的发展，抛石作业落石管技术、水下机器人技术逐步应用于海底电缆抛石保护建设［2-3］。

针对海底电缆在复杂的海床地质条件下形成的悬空段，通过实施抛石填充，形成石料堆积体，避免海底电缆在海流的作用下长期疲劳运动或与海床产生摩擦而造成海底电缆绝缘介质破坏。同时，海底电缆上部的石料堆积层也具有一定抵御外力冲击破坏的强度。

海底电缆后续保护工程前期建设阶段包括海底电缆状态的精勘调查、设计论证、试验研究、采石场调研;施工阶段包括石料的制备及质量控制、抛石作业、滤层(碎石层)转序验收、铠装层(块石层)断面竣工验收、工程控制等。本文介绍海底电力后续保护在500 kV海南联网工程中的应用。

1 前期建设

海底电缆抛石保护的范围是通过精确勘测海底电缆路由现状、确认海底电缆每米不满足设计要求的区段和相应的海床地质形态、各区段精确的座标点来确定的，对不满足设计要求的海底电缆区段进行抛石保护。

前期设计应计算石料层的厚度、长度，得出抛石工程量，并以此作为抛石保护的主要技术指标和工程范围。采石场的调研主要针对石种的选择、开采岩面储量、生产流程、各级石料筛网的配置、检测设备、石料的污染指标等。

1.1 技术要求及设计论证

GB 50217—2007《电力工程电缆设计规范》规定:水下电缆不得悬空于水中，浅水区埋深不宜小于0.5 m，深水航道区不宜小于2 m［4］。为此，海底电缆抛石设计应综合考虑海底电缆安全和堆石体稳定性，堆石体采用2层结构，内层(滤层)为25.4～50.8 mm碎石，外层(铠装层)为50.8～203.2 mm组合块石，其设计方案如图1所示［5］。

图1 海底电缆抛石保护设计方案Fig.1Design scheme of riprap protection for submarine cable

堆石层所受重力根据伊兹巴什(Isbash)公式计算，其表达式为

式中:Ws为块石所受重力;K为安全系数;ρs为块石密度;ρ0为海水的密度;g为重力加速度;V0为海水流速。

根据工程的海流条件和界入安全系数，分别计算了3种海流状态下堆石层所受重力，结果如表1所示。

表1 不同海流状态下的堆石层稳定重力计算结果Tab.1Rock density steady scale under different current state

1.2 试验研究

1.2.1 数值模拟研究成果

(1)通过颗粒流相关理论，对抛石作业中块石对海底电缆的危害进行了分析。采用二维颗粒流程序进行抛石作业及石料级配数值模拟，其结论证实了设计参数的可行性和安全性。

(2)石料堆积体抵御锚害的能力数值模拟。选择1 000、1 500、2 000 kg的锚具，分别建立9种典型荷载工况，模拟在其作用下石料堆积体的力链分布及海底电缆的应力随时间变化的关系，其结论说明了抛石层与海底电缆埋深值的等同作用能力。

(3)模型参数敏感性分析。选择石料的强度、孔隙率、摩擦系数和级配参数进行计算分析，研究各参数间在模拟状态下的变化规律。其结论修正了工程设计的相关参数［6］。

1.2.2 抛石稳定性研究成果

(1)物理模型试验。分别对抛石堆积体稳定性临界质量、设计断面、分段间距、石料级配、施工石块偏移量，在4种海流、5种不同水深情况，进行了60组模拟试验。其结论证实了设计抛石堆积体在运行中的稳定性。

(2)石料堆积体计算分析。在物理模型试验的基础上，从关健控制要素与结果出发，通过拟合获得数学表达式。其中主要计算课题有:石料堆积体稳定重力、稳定尺寸、块石对海底电缆的冲击力、块石沉降的动力速度、块石竖向运动微分方程推导、块石水平运动方程推导、块石冲击速度与入射角度。计算结果丰富了海底电缆抛石安全性的理论依据，同时对悬空段海底电缆抛石尺寸确定了主要技术指标［7-8］。

2 海底电缆抛石保护石料的制备及质量控制

2.1 石料生产的筛选

最终选择的岩层为典型海山玄武岩结构，岩脉发育稳定、储藏量丰富。开采的原石经破碎后，进入5级筛网筛选，其中第1级过滤粒径超过203.2 mm的石块，超大石块由输送带返回破碎机，第2～5级分别过滤粒径50.8、101.6、152.4、203.2 mm的石块，而后按设计级配比例掺合。

2.2 石料质量的检测

石料质量是确保海底电缆安全的重要因素，成品石料大粒径占比例大易造成海底电缆损坏，小粒径比例大则造成石料堆积体不稳定。为此，石料必须严格按设计级配比例生产，石料级配及允许误差见表2。

表2 石料级配Tab.2Size distribution of crushed stone

按设计要求，每生产10 000～20 000 t成品石料抽检1次。抽检时，间隔地取4个子样，每个子样2 000 kg。经人力进行筛选比对，当有2个子样超过级配要求范围即可判定为不合格，则全部重新筛选。

3 海底电缆抛石保护施工建设实践

3.1 抛石作业过程

施工船采用2套海上定位系统，依据前期精勘座标，在海底电缆路由定位作业点同时启动超短基线系统进行水下定位，并启动多普勒计程仪校准导航系统，以确认作业面的基本数据和确认安装抛石导管和水下机器人装置距海床的工作距离。在取得精确数据后，施工船离开作业点500 m安全范围内，进行抛石导管和水下机器人设备安装。而后进入作业点，启动水下机器人系统对海底电缆状态、地质情况检测，根据获取的数据进行抛石作业。

施工船具备2个石料舱，可分别装载粒径25.4～50.8 mm和50.8～203.2 mm的石料各10 000 t［9］。作业时，通过船上的装载机，将粒径25.4～50.8 mm的石料放入料斗口，经输送带至中央缓冲料斗口，通过已安装的抛石导管对海底电缆作业部位进行碎石层(过滤层)精确抛石。过滤层抛石结束后，对水下机器人系统采集的数据进行整理分析，确认消缺项。施工船返回消缺点整改，再次检测后出图，提交驻船买方代表确认，并在24 h内进行块石层(铠装层)抛石作业，其作业过程与过滤层抛石相同。最终提交的每米抛石断面图详细地描述了海底电缆位置、海床形态、过滤层形状、铠装层形态及设计控制形状等5条曲线组合数据图，经买方代表签署后即视为通过验收。

3.2 抛石作业检测

抛石作业的检测主要通过落石管末端的专用水下机器人装置实现，水下机器人装置由多种先进设备组成，包括:导航仪、测深仪、声纳传感器、测高仪、旁扫声纳、扫描传感器、海底电缆跟踪器、水下摄像设备、水下照明设备。施工中，水下机器人采集到的数据即时传回操作平台，用于支持数据模型检测。

3.2.1 检测系统

检测系统主要由3类子系统组成，其主要功能为海底电缆定位、数据采集、数据处理。通过Terramodel程序制图，其中包括原始状态、设计控制状态、抛石后状态等横剖面图和纵剖面图。

3.2.2 抛石作业的工程控制

在抛石作业过程中，买方代表驻船开展全过程控制，主要工作程序按《500 kV海底电缆后续保护买方代表实施细则》［3］中的要求进行。抛石作业中形成的主要工程控制文件有:施工过程旁站记录、施工量化信息表、工程日报、过滤层中间验收表、铠装层竣工验收表、施工进度日报审核记录表、工程日例会纪要、施工安全(健康、环境)检查记录表、施工待命记录等9类有效工程文件，与地面工程管理控制形成的文件共同构成了后续抛石保护建设的工程控制体系。

4 结语

500kV联网工程海底电缆后续抛石保护工程为确保海底电缆安全运行，减少海底电缆故障几率所实施的工程完善化措施。在工程建设前期开展的设计论证、试验研究等，均具备后续同类工程借鉴的意义。施工过程中，海洋工程施工技术、落石管技术、水下机器人检测技术的应用，显示了目前国际上海洋工程发展的水平。随着我国海洋工程的开发利用，进一步开展海洋工程技术、工程设备技术、工程检测技术的开发研究，将具有广泛应用空间。

［1］王裕霜.500 kV海底电缆浅滩铸铁套管保护实践与思考［J］.南方电网技术，2011，5(2):92-94.

［2］王裕霜.国内外海底电缆输电工程综述［J］.南方电网技术，2012，6(2):1-4.

［3］广东天广工程监理咨询有限公司.500 kV海南联网海底电缆后续保护实施细则［R］.广州:广东天广工程监理咨询有限公司，2010.

［4］GB 50217—2007电力工程电缆设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［5］中南电力设计院.500 kV海南联网工程海底电缆后续保护专题报告［R］.武汉:中南电力设计院，2010.

［6］陈明祥.海底电缆后续抛石保护数值模拟研究报告［R］.武汉:武汉大学，2011.

［7］刘臻.琼州海峡海底电缆工程抛石稳定性研究报告［R］.青岛:中国海洋大学，2011.

［8］中南电力设计院.500 kV海南联网工程海底电缆抛石石料技术要求［R］.武汉:中南电力设计院，2011.

［9］Tideway.Rock placement operations for BP-skarv project［R］.Netherlands:Tideway，2008.

(编辑:蒋毅恒)