500 kV海底電纜后續(xù)拋石保護(hù)工程建設(shè)

王裕霜

(廣東天廣工程監(jiān)理咨詢有限公司，廣州市 510623)

0 引言

海底電纜拋石保護(hù)的施工建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的海洋工程，由于拋石作業(yè)具有明確的受限條件和施工過程隱蔽［1］，使得施工設(shè)備自動(dòng)化程度高，涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛。隨著國內(nèi)外海洋工程技術(shù)的發(fā)展，拋石作業(yè)落石管技術(shù)、水下機(jī)器人技術(shù)逐步應(yīng)用于海底電纜拋石保護(hù)建設(shè)［2-3］。

針對(duì)海底電纜在復(fù)雜的海床地質(zhì)條件下形成的懸空段，通過實(shí)施拋石填充，形成石料堆積體，避免海底電纜在海流的作用下長期疲勞運(yùn)動(dòng)或與海床產(chǎn)生摩擦而造成海底電纜絕緣介質(zhì)破壞。同時(shí)，海底電纜上部的石料堆積層也具有一定抵御外力沖擊破壞的強(qiáng)度。

海底電纜后續(xù)保護(hù)工程前期建設(shè)階段包括海底電纜狀態(tài)的精勘調(diào)查、設(shè)計(jì)論證、試驗(yàn)研究、采石場(chǎng)調(diào)研;施工階段包括石料的制備及質(zhì)量控制、拋石作業(yè)、濾層(碎石層)轉(zhuǎn)序驗(yàn)收、鎧裝層(塊石層)斷面竣工驗(yàn)收、工程控制等。本文介紹海底電力后續(xù)保護(hù)在500 kV海南聯(lián)網(wǎng)工程中的應(yīng)用。

1 前期建設(shè)

海底電纜拋石保護(hù)的范圍是通過精確勘測(cè)海底電纜路由現(xiàn)狀、確認(rèn)海底電纜每米不滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)段和相應(yīng)的海床地質(zhì)形態(tài)、各區(qū)段精確的座標(biāo)點(diǎn)來確定的，對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的海底電纜區(qū)段進(jìn)行拋石保護(hù)。

前期設(shè)計(jì)應(yīng)計(jì)算石料層的厚度、長度，得出拋石工程量，并以此作為拋石保護(hù)的主要技術(shù)指標(biāo)和工程范圍。采石場(chǎng)的調(diào)研主要針對(duì)石種的選擇、開采巖面儲(chǔ)量、生產(chǎn)流程、各級(jí)石料篩網(wǎng)的配置、檢測(cè)設(shè)備、石料的污染指標(biāo)等。

1.1 技術(shù)要求及設(shè)計(jì)論證

GB 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:水下電纜不得懸空于水中，淺水區(qū)埋深不宜小于0.5 m，深水航道區(qū)不宜小于2 m［4］。為此，海底電纜拋石設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮海底電纜安全和堆石體穩(wěn)定性，堆石體采用2層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層(濾層)為25.4～50.8 mm碎石，外層(鎧裝層)為50.8～203.2 mm組合塊石，其設(shè)計(jì)方案如圖1所示［5］。

圖1 海底電纜拋石保護(hù)設(shè)計(jì)方案Fig.1Design scheme of riprap protection for submarine cable

堆石層所受重力根據(jù)伊茲巴什(Isbash)公式計(jì)算，其表達(dá)式為

式中:Ws為塊石所受重力;K為安全系數(shù);ρs為塊石密度;ρ0為海水的密度;g為重力加速度;V0為海水流速。

根據(jù)工程的海流條件和界入安全系數(shù)，分別計(jì)算了3種海流狀態(tài)下堆石層所受重力，結(jié)果如表1所示。

表1 不同海流狀態(tài)下的堆石層穩(wěn)定重力計(jì)算結(jié)果Tab.1Rock density steady scale under different current state

1.2 試驗(yàn)研究

1.2.1 數(shù)值模擬研究成果

(1)通過顆粒流相關(guān)理論，對(duì)拋石作業(yè)中塊石對(duì)海底電纜的危害進(jìn)行了分析。采用二維顆粒流程序進(jìn)行拋石作業(yè)及石料級(jí)配數(shù)值模擬，其結(jié)論證實(shí)了設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性和安全性。

(2)石料堆積體抵御錨害的能力數(shù)值模擬。選擇1 000、1 500、2 000 kg的錨具，分別建立9種典型荷載工況，模擬在其作用下石料堆積體的力鏈分布及海底電纜的應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系，其結(jié)論說明了拋石層與海底電纜埋深值的等同作用能力。

(3)模型參數(shù)敏感性分析。選擇石料的強(qiáng)度、孔隙率、摩擦系數(shù)和級(jí)配參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，研究各參數(shù)間在模擬狀態(tài)下的變化規(guī)律。其結(jié)論修正了工程設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)［6］。

1.2.2 拋石穩(wěn)定性研究成果

(1)物理模型試驗(yàn)。分別對(duì)拋石堆積體穩(wěn)定性臨界質(zhì)量、設(shè)計(jì)斷面、分段間距、石料級(jí)配、施工石塊偏移量，在4種海流、5種不同水深情況，進(jìn)行了60組模擬試驗(yàn)。其結(jié)論證實(shí)了設(shè)計(jì)拋石堆積體在運(yùn)行中的穩(wěn)定性。

(2)石料堆積體計(jì)算分析。在物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從關(guān)健控制要素與結(jié)果出發(fā)，通過擬合獲得數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中主要計(jì)算課題有:石料堆積體穩(wěn)定重力、穩(wěn)定尺寸、塊石對(duì)海底電纜的沖擊力、塊石沉降的動(dòng)力速度、塊石豎向運(yùn)動(dòng)微分方程推導(dǎo)、塊石水平運(yùn)動(dòng)方程推導(dǎo)、塊石沖擊速度與入射角度。計(jì)算結(jié)果豐富了海底電纜拋石安全性的理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)懸空段海底電纜拋石尺寸確定了主要技術(shù)指標(biāo)［7-8］。

2 海底電纜拋石保護(hù)石料的制備及質(zhì)量控制

2.1 石料生產(chǎn)的篩選

最終選擇的巖層為典型海山玄武巖結(jié)構(gòu)，巖脈發(fā)育穩(wěn)定、儲(chǔ)藏量豐富。開采的原石經(jīng)破碎后，進(jìn)入5級(jí)篩網(wǎng)篩選，其中第1級(jí)過濾粒徑超過203.2 mm的石塊，超大石塊由輸送帶返回破碎機(jī)，第2～5級(jí)分別過濾粒徑50.8、101.6、152.4、203.2 mm的石塊，而后按設(shè)計(jì)級(jí)配比例摻合。

2.2 石料質(zhì)量的檢測(cè)

石料質(zhì)量是確保海底電纜安全的重要因素，成品石料大粒徑占比例大易造成海底電纜損壞，小粒徑比例大則造成石料堆積體不穩(wěn)定。為此，石料必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)級(jí)配比例生產(chǎn)，石料級(jí)配及允許誤差見表2。

表2 石料級(jí)配Tab.2Size distribution of crushed stone

按設(shè)計(jì)要求，每生產(chǎn)10 000～20 000 t成品石料抽檢1次。抽檢時(shí)，間隔地取4個(gè)子樣，每個(gè)子樣2 000 kg。經(jīng)人力進(jìn)行篩選比對(duì)，當(dāng)有2個(gè)子樣超過級(jí)配要求范圍即可判定為不合格，則全部重新篩選。

3 海底電纜拋石保護(hù)施工建設(shè)實(shí)踐

3.1 拋石作業(yè)過程

施工船采用2套海上定位系統(tǒng)，依據(jù)前期精勘座標(biāo)，在海底電纜路由定位作業(yè)點(diǎn)同時(shí)啟動(dòng)超短基線系統(tǒng)進(jìn)行水下定位，并啟動(dòng)多普勒計(jì)程儀校準(zhǔn)導(dǎo)航系統(tǒng)，以確認(rèn)作業(yè)面的基本數(shù)據(jù)和確認(rèn)安裝拋石導(dǎo)管和水下機(jī)器人裝置距海床的工作距離。在取得精確數(shù)據(jù)后，施工船離開作業(yè)點(diǎn)500 m安全范圍內(nèi)，進(jìn)行拋石導(dǎo)管和水下機(jī)器人設(shè)備安裝。而后進(jìn)入作業(yè)點(diǎn)，啟動(dòng)水下機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)海底電纜狀態(tài)、地質(zhì)情況檢測(cè)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行拋石作業(yè)。

施工船具備2個(gè)石料艙，可分別裝載粒徑25.4～50.8 mm和50.8～203.2 mm的石料各10 000 t［9］。作業(yè)時(shí)，通過船上的裝載機(jī)，將粒徑25.4～50.8 mm的石料放入料斗口，經(jīng)輸送帶至中央緩沖料斗口，通過已安裝的拋石導(dǎo)管對(duì)海底電纜作業(yè)部位進(jìn)行碎石層(過濾層)精確拋石。過濾層拋石結(jié)束后，對(duì)水下機(jī)器人系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，確認(rèn)消缺項(xiàng)。施工船返回消缺點(diǎn)整改，再次檢測(cè)后出圖，提交駐船買方代表確認(rèn)，并在24 h內(nèi)進(jìn)行塊石層(鎧裝層)拋石作業(yè)，其作業(yè)過程與過濾層拋石相同。最終提交的每米拋石斷面圖詳細(xì)地描述了海底電纜位置、海床形態(tài)、過濾層形狀、鎧裝層形態(tài)及設(shè)計(jì)控制形狀等5條曲線組合數(shù)據(jù)圖，經(jīng)買方代表簽署后即視為通過驗(yàn)收。

3.2 拋石作業(yè)檢測(cè)

拋石作業(yè)的檢測(cè)主要通過落石管末端的專用水下機(jī)器人裝置實(shí)現(xiàn)，水下機(jī)器人裝置由多種先進(jìn)設(shè)備組成，包括:導(dǎo)航儀、測(cè)深儀、聲納傳感器、測(cè)高儀、旁掃聲納、掃描傳感器、海底電纜跟蹤器、水下攝像設(shè)備、水下照明設(shè)備。施工中，水下機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)即時(shí)傳回操作平臺(tái)，用于支持?jǐn)?shù)據(jù)模型檢測(cè)。

3.2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由3類子系統(tǒng)組成，其主要功能為海底電纜定位、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。通過Terramodel程序制圖，其中包括原始狀態(tài)、設(shè)計(jì)控制狀態(tài)、拋石后狀態(tài)等橫剖面圖和縱剖面圖。

3.2.2 拋石作業(yè)的工程控制

在拋石作業(yè)過程中，買方代表駐船開展全過程控制，主要工作程序按《500 kV海底電纜后續(xù)保護(hù)買方代表實(shí)施細(xì)則》［3］中的要求進(jìn)行。拋石作業(yè)中形成的主要工程控制文件有:施工過程旁站記錄、施工量化信息表、工程日?qǐng)?bào)、過濾層中間驗(yàn)收表、鎧裝層竣工驗(yàn)收表、施工進(jìn)度日?qǐng)?bào)審核記錄表、工程日例會(huì)紀(jì)要、施工安全(健康、環(huán)境)檢查記錄表、施工待命記錄等9類有效工程文件，與地面工程管理控制形成的文件共同構(gòu)成了后續(xù)拋石保護(hù)建設(shè)的工程控制體系。

4 結(jié)語

500kV聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜后續(xù)拋石保護(hù)工程為確保海底電纜安全運(yùn)行，減少海底電纜故障幾率所實(shí)施的工程完善化措施。在工程建設(shè)前期開展的設(shè)計(jì)論證、試驗(yàn)研究等，均具備后續(xù)同類工程借鑒的意義。施工過程中，海洋工程施工技術(shù)、落石管技術(shù)、水下機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，顯示了目前國際上海洋工程發(fā)展的水平。隨著我國海洋工程的開發(fā)利用，進(jìn)一步開展海洋工程技術(shù)、工程設(shè)備技術(shù)、工程檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)研究，將具有廣泛應(yīng)用空間。

［1］王裕霜.500 kV海底電纜淺灘鑄鐵套管保護(hù)實(shí)踐與思考［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2011，5(2):92-94.

［2］王裕霜.國內(nèi)外海底電纜輸電工程綜述［J］.南方電網(wǎng)技術(shù)，2012，6(2):1-4.

［3］廣東天廣工程監(jiān)理咨詢有限公司.500 kV海南聯(lián)網(wǎng)海底電纜后續(xù)保護(hù)實(shí)施細(xì)則［R］.廣州:廣東天廣工程監(jiān)理咨詢有限公司，2010.

［4］GB 50217—2007電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2007.

［5］中南電力設(shè)計(jì)院.500 kV海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜后續(xù)保護(hù)專題報(bào)告［R］.武漢:中南電力設(shè)計(jì)院，2010.

［6］陳明祥.海底電纜后續(xù)拋石保護(hù)數(shù)值模擬研究報(bào)告［R］.武漢:武漢大學(xué)，2011.

［7］劉臻.瓊州海峽海底電纜工程拋石穩(wěn)定性研究報(bào)告［R］.青島:中國海洋大學(xué)，2011.

［8］中南電力設(shè)計(jì)院.500 kV海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜拋石石料技術(shù)要求［R］.武漢:中南電力設(shè)計(jì)院，2011.

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

(編輯:蔣毅恒)