海上風(fēng)電場(chǎng)海纜登陸施工方案技術(shù)總結(jié)

王忠鋒

與陸上風(fēng)電場(chǎng)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)具有不占用土地資源、基本不受地形地貌影響、風(fēng)能資源豐富、年利用小時(shí)數(shù)更高、風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量更大、適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，最近幾年得到蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了風(fēng)電機(jī)組、船機(jī)設(shè)備、海底電力電纜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“海纜”）等相關(guān)產(chǎn)業(yè)加工制造與施工技術(shù)的進(jìn)步。

海上升壓站與陸上集控中心之間一般采用220kV/110kV光電復(fù)合纜連接，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電容量要求的不同，有單回路和雙回路兩類(lèi)連接方式。海纜登陸位置的選擇需綜合考慮海底地質(zhì)地貌、海水深度及潮位和潮差、海水流速和流向、生態(tài)保護(hù)等因素。各海上風(fēng)電場(chǎng)海纜登陸段長(zhǎng)度差異較大，大多數(shù)登陸段只有幾百米，但如江蘇東臺(tái)海上風(fēng)電場(chǎng)的登陸段則長(zhǎng)達(dá)4.5km，登陸段施工成為海纜敷設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

深水區(qū)的海纜施工工藝已經(jīng)很成熟，但在淺灘區(qū)由于涉及多種施工方式轉(zhuǎn)換，風(fēng)險(xiǎn)較高，施工難度大。尤其是長(zhǎng)距離海纜登陸成為海上風(fēng)電場(chǎng)施工的關(guān)鍵工序。本文對(duì)各種海纜登陸施工方案進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出不同施工方案的關(guān)鍵控制要點(diǎn)。另外，還對(duì)相關(guān)工序質(zhì)量控制點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

海纜登陸淺灘方案概述

海纜規(guī)格有單芯和三芯之分，為減少路由占地和施工成本，目前，海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目使用最多的是三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣光電復(fù)合海纜，海纜導(dǎo)體截面積常用規(guī)格是（3×500）mm²，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

海纜敷設(shè)需要的船機(jī)設(shè)備主要有敷纜船、拖輪、錨艇、水陸兩棲挖掘機(jī)、布纜機(jī)、絞磨機(jī)、發(fā)電機(jī)、定向鉆機(jī)等。由于220kV海纜的單位重量和直徑均較大，海纜敷設(shè)船應(yīng)配置電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)才能有效消除海纜應(yīng)力，以及避免敷設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生打扭、鋼絲鎧裝松散呈燈籠狀等質(zhì)量問(wèn)題。

淺灘向陸域水深逐漸變小，敷纜船無(wú)法靠岸施工，淺水區(qū)域海纜敷設(shè)可采用浮運(yùn)法，其主要有以下幾種方式：

（1）敷纜船沖灘至一定位置坐灘，牽拉電纜頭浮運(yùn)登陸，待登陸段海纜牽拉完成后，敷纜船向海上升壓站方向敷設(shè)。淺灘和陸域海纜采用挖掘機(jī)挖溝敷埋。

（2）從海上升壓站一側(cè)向陸域方向敷設(shè)，大部分荷載卸除后船舶吃水變小，輕載沖灘降低了海纜登陸難度。由于纜頭壓在纜盤(pán)內(nèi)，至一定位置后把纜盤(pán)內(nèi)剩余的海纜呈s形拋放在灘涂上，露出電纜頭，便于牽拉。在低潮露灘時(shí)分段綁扎浮漂（包括泡沫浮子或汽車(chē)充氣內(nèi)胎），高潮電纜浮起來(lái)時(shí)用鋼絲繩牽拉電纜頭，利用多個(gè)潮差完成登陸。

（3）在近海合適位置將部分海纜倒駁至另外一艘輔助敷纜船上，主敷纜船向海上敷設(shè);輔助敷纜船輕載沖灘，其余同（2）。

（4）在只有一艘敷纜船且裝纜非常多的情況下，由于敷纜船吃水太深，直接沖灘距離岸邊太遠(yuǎn)，可采用如下方式：敷纜船首先到達(dá)與設(shè)計(jì)路由距離90m左右的指定位置，比如KP10，平行路由走船將電纜拋放在泥面的指定位置，比如KP5，敷纜船轉(zhuǎn)向回歸至設(shè)計(jì)路由向海上方向下犁敷埋剩余海纜。敷纜船再回到KP10將拋放的海纜回收到船上，至KP5沿設(shè)計(jì)路由下犁敷埋沖灘至LP2.5，提起埋設(shè)犁將海纜呈s形拋放在灘涂上，其余同（2），如圖1所示。為確保敷設(shè)路由的準(zhǔn)確性，一般采用沿設(shè)計(jì)路由先拋牽引鋼絲繩，船身垂直路由以5m/min左右的速度前進(jìn)。

在潮差較小的海域，如廣東沿海，落潮時(shí)不露灘，低潮時(shí)無(wú)法綁扎浮漂，海纜需被綁好浮漂后下放到海面上。為防止水流將海纜沖走產(chǎn)生扭曲重疊，在每個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)沉放鐵錨固定海纜，或者用已拋錨的錨艇牽拉定位。待全部海纜從敷纜船上下放至海面后，再用鋼絲繩牽拉電纜頭登陸。海纜登陸陸域方案概述

根據(jù)登陸段長(zhǎng)度、地質(zhì)、地形等因素，海纜登陸陸域主要有浮運(yùn)法和支架法兩種，其中支架法可細(xì)分為v型托架法、排架輥輪法。

浮運(yùn)法，顧名思義是利用水的浮力牽拉海纜，適用于高潮時(shí)能被海水淹沒(méi)的地區(qū)，可以利用既有河道或電纜溝，也可以開(kāi)挖臨時(shí)溝槽。多數(shù)情況下用挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽——漲潮時(shí)海水灌入溝槽內(nèi)，在海纜上間隔綁扎浮漂，使用鋼絲繩牽拉海纜登陸。

對(duì)于浮運(yùn)法牽引力的計(jì)算，采用以下公式：

式中，F(xiàn)100為100m海纜的牽引力，單位kN;0.5為安全系數(shù)：s為每百米海纜汽車(chē)內(nèi)胎（泡沫浮子）迎水面積，單位m²;p為水密度，其值為100kg·s²/m⁴;c為水流系數(shù)，取值為1.29;v為絞磨機(jī)最大牽引速度，其值為0.5m/s。

支架法是預(yù)先在海纜路由上間隔設(shè)置v型托架或排架，海纜在輥輪或v型托架上牽拉前行。對(duì)于巖石地質(zhì)、陸地高差較大、養(yǎng)殖區(qū)域遍布灘涂等不適用浮運(yùn)法的地區(qū)，均可使用支架法。

浮運(yùn)法施工控制要點(diǎn)

采用浮運(yùn)法時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)重視溝槽開(kāi)挖防坍塌、浮漂間距、甩纜等幾個(gè)控制要點(diǎn)。

使用挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽，對(duì)于淤泥質(zhì)或砂質(zhì)灘涂，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)溝槽底寬應(yīng)在2m以上，兩側(cè)邊坡坡比大于1：5。開(kāi)挖的土方應(yīng)遠(yuǎn)離邊坡口堆放，防止溝槽回淤抬高溝底高程。

海上水流越貼近泥面，流速越小，可適當(dāng)拉大浮球間距，防止海纜離開(kāi)泥面。但浮漂間距也不能太大，以防被泥沙掩埋，最好處于懸浮狀態(tài)。為此，整個(gè)浮運(yùn)施工應(yīng)在3天內(nèi)完成。廣東陽(yáng)江某海上風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值如下：Ф50L=70的圓柱形浮球浮力為1370N，海纜在水中的重量為70kg/m，浮球中心間距為180cm。同時(shí)考慮牽拉時(shí)阻力的影響，選用100kN以上的絞磨機(jī)。浮漂盡量緊貼電纜綁扎，拆除時(shí)為加快進(jìn)度使用刀具割除。

海纜在離開(kāi)船舷、尚未入水時(shí)綁扎浮漂，敷纜船在淺水區(qū)呈s形下放海纜。為此，應(yīng)在岸邊提前投放兩根牽引鋼絲繩，鋼絲繩夾角大于120度。鋼絲繩交替收放，敷纜船呈s形前進(jìn)甩纜。甩纜過(guò)程中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)必須用鐵錨或錨艇固定，否則前方浮運(yùn)牽拉會(huì)使轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置發(fā)生移動(dòng)。甩s彎的轉(zhuǎn)折點(diǎn)10m左右可不綁扎浮漂。

對(duì)于淺灘上已擺放海纜的區(qū)域，設(shè)置警戒船24小時(shí)看護(hù)，嚴(yán)禁各類(lèi)船舶進(jìn)入。為便于標(biāo)識(shí)出電纜在水下的具體位置，應(yīng)間隔50m左右設(shè)置一個(gè)小浮球。

支架法施工控制要點(diǎn)

采用支架法時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)重視輥輪與布纜機(jī)設(shè)置間距、托架間距、平臺(tái)搭設(shè)等控制要點(diǎn)。

支架法包括排架+輥輪模式和v型托架模式，二者本質(zhì)是相同的，都能減少牽拉過(guò)程中的摩擦阻力，防止破壞電纜外皮層。為確定支架的材料尺寸、間距、入泥深度等具體數(shù)值，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、水文、荷載等參數(shù)進(jìn)行承載力計(jì)算。

江蘇東臺(tái)某海上風(fēng)電場(chǎng)海纜登陸段排架+輥輪模式設(shè)計(jì)參數(shù)如下：使用中48普通無(wú)縫鋼管搭設(shè)排架，為了提高穩(wěn)定性，設(shè)置排架距離地面較近。排架上每隔3m左右設(shè)置一個(gè)合成樹(shù)脂滑輪，海纜從滑輪內(nèi)拖行。在海纜牽拉過(guò)程中需安排人員進(jìn)行巡線，對(duì)外皮層破損的地方及時(shí)進(jìn)行捆扎，防止破損范圍擴(kuò)大，因此，在排架一側(cè)鋪設(shè)用于人員通行的竹笆片。

布纜機(jī)的設(shè)置間距不宜超過(guò)1km，一般在轉(zhuǎn)彎點(diǎn)設(shè)置一臺(tái)。為防止各布纜機(jī)啟停不同步造成海纜受力過(guò)大，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)另外搭設(shè)較大平臺(tái)使海纜呈Ω形，即每臺(tái)布纜機(jī)相對(duì)獨(dú)立進(jìn)行牽拉。

江蘇東臺(tái)另一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)海纜登陸段v型托架模式設(shè)計(jì)參數(shù)如下：采用Ф140×3鍍鋅鋼管上插托架。鋼管長(zhǎng)度3m，入泥深度2m，每排2根，排距3rno為防止海纜跳出v型托架，每隔一段距離設(shè)置一個(gè)H型托架。轉(zhuǎn)彎處H型托架以較小間距設(shè)置，并打設(shè)斜鋼管撐住托架，防止其側(cè)向受力后傾倒。牽拉過(guò)程中安排人員沿著路由不停巡查，發(fā)現(xiàn)海纜跳出托架、輥輪卡死不轉(zhuǎn)動(dòng)、輥輪脫落、支架傾倒等問(wèn)題，全線立即停止?fàn)坷⑦M(jìn)行處理。

在海纜未進(jìn)入布纜機(jī)之前，一般采用絞磨機(jī)牽拉鋼絲繩，牽引過(guò)程中海纜會(huì)緩慢旋轉(zhuǎn)釋放應(yīng)力，因此，鋼絲繩與牽拉網(wǎng)套之間應(yīng)設(shè)置萬(wàn)向節(jié)。為防止電纜頭碰到托架和輥輪，挖掘機(jī)提起電纜頭在托架一側(cè)跟隨電纜前進(jìn)。海纜進(jìn)入布纜機(jī)后，若牽拉不動(dòng)，則使用絞磨機(jī)側(cè)拉海纜輔助拖行。

轉(zhuǎn)彎點(diǎn)需設(shè)置絞磨機(jī)、布纜機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，如果該位置有水或者是爛泥塘，搭設(shè)常規(guī)平臺(tái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。可預(yù)先定制鋼浮箱，結(jié)構(gòu)尺寸以擺放上述設(shè)備后能夠浮起來(lái)為宜。浮箱四角插入鋼管進(jìn)行固定。進(jìn)出場(chǎng)使用挖掘機(jī)拖行時(shí)，可利用浮箱作為物資運(yùn)輸載體，省時(shí)省力。浮箱裝上發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳即為簡(jiǎn)易駁船，在風(fēng)浪不大的情況下可用于物資轉(zhuǎn)運(yùn)。

海纜登陸相關(guān)工序施工技術(shù)和質(zhì)量控制要點(diǎn)

一、定向鉆孔施工技術(shù)要點(diǎn)

海纜登陸段若穿越河道或海堤，一般采用定向鉆鉆孔工藝。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，鉆機(jī)牽引力應(yīng)大于800kN，否則會(huì)在擴(kuò)孔時(shí)產(chǎn)生塌孔，導(dǎo)致鉆頭拉不出來(lái)、管道回拖到一半時(shí)卡住致使管道報(bào)廢等問(wèn)題。長(zhǎng)度超過(guò)200m的鉆孔應(yīng)在出口端用氣動(dòng)錘配合管道回拖，氣動(dòng)錘的沖擊力應(yīng)大于10000KN。氣動(dòng)錘的錘頭直接插入鋼管管口很容易撐開(kāi)鋼管，應(yīng)配備相應(yīng)的過(guò)渡裝置。

為減少海纜通過(guò)管道的阻力，防止磨損海纜外皮層，在海纜上每間距不超過(guò)3m安裝一個(gè)減阻滑輪，在管道出口處卸下減阻滑輪，積攢到一定數(shù)量后將滑輪運(yùn)輸?shù)竭M(jìn)口處循環(huán)使用。為防止減阻滑輪滑動(dòng)，在減阻滑輪與海纜間墊橡膠膠皮。減阻滑輪最終會(huì)有一部分永久留在管道內(nèi)，定制減阻滑輪數(shù)量時(shí)應(yīng)考慮到這部分的損耗。

在淤泥質(zhì)地區(qū)開(kāi)挖鉆孔進(jìn)出口工作基坑時(shí)，開(kāi)挖的土方應(yīng)倒運(yùn)到遠(yuǎn)處，堆積在基坑周邊會(huì)造成基坑底部淤泥上涌。由于淤泥流動(dòng)性大，無(wú)法形成深基坑，應(yīng)盡量加長(zhǎng)管道長(zhǎng)度，提高管口高程防止淤積。

每節(jié)鋼管的管口應(yīng)打磨成坡口進(jìn)行填焊，對(duì)焊縫進(jìn)行UT探傷，其結(jié)果應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的II級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)。鋼管回拖前應(yīng)在內(nèi)部預(yù)先安裝一根海纜牽拉鋼絲繩，兩端焊接錐形管予以封堵。海纜牽拉前應(yīng)進(jìn)行通球試驗(yàn)（用一段長(zhǎng)度5m以上的220kV廢棄海纜進(jìn)行通球試驗(yàn)更接近實(shí)際敷纜狀態(tài)），防止因鋼管變形導(dǎo)致海纜無(wú)法通過(guò)。敷纜完成后，為防止泥沙淤積到管內(nèi)造成將來(lái)檢修時(shí)海纜無(wú)法抽拉，管口應(yīng)用洛克賽克或沙袋進(jìn)行可靠封堵。海纜與管口的接觸部位可連續(xù)安裝多個(gè)減阻滑輪，防止管道與海纜發(fā)生相對(duì)移位時(shí)，管口銳角磨損海纜。

二、海纜挖溝敷埋質(zhì)量控制

在淤泥質(zhì)灘涂或沙灘上開(kāi)挖的溝槽極易坍塌，為此，應(yīng)在低潮期間安排多臺(tái)挖掘機(jī)同時(shí)施工——前方開(kāi)挖溝槽，后方將電纜放入溝內(nèi)及時(shí)回填。電纜應(yīng)使用吊帶兩點(diǎn)吊放，禁止使用挖斗直接接觸電纜。余量較多且集中時(shí)，應(yīng)平順展開(kāi)敷埋，禁止集中堆放在一處造成海纜交叉重疊。

如果海纜路由處于河道一側(cè)，在埋設(shè)后應(yīng)采取護(hù)岸措施，比如打木樁堆沙袋、混凝土護(hù)坡等，防止水流長(zhǎng)期侵蝕造成河岸坍塌使海纜裸露出來(lái)。

淺灘區(qū)海纜綁扎浮漂后，由于受漲落潮水流或牽拉過(guò)程中鋼絲繩斷裂影響，失控的海纜發(fā)生漂移糾纏在一起會(huì)產(chǎn)生彎折打扭。為此，應(yīng)增加水陸兩用挖掘機(jī)進(jìn)行定位控制，同時(shí)可輔助海纜牽拉作業(yè)。

淺灘區(qū)域海纜敷設(shè)完成后，由于海纜上方沙土不密實(shí)，在漲落潮時(shí)極易被水流沖刷形成沖溝，使海纜暴露出來(lái)。為此，應(yīng)確保路由上土方回填略高于原始灘涂面。施工完成后定期巡查，發(fā)現(xiàn)沖溝及時(shí)回填，必要時(shí)對(duì)沖溝進(jìn)行人工改道。

三、警示標(biāo)志的設(shè)置

登陸段海纜警示標(biāo)志的重要性不言而喻。為了準(zhǔn)確標(biāo)示出實(shí)際海纜路由，在溝槽回填時(shí)，每隔20～30m左右插一根竹竿作為臨時(shí)標(biāo)志。警示樁間距不宜超過(guò)50m，且在甩s彎留余量的地方進(jìn)行加密。警示樁的材質(zhì)建議采用預(yù)制混凝土樁，或采用中間灌混凝土的玻璃鋼方樁。海纜路由臨近交通要道顯眼位置應(yīng)設(shè)置告示牌，把工程海纜路由坐標(biāo)、帶電危險(xiǎn)性、破壞海纜需承擔(dān)的相關(guān)法律后果向公眾告知。海邊空氣中氯離子含量高對(duì)金屬的腐蝕性強(qiáng)，告示牌應(yīng)使用316L不銹鋼材質(zhì)，正面避開(kāi)當(dāng)?shù)爻Ｄ曛黠L(fēng)向。

結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)25年以上，海纜作為風(fēng)電場(chǎng)電力輸送、遠(yuǎn)程控制的唯一通道，其施工質(zhì)量至關(guān)重要。在海纜登陸施工方案的選擇上應(yīng)因地制宜，切忌生搬硬套。作為危險(xiǎn)性較大分部分項(xiàng)工程，海纜施工方案還應(yīng)根據(jù)住建部37號(hào)文進(jìn)行專(zhuān)家論證，確保方案的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和可操作性。