潮間帶海上風(fēng)電場35 kV海纜敷設(shè)施工工藝

張高建，唐金明

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,海底輸電電纜敷設(shè)成為至關(guān)重要的工程技術(shù)[1]，而潮間帶海上風(fēng)電場受水深條件限制，導(dǎo)致需要候潮施工，大大增加了潮間帶海上風(fēng)電場的施工難度。依托江蘇某潮間帶海上風(fēng)場35 kV海纜敷設(shè)項目進(jìn)行研究，該風(fēng)場既有大面積高灘，又有深溝槽，地形復(fù)雜。單根海纜長短不一，長度為803～6916 m，該風(fēng)場采用的海纜船敷設(shè)和挖機(jī)牽引敷設(shè)相結(jié)合的施工工藝，取得了較好的效果，可為類似項目的施工提供參考。

1 依托工程

江蘇某潮間帶海上風(fēng)電場項目位于江蘇省管區(qū)的竹根沙海域，離岸距離約40 km。風(fēng)電場范圍內(nèi)海底高程在0～12.0 m，低平潮大部分區(qū)域露灘。水深條件較為復(fù)雜，深淺不一，溝槽明顯，具有典型的輻射沙洲地形特征。場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉土為主。場內(nèi)20#機(jī)位最深，泥面標(biāo)高-5.7 m，此處為最深的一處溝槽，沖刷最為嚴(yán)重；31#機(jī)位最淺，泥面標(biāo)高+0.7 m，此處為最高的一處高灘，隨著海床的沖涮，有緩慢堆積增高趨勢。本風(fēng)場35 kV海纜分為8個回路，各聯(lián)合單元由1回35 kV集電線路接至220 kV海上升壓站，35 kV海底電纜路由長約79.595 km。海纜共計50根，最長1根纜為七回路首纜，即升壓站與24#風(fēng)機(jī)間海纜，長度為8325 m，最短的海纜長度為803 m。

2 方案預(yù)選

根據(jù)本風(fēng)場35 kV海纜設(shè)計路由及泥面標(biāo)高情況，以海纜敷設(shè)船吃水1.8 m計算，對潮間帶船舶浮態(tài)作業(yè)時間進(jìn)行分析。泥面標(biāo)高大于-1.5 m的機(jī)位，每個潮水船舶坐底時間超過6 h以上，在本風(fēng)場中共有44個機(jī)位。泥面標(biāo)高小于-1.5 m的機(jī)位，每個潮水船舶可浮態(tài)作業(yè)約6 h，在本風(fēng)場中共有6個機(jī)位。

方案一：浮態(tài)施工，選擇淺吃水海纜船，分4次接纜施工，減少載貨重量，船舶浮態(tài)時進(jìn)行海纜敷設(shè)施工作業(yè)，坐底后停止作業(yè)。

方案二：浮態(tài)＋露灘施工，選擇吃水淺的海纜船，分2次接纜，船舶浮態(tài)時進(jìn)行海纜敷設(shè)施工作業(yè)，露灘后挖機(jī)牽引海纜進(jìn)行敷設(shè)。

通過綜合分析比較，雖然方案一經(jīng)驗成熟，相對安全可靠，但接纜次數(shù)增加、船舶浮態(tài)作業(yè)時間短，工效較低。方案二中雖然露灘牽引海纜對海纜的保護(hù)要求更高，但通過技術(shù)手段可以實現(xiàn)，可在海床露灘后繼續(xù)海纜牽引施工作業(yè)，可大大提高工效。因此以方案二作為該風(fēng)場的主要施工方案。

3 設(shè)備選型

3.1 船舶選型

考慮本風(fēng)場水深較淺，采用非自航海纜施工船。船舶空載吃水1.6 m，滿載吃水2.5 m。底艙除主機(jī)艙外，還布置發(fā)電機(jī)艙，主甲板布置纜盤以及海纜施工設(shè)備，除敷設(shè)、埋設(shè)海纜作業(yè)外，該船還配備海纜檢測、搶修和打撈的機(jī)具和設(shè)備，快速機(jī)動，可滿足淺灘風(fēng)場海纜的敷設(shè)施工要求。

本風(fēng)場35 kV海纜8個回路，共計重約2800 t。如果該船分4次接纜時，每次載纜約700 t，此時吃水約1.8 m。如果該船分2次接纜時，每次載纜約1400 t，吃水約2.4 m。考慮施工方案的匹配，選擇分2次完成海纜接纜工作，此時船舶吃水約2.4 m，船舶參數(shù)詳見表1。

表1 船舶參數(shù)表

3.2 挖機(jī)選型

考慮潮間帶水深情況，優(yōu)先選用水陸兩棲挖掘機(jī)。此類挖機(jī)是適用于陸地、沼澤軟地面及淺水區(qū)作業(yè)環(huán)境的新型多用途挖掘機(jī)。行走裝置采用多體船式浮箱結(jié)構(gòu)及密封箱形履帶板，能在淤泥及水面安全行走與作業(yè)。

該挖機(jī)可用于在本風(fēng)場露灘的海床上進(jìn)行海纜溝的開挖工作，鏟斗容量0.91 m3。同時該挖機(jī)在露灘海床上低速行走時，牽引力可達(dá)110 kN，可在露灘的海床上拖拉海纜行走，將海纜拖拉至指定位置，具體參數(shù)見表2。

表2 挖機(jī)參數(shù)表

4 主要施工工藝

4.1 船舶浮態(tài)施工工藝

敷纜船浮態(tài)時，采用牽引錨進(jìn)行移位，敷設(shè)海纜，施工總平面布置圖見圖1。船舶浮態(tài)施工主要工藝步驟包括：敷纜船進(jìn)點-海纜登陸始端風(fēng)機(jī)-埋設(shè)犁下水-牽引敷設(shè)-抵達(dá)末端風(fēng)機(jī)-調(diào)整船位-回收埋設(shè)犁-海纜登錄末端風(fēng)機(jī)-敷纜船撤點。

圖1 敷纜船施工總平面布置圖

根據(jù)風(fēng)機(jī)套籠“J”型管管口朝向，由錨艇綁拖海纜船進(jìn)點機(jī)位，拋4個定位錨后絞錨調(diào)整敷纜船船位使入水槽面向登風(fēng)機(jī)一側(cè)。

電纜封頭防水處理，安裝網(wǎng)套，然后與牽引鋼纜連接。測量入水槽距風(fēng)機(jī)接線柜的距離，在設(shè)計登陸風(fēng)機(jī)海纜長度的末端安裝彎曲限位器及中心夾具進(jìn)行保護(hù)，以防護(hù)海纜表面受損壞。電纜用布纜機(jī)送至入水槽，拖曳鋼絲繩一端經(jīng)過埋設(shè)機(jī)的專用電纜通道及風(fēng)機(jī)通道，穿過預(yù)先設(shè)于風(fēng)機(jī)通道上方的轉(zhuǎn)向滑輪后，再絞于船上絞車錨頭上。啟動卷揚(yáng)機(jī)牽引電纜頭，使其緩緩進(jìn)入“J”型管并向上提升，直至彎曲限制器與“J”型管喇叭口完全貼合。海纜通過風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)通道引入風(fēng)機(jī)塔筒配電柜前，考慮到以后更換電纜終端，預(yù)留一定長度作為備用。

起吊埋設(shè)犁，使其緩緩脫離停放架。將海纜裝入埋設(shè)犁腹部，關(guān)上門板并在埋設(shè)犁海纜出口處設(shè)置吊點，以保證投放埋設(shè)犁時海纜的彎曲半徑，緩緩降落埋設(shè)犁使其平穩(wěn)的擱置于海床面。

啟動高壓水泵、埋深監(jiān)測系統(tǒng)，啟動牽引卷揚(yáng)機(jī)，其中4個定位錨保證敷纜船沿著海纜設(shè)計路由作業(yè)，一個牽引錨控制敷纜船的前進(jìn)速度。作業(yè)過程中拖輪綁扎在敷纜船一側(cè)輔助其控制方向，交通船在海纜路由上巡航，錨艇負(fù)責(zé)翻運(yùn)4個定位錨至指定坐標(biāo)，直至抵達(dá)末端風(fēng)機(jī)。

4.2 露灘挖埋施工工藝

露灘施工主要采用挖機(jī)牽引，邊敷邊埋[2]的施工方式，見圖2。工藝步驟為：敷纜船進(jìn)點-挖機(jī)牽引海纜-抵達(dá)末端風(fēng)機(jī)-海纜登陸始末端風(fēng)機(jī)-挖埋海纜。

圖2 露灘挖埋海纜作業(yè)示意圖

根據(jù)風(fēng)機(jī)套籠“J”型管管口朝向，由錨艇綁拖海纜船進(jìn)點機(jī)位，拋4個定位錨后絞錨調(diào)整敷纜船船位使入水槽面向登風(fēng)機(jī)一側(cè)。

落潮后手持定位器于設(shè)計海纜路由上安置海纜牽引小車，減少牽引海纜時的摩擦力。電纜封頭防水處理，安裝網(wǎng)套，然后與牽引鋼絲繩連接，由挖機(jī)牽引著海纜沿著牽引小車向末端風(fēng)機(jī)牽引，海纜依靠牽引小車向前滾動直至抵達(dá)末端風(fēng)機(jī)。

海纜始端由船上卷揚(yáng)機(jī)牽引電纜頭，海纜末端由挖機(jī)牽引，使其緩緩進(jìn)入“J”型管并向上提升，直至彎曲限制器與“J”型管喇叭口完全貼合。

在牽引到位的海纜旁5 m距離（絕對安全距離）用水陸兩棲挖機(jī)挖溝，深度至少3 m。其中每臺挖機(jī)配挖機(jī)操作工1名、輔工1名、安全監(jiān)督（職責(zé)：監(jiān)管現(xiàn)場作業(yè)人員、海纜的安全）1名。挖好溝后再把海纜拉進(jìn)纜溝并進(jìn)行填埋。

5 浮態(tài)作業(yè)埋深與速度控制

海纜施工設(shè)計要求埋深一般不小于3 m，為了確保浮態(tài)作業(yè)時敷設(shè)海纜的埋深復(fù)合要求，需要對埋設(shè)犁水刀與海床面角度進(jìn)行核算并調(diào)節(jié)設(shè)置。同時根據(jù)不同的海床地質(zhì)，也要控制好行進(jìn)速度高壓水泵壓力，以滿足水刀沖出足夠深的溝槽，確保埋深復(fù)合設(shè)計要求。

5.1 埋深控制

埋設(shè)海纜時，埋設(shè)犁雪橇板緊貼海床面前進(jìn)，海纜埋設(shè)深度也就是埋設(shè)犁水力開溝刀插入土體的實際深度。該深度通過變幅水力開溝刀調(diào)節(jié)，埋設(shè)深度可在0～3.5 m之間變化。埋設(shè)深度為

d=L×sinθ-s，

式中：L為埋設(shè)犁水力刀長度，6170 mm；s為埋設(shè)犁水力刀轉(zhuǎn)軸距泥面高度，718 mm；θ為埋設(shè)犁水力刀與海床面角度，可根據(jù)工程需要調(diào)節(jié)。

該工程θ設(shè)定為39°，埋設(shè)深度為d=6671×sin39°-718=3012 mm。

5.2 速度控制

海纜埋設(shè)速度由施工船牽引卷揚(yáng)機(jī)的絞纜線速度決定，并由聯(lián)接于卷揚(yáng)機(jī)的變頻器來控制與調(diào)節(jié)；可在0～16 m/min的速度范圍內(nèi)控制。施工過程中，根據(jù)不同土質(zhì)情況，埋設(shè)速度一般控制在3～15 m/min，本工程針對前期路由調(diào)查的地質(zhì)情況控制為3～8 m/min，高壓水泵壓力控制在2.2 MPa左右,可保證海纜施工的正常敷設(shè)。

6 露灘作業(yè)海纜牽引力控制

根據(jù)本風(fēng)場35 kV的海纜路由設(shè)計,共計42根支纜，長度為803～1247 m；8根首纜長度為2440～6916 m。海纜牽引過程中，單根海纜所受的牽引力會有所不同，需進(jìn)行計算分析，以控制海纜牽引力，避免受力過大，損傷海纜。

海纜最大允許牽引長度計算公式為：

L=T/（μGg）

式中：海纜理論重量G=35 kg/m；海纜最大允許牽引力T=50 kN；重力常數(shù)g=9.8 N/kg；

海纜與海床面滑動摩擦系數(shù)取0.2；計算的處最大牽引長度為728 m；采用專用小車后，滾動摩擦系數(shù)取取0.1；計算得出最大牽引長度為1457 m。

綜上可知，采用專用小車可減少海纜所受的牽引力，可滿足42根支纜的單根牽引的要求。由于8根首纜較長，不能用挖機(jī)直接牽引整根海纜，單次最大牽引長度不得超過1428 m。

7 結(jié)語

潮間帶海上風(fēng)場不同于深水風(fēng)場，受潮水影響較大，在開工前應(yīng)做好海床掃測工作并做好技術(shù)分析，選取適用的設(shè)備，制定科學(xué)合理的施工工藝，根據(jù)現(xiàn)場實際泥面標(biāo)高、水深情況，選取最適用的施工工藝。

本風(fēng)場結(jié)合實際情況對50根不同的海纜，分別采用浮態(tài)時船舶敷設(shè)和露灘時挖機(jī)敷設(shè)相結(jié)合的方式，解決了船舶坐底后無法繼續(xù)施工的問題，同時采用專用拖運(yùn)小車協(xié)助海纜牽引，大大降低了拖纜過程對海纜造成損壞的可能性。該施工工藝因地制宜，順利的完成了整個風(fēng)場35 kV海纜的施工，為以后類似工程積累了寶貴的施工經(jīng)驗。

本風(fēng)場場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉土為主，露灘后，海床較硬，無人員設(shè)備下陷的情況發(fā)生。采用本方法施工時，需對海床地質(zhì)做好分析，對于軟土地質(zhì)的海床施工，需要做好防止人員和設(shè)備的下陷入泥的措施，方可取得較好效果。