海底電纜精準(zhǔn)拋石保護(hù)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

蔣 上，馬 凌，蘆 海，趙亞棟，趙四新

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司，北京 100120；2.海南聯(lián)網(wǎng)二回項(xiàng)目管理有限公司，海南 ?？?570100；3.江蘇天辰海洋工程技術(shù)股份有限公司，江蘇 南京 210019 )

0 引言

隨著我國海洋戰(zhàn)略的不斷深入和技術(shù)裝備水平的持續(xù)提升，海洋能源產(chǎn)業(yè)近年來得到了蓬勃發(fā)展。拋石保護(hù)作為海底電纜、海底管線與海上平臺基礎(chǔ)的最主要保護(hù)方式之一，在保障能源開發(fā)與輸送中發(fā)揮著重要作用，其應(yīng)用前景廣闊。

拋石保護(hù)是指將一定粒徑、密度與級配的碎石拋設(shè)于目標(biāo)范圍海床上，該工藝可用于保護(hù)海纜、管道等水下設(shè)施可能受到的拖錨和落物的沖擊，同時能夠限制海底管纜的屈曲位移，并可預(yù)防水流對結(jié)構(gòu)物附近海床土壤的沖刷。對于海底管纜在復(fù)雜的海床地質(zhì)條件下形成的懸空段，拋石還可用于管纜下方坑道的有效填充與結(jié)構(gòu)支撐，減少海流作用下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷與摩擦破壞[1-2]。

近年來，針對深水區(qū)、精細(xì)化拋石保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用需求逐步提升，對堆石結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果也提出更高的要求。目前，拋石體防護(hù)性能已涵蓋拋石防護(hù)抗沖擊能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工中的水下結(jié)構(gòu)安全性，以及拋石體的沖刷抑制能力等諸多方面，但目前國內(nèi)尚無成熟的拋石保護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝指導(dǎo)細(xì)則[3-4]。長期以來，國內(nèi)海底管線、電纜、平臺設(shè)計(jì)主要聚焦于工程本體設(shè)計(jì)，對于精準(zhǔn)拋石保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)沒有進(jìn)行深入研究，這導(dǎo)致實(shí)際工程應(yīng)用粗放，拋石工藝與拋石體性能存在不確定性[5]，并進(jìn)一步阻礙了海上工程的建設(shè)和技術(shù)的進(jìn)步。因此，深入研究海洋工程精準(zhǔn)拋石保護(hù)技術(shù)具有重要意義和工程實(shí)踐價值。

本文結(jié)合國家重點(diǎn)項(xiàng)目“海南電網(wǎng)二回聯(lián)網(wǎng)工程”子課題“海底電纜拋石保護(hù)工程”已有研究及應(yīng)用成果，對拋石保護(hù)施工設(shè)備、精準(zhǔn)拋石保護(hù)施工過程、檢測關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，提煉出工藝技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

1 拋石保護(hù)施工關(guān)鍵設(shè)備

拋石保護(hù)施工關(guān)鍵設(shè)備包含了拋石船、石料裝載裝置(抓斗和傳送帶)、石料拋放裝置、檢測設(shè)備等，其中石料裝載裝置(抓斗和傳送帶)、石料拋放裝置、檢測設(shè)備均集成于拋石船，如圖1 所示。拋石船包含了裝卸石料、運(yùn)輸系統(tǒng)、操控系統(tǒng)等組成部分。

圖1 拋石船組成圖

拋石船主要包括如下部分：

1)船體及船艙操控系統(tǒng)。包含船體結(jié)構(gòu)、操作室、生活區(qū)等組成部分。

2)石料裝填及運(yùn)輸系統(tǒng)。包含石料堆放區(qū)域、挖斗機(jī)、落石管堆放區(qū)、傳送帶、中央緩沖料斗等組成部分。

3)拋石系統(tǒng)。包含落石管、遙控?zé)o人潛水器(remote operated vehicle，ROV)系統(tǒng)、多波束聲吶(multi beam sonar system，MBM)系統(tǒng)等組成部分。

2 精準(zhǔn)拋石保護(hù)施工過程

海底電纜拋石要求在精確定位海底電纜的同時實(shí)時監(jiān)測海底拋石截面，石料不能損壞海底電纜。根據(jù)上述要求，施工工藝需要采用精準(zhǔn)導(dǎo)管拋石方式，將符合控制標(biāo)準(zhǔn)石料通過落管精準(zhǔn)輸送至拋石指定位置海床[6]，完成檢測后進(jìn)行施工。

2.1 石料控制標(biāo)準(zhǔn)

石料控制標(biāo)準(zhǔn)包括了石料選擇和供應(yīng)、石料運(yùn)輸及存儲、石料檢驗(yàn)三個方面。

1)石料選擇和供應(yīng)。施工單位需根據(jù)設(shè)計(jì)單位出具的石料材質(zhì)及級配要求，結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行施工總體規(guī)劃，確定石料開采地點(diǎn)。對石料運(yùn)輸時長、供應(yīng)量進(jìn)行綜合分析，包括石料裝車、陸上運(yùn)輸、碼頭裝船卸車、水上運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。為保證石料運(yùn)輸過程中船舶穩(wěn)定性，石料每次運(yùn)輸量取運(yùn)輸船滿載量的60%。

2)石料運(yùn)輸及存儲要求。采取相應(yīng)措施使石料在運(yùn)輸及存儲過程中保證清潔。

3)石料檢驗(yàn)。對原材料進(jìn)行抽樣檢測，檢測結(jié)果應(yīng)及時上報(bào)審批，審批通過后，原材料方可使用。

2.2 拋石檢測

拋石保護(hù)施工前使用多波束對海纜進(jìn)行掃測，校驗(yàn)懸空、裸露情況；拋石過程中配合底流監(jiān)測、二維成像聲吶、三維實(shí)時聲吶監(jiān)測等設(shè)備對拋石的效果進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控檢測；拋石后對海纜懸空、裸露段修復(fù)效果進(jìn)行查驗(yàn)[7]。具體控制措施詳見3.5 節(jié)。

2.3 拋石方式

海底電纜拋石保護(hù)工程中為控制精度，應(yīng)采用導(dǎo)管拋石方式，如圖2 所示。

圖2 拋石船落管系統(tǒng)示意圖

“海南電網(wǎng)二回聯(lián)網(wǎng)工程”子課題“海底電纜拋石保護(hù)工程”中落管材質(zhì)為鋼制，單根長8 m，直徑600 mm，利用法蘭連接。落管長度根據(jù)水深確定，實(shí)際施工過程中，施工船會根據(jù)測深儀數(shù)據(jù)加長或縮短落管，當(dāng)水深低于落管長度整數(shù)倍時采用傾斜拋石落管的方式，確保落管底部與電纜保持5 m 以上的安全距離。

施工船選擇作業(yè)區(qū)域外點(diǎn)位進(jìn)行試拋，根據(jù)拋放試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)劃段落長度、船舶移動速度、段落拋放時間和最小覆蓋使用量，控制段落內(nèi)拋放數(shù)量大于設(shè)計(jì)最低數(shù)量均勻拋放。試驗(yàn)完畢后施工船前往施工區(qū)域開始進(jìn)行拋石作業(yè)，對裸露與懸空部分有區(qū)分地進(jìn)行碎石拋放檢測。

2.4 施工方案

施工前應(yīng)對海底電纜路由進(jìn)行精確勘察，確定需要拋石的區(qū)段及海床地形。根據(jù)拋石位置水深以及海纜形態(tài)進(jìn)行作業(yè)區(qū)域劃分，然后針對不同作業(yè)區(qū)域靈活調(diào)整施工方案。

2.4.1 常規(guī)拋石保護(hù)施工方案

海底電纜鋪設(shè)完畢后，正常為裸露狀態(tài)，針對這種海纜形態(tài)，施工方案如下：對于裸露部分的電纜保護(hù)采用原有的拋石壩設(shè)計(jì)，拋石壩形狀示意圖如圖3 所示。其中梯形斷面上底寬1 m，壩頂距電纜頂部高1 m，斜坡比1∶3；內(nèi)層初步保護(hù)層(相對于電纜頂部凈高)層高0.5 m，底寬2.0 m；拋石保護(hù)施工前需進(jìn)行埋前探測，找準(zhǔn)海纜坐標(biāo)，并確認(rèn)海纜現(xiàn)狀為懸空或裸露后方可進(jìn)行拋石保護(hù)施工。

圖3 堆石壩設(shè)計(jì)方案

2.4.2 特殊場景(懸空)拋石保護(hù)施工方案

海底電纜鋪設(shè)過程中，由于部分區(qū)域的海床地形起伏，可能會導(dǎo)致部分海纜懸空。如果拋填不及時或拋填后長時間沖刷，可能會導(dǎo)致較長段落海纜懸空。本研究依據(jù)瓊州海峽水深情況及海纜埋設(shè)檢測圖形，從經(jīng)濟(jì)性角度確定，海纜懸空段長度以30m 作為分界點(diǎn)，采用不同施工方案。

1)對于懸空段長度小于30 m 的區(qū)段，首先用小石塊(2.5 ～5 cm)將海纜包裹住，并高于海纜上方約0.3 m。再將大石塊(5 ～20 cm)拋覆于小石塊上方，厚度約0.8 m。以抵抗洋流作用，增加拋石壩使用壽命。建議堤壩坡腳處護(hù)底石塊尺寸較外層增大20%～30%，以抵抗洋流沖刷。拋石壩形狀示意圖如圖4 所示。

圖4 拋石壩體橫斷面示意圖(適用于懸空段小于30 m)

2)對于懸空段長度大于30 m 的區(qū)段，首先在懸空段中部建立支點(diǎn)，隨后再進(jìn)行拋石修復(fù)?？紤]到在建立懸空段中點(diǎn)的支撐時，海纜受力尚未得到改善，因此該處拋石以5 ～20 cm大石塊拋填成基座，然后在基座中間的凹槽上方拋放2.5 ～5 cm 小石塊。對懸空段中點(diǎn)處臨時支撐點(diǎn)進(jìn)行施工時，先拋5 ～20 cm 石塊，壩體高度約為現(xiàn)狀海纜所在高度。中部支點(diǎn)建立完畢后，其他區(qū)段在電纜兩側(cè)拋放大石塊(5 ～20 cm)，考慮到導(dǎo)管拋石精度約2 m，再考慮2 m 的安全裕度，大石塊拋石點(diǎn)距離海纜水平距離不小于4 m，形成拋石壩兩側(cè)“基座”，用上述兩層石塊墊高海床，形成中間低兩邊高的“凹槽”。拋石過程中及時拋放和監(jiān)測，以控制壩體質(zhì)量。采用小石塊(2.5 ～5 cm)從電纜側(cè)面2 m 左右拋石至海纜上方齊平，并繼續(xù)補(bǔ)拋一部分5 cm小石塊至海纜上方約0.3～0.5 m，一方面可以起到一定防外力破壞的作用，一方面可以減輕海流對纜的影響。在外層拋放大石塊(5 ～20 cm)，高于電纜高度1 m。堤壩坡腳處護(hù)底石塊尺寸較外層增大20%～30%，以抵抗洋流沖刷[8-9]，如圖5 所示。

圖5 拋石壩體橫斷面示意圖(適用于懸空段大于30 m)

2.5 小結(jié)

1)選擇石料需滿足設(shè)計(jì)方提出的材質(zhì)和級別要求，對石料運(yùn)輸時長、供應(yīng)量進(jìn)行綜合分析，確保石料供應(yīng)滿足海上施工需求。石料運(yùn)輸及存儲過程中，需保證石料的清潔。

2)嚴(yán)格做好拋石作業(yè)全過程施工監(jiān)測。拋石保護(hù)施工前使用多波束對海纜進(jìn)行掃測，校驗(yàn)懸空、裸露情況；拋石過程中配合底流監(jiān)測、二維成像聲吶、三維實(shí)時聲吶監(jiān)測等設(shè)備對拋石的效果進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控檢測；拋石后對實(shí)際拋放截面效果進(jìn)行查驗(yàn)。

3)施工工藝宜采用導(dǎo)管拋石方式，將石料通過落管輸送至拋石指定位置海床。

4)海底電纜鋪設(shè)完畢后，正常為裸露狀態(tài)。由于部分區(qū)域海床地形起伏，可能會導(dǎo)致部分海纜懸空。如果拋填不及時或拋填后長時間沖刷，可能會導(dǎo)致較長段落海纜懸空。應(yīng)根據(jù)施工前掃測的海纜不同的形態(tài)，調(diào)整、確定合適的施工方案。

3 拋石保護(hù)施工檢測

3.1 檢測技術(shù)

拋石作業(yè)的檢測包含了拋石前檢測、拋石中檢測和拋石后檢測。檢測過程主要通過落石管末端的ROV 上搭載的專用裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，ROV 裝置由多種先進(jìn)的檢測設(shè)備組成，包括：導(dǎo)航儀、測深儀、數(shù)字地形模型 (digital trunk module，DTM)系統(tǒng)、測高儀、MBM、掃描傳感器、水下攝像設(shè)備和水下照明設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)海管或海纜定位、數(shù)據(jù)采集的功能。

施工中，ROV 采集到的數(shù)據(jù)即時傳回操作平臺計(jì)算機(jī)處理，通過Terramodel 軟件制圖，每5 m提交一個拋石截面圖，在該圖中詳細(xì)描述了海管位置、海底地形原始狀態(tài)、內(nèi)外層拋石設(shè)計(jì)剖面和實(shí)際剖面等，如圖6 所示。當(dāng)石料的實(shí)際拋放剖面全部覆蓋設(shè)計(jì)拋放剖面，則視為拋石合格。

圖6 多波束檢測成像示例

3.2 檢測設(shè)備

拋石作業(yè)的檢測設(shè)備主要包含了多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、單波束測深儀、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)、星站差分、聲速剖面儀、表面聲速儀、船舶定位系統(tǒng)(position and orientation systems for marine vessels，POS MV)、無人機(jī)等。

3.3 檢測方法

拋石保護(hù)施工檢測方法主要分為多波束測深技術(shù)及側(cè)掃聲吶技術(shù)，分別適用于海底海纜懸空段、裸露段檢測[10]。

3.3.1 懸空段檢測

利用船載多波束測深系統(tǒng)沿著海纜走向進(jìn)行掃側(cè)，以使盡可能多的波束點(diǎn)探測到懸空的海纜，綜合對比解釋識別處懸空的海纜，海纜與海床距離大于0.1 m 視為懸空，對于海纜的空間三維特征可以在多波束數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行量取。最終統(tǒng)計(jì)海纜懸空情況，各懸空段范圍、懸空長度、最大懸空高度，首位坐標(biāo)并對附近地形地貌進(jìn)行描述，同時截取細(xì)節(jié)照片。

3.3.2 裸露段檢測

利用船載側(cè)掃聲吶系統(tǒng)沿著海纜走向進(jìn)行掃側(cè)，以使盡可能多的波束點(diǎn)探測到裸露的海纜，再結(jié)合多波束的海底地形數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比解釋識別處裸露的海纜，海纜與海床貼合并無覆蓋物則視為裸露。對于海纜的空間三維特征可以在多波束及側(cè)掃數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行量取。最終統(tǒng)計(jì)海纜裸露情況、各裸露段范圍、首位坐標(biāo)并對附近地形地貌進(jìn)行描述，同時截取細(xì)節(jié)照片。

3.4 檢測步驟

操作中，根據(jù)多波束測量數(shù)據(jù)及超短基線定位(ultra-short baseline，USBL) 數(shù)據(jù)，配合使用三維聲吶及多波束檢測手段進(jìn)行電纜位置定位探測。指揮動力定位(dynamic positioning，DP)駁船調(diào)整落管管口與水下電纜相對位置，引導(dǎo)DP 駁船精確定位。 根據(jù)電纜的狀態(tài)，分為裸露和懸空兩種情況。

1)裸露。裸露段相比懸空來說施工成果較易明確，只需碎石覆蓋海纜，依據(jù)多波束檢測記錄即可，測量員實(shí)時觀測處理多波束數(shù)據(jù)，依據(jù)檢測結(jié)果引導(dǎo)石料拋放。

2)懸空。懸空段海纜在海流作用下產(chǎn)生振動，鉛護(hù)套和鎧裝等金屬材料存在疲勞損傷風(fēng)險，長期作用下，可能導(dǎo)致海底電纜失去鉛護(hù)套的徑向阻水保護(hù)和鎧裝的機(jī)械保護(hù)，造成海纜出現(xiàn)開裂、進(jìn)水、擊穿等故障，故懸空段的保護(hù)極其重要。多波束檢測完成后，使用三維實(shí)時成像觀測懸空處拋石過程，隨船調(diào)整觀測位置，保證懸空處拋石效果。隨后水深觀察人員使用水深測量設(shè)備關(guān)注水深變化情況，緩慢靠近施工就位點(diǎn)。船舶就位后根據(jù)施工水域流向，調(diào)整艏向和船位。

3.5 檢測控制措施

1)控制點(diǎn)應(yīng)選在通視良好、交通方便、地基穩(wěn)定且能長期保存的地方。埋點(diǎn)位置要求地勢開闊，且要避開高度角15°以上的障礙；

2)控制測量的時候腳架需牢固架設(shè)，防止海風(fēng)吹倒；

3)觀測時間把控好，單個時段不少于5 h，且需要觀測2 個時段；

4)測量船作業(yè)過程中，速度不超過5 節(jié)，時刻提醒舵手注意海峽中的漁網(wǎng)，防止觸礁、擱淺等，防止刮壞多波束探頭；

5)在數(shù)據(jù)采集時按測距極坐標(biāo)法，本著“所見即所測、所見即所得”的原則，地形、地貌、地物采用固定的地物編碼和測圖號記錄；

6)導(dǎo)航定位航跡與設(shè)計(jì)測線偏離距離不得大于測線間距的20 m，如航跡偏離大于20 m 時，重新上線進(jìn)行測量。

7)檢測過程中，選用標(biāo)準(zhǔn)差分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)通過同步觸發(fā)器(定標(biāo)器)分別與多波束實(shí)現(xiàn)同步定位，定位標(biāo)線間隔為50 m。定位過程中，所有定位數(shù)據(jù)均采用計(jì)算機(jī)自動記錄存盤、打印。

8)水深測量期間，若發(fā)現(xiàn)水深變化異常，結(jié)合旁掃聲吶作業(yè)作出明確的判斷解釋。測量船速保持不大于5 節(jié)。

9)對實(shí)時采集的多波束資料進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，剔除假信息、恢復(fù)、保留真實(shí)信息，得到高精度的水深值。

10)多波束測深過程中或測深結(jié)束后，對主測深線進(jìn)行檢查。檢查測深線宜垂直于主測深線均勻布設(shè)，檢查測深線總長不少于測深線總長的2%。檢查測深線采用單波束或多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行測量；檢查測深線與主測深線相交處，成像圖上1 mm 范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度檢查較差的限差，不應(yīng)超過表1 的規(guī)定。

表1 深度檢查較差的限差

11)所有檢測項(xiàng)目數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一使用同一坐標(biāo)原點(diǎn)；在已有運(yùn)維坐標(biāo)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行海底地形圖測繪和電纜裸露、懸空檢測。在已有運(yùn)維坐標(biāo)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對海纜路由坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)測定位。

3.6 小結(jié)

1)拋石保護(hù)施工應(yīng)嚴(yán)格開展拋石前檢測、拋石中檢測和拋石后檢測。通過檢測，可以探測海纜裸露情況、海纜懸空情況、控制測量、水深測量圖和地形圖等。

2)拋石保護(hù)施工檢測精度主要依賴多波束設(shè)備、聲吶等設(shè)備的精度，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照操作手冊進(jìn)行施工，以控制檢測精度滿足施工需求。目前國內(nèi)外施工檢測技術(shù)精度均能夠滿足拋石保護(hù)施工精度控制要求，國內(nèi)外差別不大。

4 結(jié)語

本文結(jié)合“海南電網(wǎng)二回聯(lián)網(wǎng)工程”子課題“海底電纜拋石保護(hù)工程”，研究了海底電纜拋石保護(hù)施工中的關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)關(guān)注石料運(yùn)輸、導(dǎo)管拋石及拋石檢測等關(guān)鍵工藝。應(yīng)選擇滿足設(shè)計(jì)方要求的材質(zhì)、級配的石料，對石料運(yùn)輸時長、供應(yīng)量進(jìn)行綜合分析，確保石料供應(yīng)滿足海上施工需求；石料運(yùn)輸及存儲過程中，保證石料的清潔；應(yīng)嚴(yán)格做好拋石作業(yè)施工前、施工中、施工后監(jiān)測；采用精準(zhǔn)導(dǎo)管拋石是行業(yè)和國際上公認(rèn)的成熟方式，是規(guī)?；鳂I(yè)的首選方案；應(yīng)針對海纜不同形態(tài)的情況(懸空或裸露)采取合適的施工方案。應(yīng)重視檢測技術(shù)在拋石保護(hù)施工中的應(yīng)用，嚴(yán)格控制施工檢測技術(shù)精度，適時發(fā)展施工檢測設(shè)備和技術(shù)以適應(yīng)未來海洋工程的需求。