吳愛國，袁舟龍，公言強

（浙江舟山啟明電力集團公司，浙江 舟山 316001）

0 引言

我國海域遼闊，海岸線長，沿海島嶼的供電需要采用海底電力電纜（簡稱海纜）與大陸主電網(wǎng)相連，以及實現(xiàn)島嶼間聯(lián)網(wǎng)。隨著海洋經(jīng)濟的興起，海島電力需求急劇增加，海上石油和天然氣等能源開采需要可靠的電力來保障，海上風電場、潮汐能等新能源需要將發(fā)出的清潔電力安全可靠地輸送出去，這些都需要使用大量海纜作為電力通道與電網(wǎng)相連[1，2]。

海纜的敷設(shè)方式有拋放和深埋2種：拋放方式是利用海纜的自重沉入海底，施工簡單，其安全性較差，特別是在淺海漁區(qū)，很容易被漁撈和船錨損壞。深埋方式是利用埋設(shè)設(shè)備即埋設(shè)機將海纜埋設(shè)于海床下一定深度，避免人為作業(yè)的破壞，有效保護海纜的安全。目前，深水區(qū)域海纜敷設(shè)采用拋放方式，其余基本采用深埋方式[3]。海纜深埋敷設(shè)施工可以分為施工準備、海纜敷設(shè)、后續(xù)保護和電纜試驗4個主要階段。

1 施工準備

1.1 技術(shù)準備

工程開工前，施工單位組織施工圖紙會審，再依據(jù)施工設(shè)計圖紙，路由勘查報告，施工海域氣象、水文、航道、海底管線等資料，編制詳細的施工組織設(shè)計、施工應急預案、施工警戒方案等技術(shù)方案，組織相關(guān)專家進行論證，并報監(jiān)理單位、建設(shè)單位審核后執(zhí)行。

1.2 現(xiàn)場準備

1.2.1 施工手續(xù)辦理

工程前期，施工單位協(xié)助建設(shè)方辦理海纜施工專項許可證書，在海洋漁業(yè)廳辦理海域使用證書、海底管道施工許可證書等相關(guān)施工手續(xù)，確保海纜工程合法、有效；還需要得到施工區(qū)域港務、航道、漁政等相關(guān)部門的配合。

1.2.2 路由復測

施工單位邀請海洋勘察機構(gòu)勘測設(shè)計路由的海域狀況，海底土質(zhì)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的海纜施工提供路由資料。

1.2.3 現(xiàn)場布置

海纜船到達施工海域按照海事要求進行船舶復檢工作。

施工期間發(fā)布航行通告及氣象情況通告。海纜施工期間，由海事部門定期發(fā)布航行通告，提醒限制區(qū)域經(jīng)過施工現(xiàn)場的航運船只繞道航行，避免事故發(fā)生。施工開始后，海事部門安排專門人員擔任施工海域的維護、警戒、巡邏等工作，確保施工工作正常有序進行。

施工單位安排專人收集權(quán)威的當?shù)睾Ｓ驓庀箢A報，掌握施工海域的風力、降水、潮汐等氣象信息，及時做好應對準備，避免工程安全事故的產(chǎn)生。

1.2.4 土建監(jiān)控裝置等系統(tǒng)建設(shè)

登陸點土建電纜溝通道暢通、排水良好、整潔無雜物，滿足海纜敷設(shè)的條件。

海纜兩端登陸處，應設(shè)置“禁止拋錨”、“水線”等警示裝置，警示標志應醒目，并具有穩(wěn)定可靠的夜間照明，夜間照明宜采用節(jié)能型冷光源，可采用同步閃爍方式。

海纜兩端登陸處，可安裝視頻監(jiān)控裝置等保護裝置，并調(diào)試完成，可以監(jiān)控海纜關(guān)鍵區(qū)域。

海纜敷設(shè)施工前，登陸點海纜土建具備海纜施工條件；警示裝置、視頻監(jiān)控裝置等監(jiān)控系統(tǒng)安裝完成后，有效地保護將被敷設(shè)的海纜，免受錨泊等外力傷害[4]。

1.3 海纜過駁

在海纜過駁前，先對海纜進行出廠試驗，待試驗符合設(shè)計標準后方可進行過駁施工。海底電纜的過纜作業(yè)方式不同，可分為整體吊裝和散裝過纜2種方式[5]。

1.3.1 整體吊裝

利用運輸船上的起吊機或浮吊，將整盤海纜連同纜盤由運輸船吊至施工船甲板上，再將電纜盤與甲板聯(lián)結(jié)固定，并在施工船甲板上搭設(shè)退扭架等設(shè)施。圖1為海纜整體吊裝示意。整體吊裝要求纜盤強度高、還要配備專用大型吊機，但其操作較為簡單，適用于短距離重量輕的海纜，而長距離、大截面的海纜，其整體吊裝成本高，不適宜采用這種方式。

圖1 海纜整體吊裝示意

1.3.2 散裝過纜

根據(jù)過纜地點不同散裝過纜可分為電纜廠方碼頭過纜和江（海）面電纜運輸船上過纜（如圖2所示）2種形式，其工作原理大致相同，以下以電纜廠方碼頭過纜為例介紹其過纜方式。

圖2 運輸船上海纜散裝過駁示意

將施工船開到電纜廠碼頭，通過連接工廠車間和碼頭的傳送帶直接將電纜輸送到電纜施工船上，再由施工船運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后直接展放電纜，中間不需要再次轉(zhuǎn)運，而且施工船上均設(shè)有退扭架和電纜盤，用來裝載和敷設(shè)電纜。這種方式適用于具備通航條件的所有類型電纜的施工，特別是海上施工。優(yōu)點是安全可靠，不損傷電纜。缺點是需要大型專業(yè)施工船到工廠運纜，而且費用昂貴。

過纜要求：盤繞前在海纜盤圈內(nèi)海纜頭部預留3 m，以方便海纜測試，過纜速度應控制在平均900 m/h以內(nèi)；海纜盤繞方向應與海纜鎧裝的繞行方向一致，盤放順序遵循先內(nèi)后外、先下后上的總體原則。對于較短距離的海底電纜，也可采用“8”字形盤繞、線盤盤繞等方法進行過纜作業(yè)。

裝船結(jié)束后重新對海纜性能檢查測試，確認各項性能指標（交流耐壓、絕緣電阻）滿足其工程設(shè)計要求，防止過駁不當造成海纜損壞。

1.4 掃海

掃海是在施工前清除海纜路由上障礙物的重要步驟[6]，按作業(yè)方式不同可分為拖錨掃海，聲納、多波束等儀器掃海，ROV（水下機器人）掃海等方式。

1.4.1 拖錨掃海

掃海船只應配備DGPS（差分全球定位系統(tǒng)）進行導航和定位系統(tǒng)，掃海船只的尾部拖拽1個橫桿，橫桿上系有若干個四爪錨，掃海船只沿著路由來回多次航行，必須注意始終保持橫桿與海床接觸，以掃除電纜設(shè)計路由上可能存在的廢棄漁網(wǎng)、拋棄物等障礙物。拖錨掃海是最簡單、有效的方式，在實際工程中應用較多。

1.4.2 聲納、多波束等儀器掃海

淺地層剖面儀是利用聲波在水中和水下沉積物內(nèi)傳播和反射的特性來探測水底地層的設(shè)備，是在回聲探測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，剖面儀的轉(zhuǎn)換器裝在調(diào)查船或拖拽體中。多波束與淺地層剖面儀相結(jié)合，多波束測量出海纜路由地形，剖面儀通過超聲波分析出海床地質(zhì)情況，通過軟件計算出海底電纜距離地表的厚度，再結(jié)合多波束測量出的地形參數(shù)綜合分析海底障礙物狀況。

1.4.3 ROV掃海

ROV在海床行走，ROV上裝設(shè)水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)、聲納等設(shè)備，ROV沿著路由軌跡在海床上行走，探查海纜路由障礙物，監(jiān)控路由上的海底狀況。

1.5 試航

施工船舶到達不熟悉的施工現(xiàn)場后，首先安排施工船在設(shè)計施工路由區(qū)域內(nèi)進行試航，以熟悉施工區(qū)域內(nèi)設(shè)計路由的各個關(guān)鍵點及潮水情況。

試航過程中，船上的所有埋設(shè)設(shè)備及后臺監(jiān)測設(shè)備進行模擬操作演練，確保船舶、電纜輸送機、埋設(shè)犁、錨泊系統(tǒng)、卷揚機等重要施工設(shè)備及監(jiān)測裝置的正常工作，確保施工順利進行及海纜敷設(shè)質(zhì)量。

2 海纜敷設(shè)過程

由于船舶有吃水深度，一般不能直接到達兩端登陸點，所以海纜敷設(shè)過程可分為首端登陸、中間段敷埋、終端登陸。

2.1 首端登陸施工

海纜首端登陸前，高潮位時將施工船錨泊在登陸點附近，以減小登陸距離，并利用DGPS測量系統(tǒng)定位于路由軸線上，拋“八”字開錨錨泊固定；還需根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)定錨位，確保周圍海底纜線的安全。

登陸時，海纜頭從電纜盤內(nèi)通過退扭架拉出，從船頭通過入水槽入海，水面段在海纜下方每隔2 m墊以充氣內(nèi)胎進行助?。焕妙A先設(shè)置在首端登陸點處的絞磨機牽引海纜浮運登陸，如圖3所示。在海纜牽引至灘涂處，人工解除助浮充氣內(nèi)胎，將海纜擱置在預先設(shè)置在海纜登陸路由的滑車上方滾動或滑動，減少海纜牽引的阻力和減少海纜的磨損。當海纜登陸完成后，潛水員下水逐個拆除浮運海纜的輪胎，將海纜按設(shè)計路由沉放至海床上。

圖3 海纜首端登陸示意

2.2 海纜中間段敷埋施工

海纜中間段敷埋的埋設(shè)機一般有2類：

（1）射流式開溝機，是目前使用最普遍的一類海底管道開挖機器，高壓水泵產(chǎn)生的高速水流輸送到位于開溝機前端的噴嘴，從噴嘴噴出的水流可達到很高的速度，可將海底泥質(zhì)、沙質(zhì)、甚至基巖沖走，形成一條海底溝道。

（2）絞刀式挖溝機，通過絞刀將泥土切碎，開出一條海底溝道，因其裝置復雜，在國內(nèi)工程中應用較少[7，8]。

海纜中間段敷埋過程中，根據(jù)海纜敷設(shè)和深埋先后順序，分為先敷后埋和敷埋同步2種方式。

2.2.1 先敷后埋方式

施工船舶根據(jù)設(shè)計路由，將海纜拋放在海床上面，再由潛水員或ROV利用水下設(shè)備對海床上的海纜進行深埋和后續(xù)保護操作。這種施工方式一般適用在地質(zhì)較差的海底，或大型施工船舶無法進入的較淺海域。

2.2.2 敷埋同步方式

敷埋同步方式根據(jù)主施工船舶的前進動力不同，可分為翻錨作業(yè)敷設(shè)、慢絞牽引鋼絲敷設(shè)和自航式敷設(shè)等方式。

（1）翻錨作業(yè)敷設(shè)方式

施工船前后共4個工作錨，通過拋錨船沿海電纜路由方向不斷拋射其牽引錨，施工船再由錨機收絞鋼絲提供前進動力，使施工船向前移動，同時拖動埋設(shè)機進行電纜深埋敷設(shè)。這種方式敷設(shè)速度慢；且在海纜路由經(jīng)過海底管線交越等錯綜復雜區(qū)域時，拋射牽引錨可能傷及其他海底管線；遇到海底地質(zhì)差區(qū)域，頻繁拋錨容易產(chǎn)生走錨危險。

（2）慢絞牽引鋼絲敷設(shè)方式

施工船一般采用無動力方駁船，駁船吃水淺，便于近海施工。在潮流下，方駁船較其他船舶相對更穩(wěn)定，給船上施工人員的提供相對穩(wěn)定的平臺。施工過程中，施工船通過專門大錨機來收絞預先拋敷在設(shè)計路由上的主牽引鋼纜，提供船舶前進動力，使施工船向前移動，同時拖動埋設(shè)機進行電纜深埋敷設(shè)，如圖4所示。而海纜的埋設(shè)速度由卷揚機的絞纜速度來決定，其敷埋速度一般控制在0～9 m/min。當施工船偏離路由軸線時，采用拖輪及錨艇，在施工船背水側(cè)或背風側(cè)進行頂推，以糾正埋深施工船的航向偏差。施工船上的海纜埋設(shè)導航定位系統(tǒng)來控制海纜路由，埋深檢測系統(tǒng)來監(jiān)控埋設(shè)速度、埋設(shè)機水下姿勢等數(shù)據(jù)，水深測量系統(tǒng)監(jiān)控水深。

圖4 海纜深埋敷設(shè)示意

這種方式敷設(shè)速度相對較快，船舶穩(wěn)定性高，操作簡單，實際應用較多。

（3）自航式敷設(shè)方式

施工船采用DP（動力定位），實際上是一套計算機系統(tǒng)，它將導航定位信息、氣象、顛簸以及潮流等數(shù)據(jù)輸入到計算機內(nèi)，然后由計算機來控制船舶動力系統(tǒng)，讓船舶沿設(shè)計路由自動航線，同時拖動埋設(shè)機進行電纜深埋敷設(shè)[9，10]。

DP系統(tǒng)能夠按照施工要求可靠地控制船位；船舶準確定位，能夠準確按照設(shè)計路由進行海纜敷設(shè)或埋設(shè)；可根據(jù)海底底質(zhì)情況嚴格控制船速，調(diào)整埋設(shè)速度，保證埋設(shè)質(zhì)量；在電纜接續(xù)或打撈等操作中能長時間保持船位不變；能準確記錄海纜敷設(shè)路由，為今后海纜維護、修理提供依據(jù)。

2.3 終端登陸施工

終端登陸前，施工船拋設(shè)“八”字錨穩(wěn)定船位；布纜機將海纜通過入水槽送入水中，在海纜入水段每隔2 m墊以充氣內(nèi)胎助??；海纜不斷送出后在水面上逐漸形成1個不斷擴大的“Ω”形狀，工作艇監(jiān)視和控制海面上海纜彎曲情況，防止海纜打小彎；在測量海纜終端登陸長度后，將海纜截斷、封頭；待海纜頭牽引出施工船后，在海纜頭上設(shè)置活絡轉(zhuǎn)頭，并與設(shè)置在終端登陸點處絞磨機的牽引鋼絲連結(jié)，啟動絞磨機牽引海纜，如圖5所示。施工船移動船位，避讓出海纜登陸路由，再由牽引船牽引海纜。當海纜登陸完成后，潛水員下水逐個拆除浮運海纜的輪胎，將海纜按設(shè)計路由沉放至海床上。

圖5 海纜終端登陸示意

3 海纜后續(xù)保護

受船舶吃水深度、海底地質(zhì)、海底管線交越等因素影響，有部分段海纜敷設(shè)未達到設(shè)計要求，需要后續(xù)采取一些措施保護好海纜[11，12]。

3.1 人工沖埋保護

由于主施工船因船只吃水問題無法完全靠近登陸岸邊且海底地質(zhì)為淤泥質(zhì)土時，可以采用人工沖埋保護方式。在海底中段海纜全部埋設(shè)完畢后，潛水員在水下探摸清潮間段水下海纜的實際情況，然后由潛水員利用小型高壓水泵按海纜實際敷設(shè)軌跡將海纜沖埋至設(shè)計要求埋深。

3.2 安裝套管保護

在基巖區(qū)、潮流沖刷槽區(qū)等不良地質(zhì)海底區(qū)域內(nèi)，可加裝保護套管保護海纜，保護套管能提高海纜抗外力破壞能力，減小電纜磨損。在基巖區(qū)內(nèi)，海纜施工前先進行路由巖面勘察，采用爆破方式，去除孤石，整平基巖面，直接在巖面上開鑿電纜溝，海纜套上海纜保護套管后放置槽溝內(nèi)進行固定，如圖6所示。在潮流沖刷槽區(qū)內(nèi)，海纜在敷設(shè)前，確定潮流沖刷槽位置及距離，先用埋設(shè)裝置開挖，深度不小于60 cm，再把海纜套上保護套管后敷設(shè)至溝內(nèi)。

圖6 電纜套保護管

但其運行后會帶來2個問題[11]：

（1）保護套管阻擋海纜散熱，引起海纜運行溫度升高，因此設(shè)計時就要校核帶套管的海纜載流量和套管的機械強度。

（2）采用導磁性材料的保護套管，運行中套管會產(chǎn)生感應電勢，形成內(nèi)部環(huán)流，增加海纜電能損耗。因此要選擇無磁類保護套管（如玻璃鋼）。

3.3 拋石保護

拋石保護應用在已進行過埋深保護及其他保護措施的海纜上，對不能滿足設(shè)計防護要求或無法實施其他保護措施的海纜區(qū)段、海纜裸露海床部位，尤其是在復雜的海床地質(zhì)條件下形成的懸空段，通過實施拋石填充所形成的石料堆積體，使海底電纜運行環(huán)境得到有效改善和穩(wěn)固。避免了海底電纜在海流的作用下，長期疲勞運動或與海床產(chǎn)生摩擦而造成海纜絕緣介質(zhì)破壞。同時，海纜上部的石料堆積層也具備了一定抵御外力沖擊破壞的強度。500kV海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜保護方案中就采用了拋石保護方案。

拋石保護工程非常復雜，在工程實施中主要分為2個建設(shè)階段，前期建設(shè)階段包括海纜狀態(tài)的精勘調(diào)查、設(shè)計論證、試驗研究、采石場調(diào)研，施工階段涉及石料的制備及質(zhì)量控制、拋石作業(yè)、濾層（碎石層）轉(zhuǎn)序驗收、鎧裝層（塊石層）斷面竣工驗收、工程控制等。要綜合考慮海纜安全和堆石體穩(wěn)定性，海纜拋石設(shè)計的堆石體一般采用兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層（濾層）為2.54～5.08 cm碎石，外層（鎧裝層）為5.08～20.32 cm組合塊石，如圖7所示。

圖7 海纜拋石保護示意

3.4 海纜橋架

海纜橋架可應用在2種情形下：

（1）若海纜設(shè)計路由地形凹凸或有海溝，海纜可能處于懸空狀態(tài)，海纜橋架安裝在這些不平坦的地形下，支撐電纜，防止海纜懸空擠壓。

（2）在管線交越時，也可以安裝電纜橋架，既能固定海纜不與下層管線相互摩擦，又能使下端管線檢修時不用挪動上層海纜。海纜橋架的設(shè)計應滿足頂部縱向力可以支撐電纜，且確保船錨不會碰及。

3.5 警示標志

在海纜兩端登陸點明顯的位置安裝“禁止拋錨”、“水線”等警示標志，告知過往船舶此處海域有電纜，禁止拋錨，以免破壞海纜。

3.6 海圖

將新敷設(shè)好的海纜路由軌跡錄入至海事的海圖中，由海事發(fā)布公告，過往該海域的船舶通過AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）可以在海圖上看到此海域中電纜的位置，避免拋錨。

4 試驗驗收與工程實例

海纜敷設(shè)及電纜終端頭制作完成后，需要對海纜進行完工試驗，檢驗海纜的各項性能指標，判斷是否在施工過程中受到傷害，能否滿足安全運行要求[13，14]。

試驗主要包括耐壓試驗、絕緣試驗、泄漏電流試驗等幾項，其中海纜的絕緣測試要求在海纜耐壓試驗前后各做1次，前后2次絕緣電阻的差別不大[15]。海纜試驗合格后，進行完工驗收，驗收合格的海纜方可投入運行。

由我國自主設(shè)計和施工的110kV嵊泗聯(lián)網(wǎng)工程海纜線路起點為衢山島的小山咀，終點為泗礁島的紅棗坑山坡，路由長度33 km，海底除潮流沖刷槽之外的地貌較平坦，平均水深30 m，最大水深49 m，多為淤泥質(zhì)，適宜海纜的埋設(shè)施工。

施工采用敷埋同步方式的海纜慢速絞錨牽引式敷埋工法，航道處深埋3 m，一般路由深埋2.5 m；在與管線交越和基巖處，安裝無磁不銹鋼保護套管加以保護；兩頭登陸點設(shè)置“禁止拋錨”、“水線”警示標志；同時運用海纜在線監(jiān)測系統(tǒng)和AIS海纜路由監(jiān)控系統(tǒng)，有效保障了海纜敷設(shè)施工的圓滿完成。

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