一種新型海底電纜防沖刷保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

岑貞錦 吳聰 張維佳 蔡馳 陳奕鈧

摘? ? 要：隨著海洋可再生能源開發(fā)和海島開發(fā)進(jìn)程加快，海底電纜所扮演的角色日趨重要。本文分析了各種防沖刷保護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種新型海底電纜防沖刷保護(hù)裝置。這種由支撐和擋板組成的機(jī)械式裝置，采用雙層擋板結(jié)構(gòu)，可以分層級(jí)削減海底電纜路由上方的海流，可直接放置于海底電纜路由正上方，且不會(huì)對(duì)海底電纜形成壓迫。本防沖刷保護(hù)裝置能夠改變流場(chǎng)，有效降低電纜所處位置的流速，且利于泥沙沉降淤積。這種新型防沖刷裝置能夠加強(qiáng)流速大、地形變化大的海域海底電纜防護(hù)能力，對(duì)于海底電纜敷設(shè)保護(hù)以及后期防護(hù)治理具有重要的工程應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式裝置;防沖刷保護(hù);海底電纜

中圖分類號(hào)：P754， TM757.4 ?? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of New Anti-scour Protection Device for Submarine Cable

CEN Zhenjin， WU Cong， ZHANG Weijia， CAI Chi， CHEN Yikang

（ China Southern Grid Corp Ultra High Pressure Transmission Companies， Guangzhou 510405 ）

Abstract： With the accelerated development of marine renewable energy and islands， submarine cable plays an increasingly important role. This paper summarizes and analyzes the advantages and disadvantages of various anti-scour protection methods， and proposes a new type of anti-scour protection device for submarine cable， which is a mechanical device consisting of supports and baffles. A double-layer baffle structure is adopted， and the anti-scour protection device can change the flow field， effectively reduce the current above the submarine cable route， and is conducive to sediment deposition. The new anti-scour device can strengthen the protection of submarine cables in sea areas with large flow velocity and large topographic changes.

Key words： Mechanical device; Anti-scour protection; Submarine cable

1? ? 引言

隨著海洋可再生能源開發(fā)和海島經(jīng)濟(jì)開發(fā)進(jìn)程加快，海底電纜作為海島間、海島與大陸間、海上發(fā)電場(chǎng)與大陸間輸送電的重要載體，其扮演的角色日趨重要，如何加強(qiáng)海底電纜運(yùn)行安全成為熱點(diǎn)問題。

海底電纜敷設(shè)在海床上，不僅受到波浪、流等水動(dòng)力作用，還受到船舶拋錨、捕魚拖網(wǎng)等外力作用，其受到破壞的風(fēng)險(xiǎn)劇增。海床運(yùn)動(dòng)、波流沖刷和第三方活動(dòng)是海底電纜受到破壞的主要因素[1]～[3]。

現(xiàn)有海底電纜常采用挖溝沖埋、拋石以及套管這三種保護(hù)措施[4]。近年來，世界上海底電纜建設(shè)總長(zhǎng)度超過14 000 km，主要集中在歐洲地區(qū)，我國(guó)海底電纜的建設(shè)長(zhǎng)度也在快速增長(zhǎng)，典型代表是跨越瓊州海峽的500 kV海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜[5]。

海南聯(lián)網(wǎng)工程電纜路由區(qū)大部分處于沖刷狀態(tài)，電纜埋深整體變淺，電纜發(fā)生裸露/懸空的風(fēng)險(xiǎn)增大[6]。海底電纜敷設(shè)在海流流速大、地形變化復(fù)雜的海區(qū)，沖埋、拋石等常用的保護(hù)方式不能滿足電纜全線保護(hù)。

本文分析了各防沖刷保護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)海流流速大、地形變化復(fù)雜的海域，提出了一種新型海底電纜防沖刷保護(hù)機(jī)械式裝置，它能夠應(yīng)用于海底電纜敷設(shè)保護(hù)及后期裸露懸空段防護(hù)治理的情況。

2? ?現(xiàn)有海底電纜防沖刷保護(hù)方法

由于海底電纜所處的海洋環(huán)境及地質(zhì)條件非常復(fù)雜，海底電纜在鋪設(shè)于海床上后，由于種種原因不可避免的會(huì)出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象，在海流的沖刷作用下發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，采取合適的海底電纜保護(hù)措施，對(duì)于確保海底電纜服役期間的安全運(yùn)行尤為重要。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外海底電纜懸跨防治和維護(hù)措施有很多種，主要包括：水下支撐法、機(jī)械支架法、拋田礫石法、重物壓載法、人工海草法、后挖溝法、樁支撐法等。

（1）水下支撐法

在懸空段設(shè)置支撐支架，以減少海底電纜的振動(dòng)，它可以防止懸空電纜由于渦激振動(dòng)引起的海纜斷裂。常用的方法是采用沙袋進(jìn)行支撐作業(yè)，但這種方法需每年進(jìn)行檢查補(bǔ)充，且施工方式多采用ROV進(jìn)行處理，但ROV擺放沙袋無(wú)法保證緊密的支撐接觸，且無(wú)法限制電纜側(cè)向移動(dòng)。

（2）挖溝法

挖溝法將懸跨電纜掩埋在穩(wěn)定的海床層面中，通過人工或自然力量進(jìn)行溝渠回填。對(duì)于運(yùn)行中的海底海纜，建議采用非接觸式水力噴射挖溝機(jī)。其主要工作流程如下：挖溝機(jī)就位在海底電纜上方2 m左右，開啟挖溝機(jī)，高壓水噴擊電纜底部的泥土，形成電纜溝渠;絞動(dòng)工作船的牽引錨泊系統(tǒng)，帶動(dòng)挖溝機(jī)前進(jìn);電纜懸跨一定距離后，在自重作用下沉入溝底;利用水流作用，電纜溝渠自動(dòng)回淤至海床的初始狀態(tài)。

（3）錨樁支撐法

對(duì)于那些容易產(chǎn)生較大塌陷滑坡或沖蝕的海床，尤其是土質(zhì)較差、表面淤泥較厚且又裸置的電纜，可以采用錨樁來支撐。它是靠樁基深層土壤來承受波浪、海流作用，保持電纜穩(wěn)定，以減小橫向和縱向振動(dòng)幅度。沿電纜兩側(cè)交叉布置水下支撐樁，間距應(yīng)根據(jù)計(jì)算的最大允許懸跨長(zhǎng)度以及對(duì)電纜實(shí)際強(qiáng)度分析后確定，在每一鋼管樁或吸力錨樁靠近海管附近位置設(shè)有懸臂梁，懸臂梁上設(shè)有高強(qiáng)U型螺栓將懸跨的管段進(jìn)行固定，從而減小電纜懸跨長(zhǎng)度，達(dá)到固定海底電纜的目的。

（4）拋填礫石法

通過工作船向電纜上拋填礫石等材料，防止懸跨的惡化和旋渦沖刷，這種方法還可以抑制現(xiàn)有懸跨段的擺動(dòng)。如果海底懸跨段不是很高（0.5～1.5 m），采用該方法可以保護(hù)好懸跨段;如果海床的承載能力不足以支撐傾倒材料，則該方法不可取。

（5）重物壓載法

在海床相對(duì)比較穩(wěn)定的深水中，混凝土或?yàn)r青壓塊更適合用來保護(hù)管線懸跨段。如果懸跨段較長(zhǎng)且懸跨高度較低，則在電纜可承受的應(yīng)力范圍內(nèi)，利用壓塊給管線加壓力使之貼近海底。

（6）人工海草法

幾個(gè)世紀(jì)以來，人們利用種草來將沙丘和流沙固定下來，將這個(gè)原理的適用范圍延伸到海底，即將人工海草安裝在配重的網(wǎng)墊上，通過潛水員將其錨固在海底電纜兩側(cè)，利用它來減緩電纜附近的局部流速和湍流，從而不僅阻止了侵蝕作用，還使得人工海草之間的沙質(zhì)沉積物不斷堆積下來，達(dá)到回淤的效果。

3? ?現(xiàn)有海底電纜防沖刷保護(hù)方法的比較

對(duì)于海底電纜沖刷保護(hù)方法的選擇，除了分析產(chǎn)生懸跨的原因外，水深也是起決定作用的因素之一，必須充分考慮水深條件。有些方法適合由ROV進(jìn)行安裝，還有些方法可由潛水員來操作完成。當(dāng)然，保護(hù)方法以及安裝程序的選取要充分考慮其經(jīng)濟(jì)性，盡可能的降低成本?，F(xiàn)有各種防沖刷保護(hù)方法的比較，見表1。

4? ?一種新型海底電纜防沖刷保護(hù)裝置

目前海底電纜工程主要采用了沖埋和拋石兩種保護(hù)方式，在玄武巖等無(wú)法開槽的區(qū)段則采用鑄鐵套管。但是，有些如海南聯(lián)網(wǎng)500 kV海底電纜，其電纜路由區(qū)具有水流流速大、地形復(fù)雜、具有大坡度陡坡等地形變化大等特點(diǎn)，其沖埋段的埋深在整體變淺、裸露/懸空長(zhǎng)度在逐漸增加、拋石段出現(xiàn)堆石壩壩型散亂、壩體厚度變淺。因此，采用沖埋和拋石這兩種方式均不能滿足電纜路由區(qū)的防沖刷需求。

對(duì)比現(xiàn)有的海底電纜防沖刷設(shè)施，對(duì)于大流速的海域，重物壓蓋方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的效果。但重物壓蓋方法改變了海床的基本形態(tài)，對(duì)海洋環(huán)境影響較大。為此，為盡量減少對(duì)海床形態(tài)的影響，本文提出了一種新型海底電纜防沖刷保護(hù)裝置，如圖1所示。

本防沖刷保護(hù)裝置是由支撐和擋板組成的機(jī)械式裝置：采用雙層擋板結(jié)構(gòu)，可以分層級(jí)削減海底電纜路由上方的海流;可直接放置于海底電纜路由正上方，且不會(huì)對(duì)海底電纜形成壓迫。其中，包括呈人字形設(shè)置的外層擋板和內(nèi)層擋板;內(nèi)層擋板與外層擋板在頂部連接，且內(nèi)層擋板的夾角小于外層擋板的夾角;外層擋板的兩個(gè)擋板上均設(shè)有矩陣分布的第一網(wǎng)格孔，內(nèi)層擋板的兩個(gè)擋板的上半部均設(shè)有一排第二網(wǎng)格孔。

通過設(shè)計(jì)合理的形狀參數(shù)，新型防沖刷裝置能夠改變流場(chǎng)，有效降低電纜所處位置的流速，且利于泥沙堆積。相比于傳統(tǒng)的重物壓蓋方法，本防沖刷保護(hù)裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用金屬材料，比重大、體積小;

（2）采用支撐框架結(jié)構(gòu)以及擋板三角形態(tài)，保證裝置在流的作用下受到的作用力更小，擁有更好的水動(dòng)力性能;

（3）支撐采用線支撐而非面支撐，且頂部為合頁(yè)裝置，對(duì)于海床變化的適應(yīng)能力大幅提升，減小對(duì)海床原始狀態(tài)的影響;

（4）有利于泥沙沉降淤積，保證電纜的穩(wěn)定性;

（5）對(duì)于海底電纜保護(hù)的適用性和可設(shè)計(jì)性高：可采用混凝土材料或采用鋼材材料;可與仿生水草、拋石等其他保護(hù)方式配合，增強(qiáng)電纜路由防沖刷能力。

5? ?總結(jié)

本文總結(jié)了各種傳統(tǒng)防沖刷保護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)大流速?zèng)_刷作用，提出了一種新型海底電纜防沖刷保護(hù)裝置。它是一種由支撐和擋板組成的機(jī)械式裝置：采用雙層擋板結(jié)構(gòu)，可以分層級(jí)削減海底電纜路由上方的海流;可直接放置于海底電纜路由正上方，且不會(huì)對(duì)海底電纜形成壓迫;可改變流場(chǎng)有效降低電纜所處位置的流速，且利于泥沙沉降淤積。

本新型防沖刷保護(hù)裝置能夠加強(qiáng)流速大、地形變化大等海域的海底電纜防護(hù)能力，對(duì)海底電纜敷設(shè)保護(hù)以及后期防護(hù)治理具有重要的應(yīng)用意義。

后續(xù)工作將采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，優(yōu)化本裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，并評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]? 侯濤，安國(guó)亭. 海底管道損傷的原因分析及修復(fù)[J]. 中國(guó)海洋平臺(tái)，?2002， 4.

[2]? 邱大洪，王永學(xué). 21世紀(jì)海岸和近海工程的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 自然科學(xué)進(jìn)展， 2000， 11.

[3]? HERBICH J.B. Offshore pipeline design elements[M]. New York： Marcei?Dekker Inc.， 1981.

[4]? 王裕霜. 國(guó)內(nèi)外海底電纜輸電工程綜述， 2012， 6（2）.

[5]? 吳慶華， 陳建康， 鄭偉， 李健. 中國(guó)首條500kV海底電纜線路工程的設(shè)計(jì)[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2014， 10.

[6]? 趙德平， 陳航偉. 海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500kV海底電纜路由區(qū)地形變化研究? [J]. 機(jī)電信息， 2016（24）.