瓊州海峽海底電纜檢測及裸露懸空問題防護方法

陳航偉，陳 政，蘆 海，吳 聰，梁 健

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405）

0 引 言

2009年建成投產(chǎn)的海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，是連接海南電網(wǎng)和大陸主網(wǎng)的唯一電力聯(lián)絡(luò)通道。該系統(tǒng)所屬500 kV超高壓海底電纜（以下簡稱“海纜”），鋪設(shè)于瓊州海峽西側(cè)和靠近北部灣的海區(qū)內(nèi)。為保護海纜的安全，采用全程保護方式：兩側(cè)登陸段采用預(yù)挖電纜溝，廣東側(cè)南嶺近岸段KP1～KP2.2海域采用鑄鐵套管的保護方式，其他海域選擇沖埋方式。雖然2009年和2011年沖埋了兩次，仍未達到設(shè)計要求，故對未達設(shè)計要求部分海纜進行了拋石保護。受瓊州海峽狹管效應(yīng)的影響，海峽內(nèi)海流較強。在日復(fù)一日的海水沖刷下，海纜已少部分出現(xiàn)埋深變淺、裸露甚至懸空現(xiàn)象，從而導(dǎo)致海纜損壞的概率增加。一旦海纜損壞，不僅將造成海纜內(nèi)絕緣油泄漏污染附近海域，而且將嚴重影響海南省的用電安全和可靠性，從而帶來惡劣的社會影響。因此，對海纜開展了埋深檢測，針對檢測結(jié)果分析問題原因，探討治理策略。

1 海纜綜合檢測

為了解海纜埋深變化情況，2016年對全線海纜進行檢測，檢測內(nèi)容包括全線海纜路由和埋深、拋石石壩外觀和厚度、流速、海纜裸露懸空等。通過2011、2013和2016年三次海纜路由檢測數(shù)據(jù)對比獲得：

（1）A相海纜KP5.63～KP6、KP7.73～KP8.83、KP11.06～KP11.4和KP28.18～KP28.84區(qū)域，由于洋流沖刷較為嚴重，海纜埋設(shè)深度較2013年的檢測結(jié)果有所變淺。尤其在KP10.6～KP11.4區(qū)域，沖刷更為嚴重。B相海纜裸露段共7處約107 m，未發(fā)現(xiàn)海纜懸空現(xiàn)象。在KP5.38～KP9.078、KP10.86～KP11.40區(qū)域，海纜埋設(shè)深度較2011年和2013年的檢測結(jié)果有所變淺。C相海纜裸露和懸空現(xiàn)象比B相更嚴重，在KP6.9～KP9.7、KP25.6～KP26.5、KP27.9～KP28.6區(qū)域，海纜埋設(shè)深度較2013年的檢測結(jié)果有所變淺。

（2）海纜路由KP6.20～KP10.60，水深15～20 m，受地形和穩(wěn)定水動力條件的控制，形成南北方向綿延的沙壟。由北向南沙波高逐漸加大，該區(qū)域水動力條件較強。

（3）B、C兩相發(fā)現(xiàn)海纜裸露段21處共計391 m，懸空段3處共計49 m，對比2013年共檢測出8處65 m海纜裸露段，說明海纜裸露和懸空范圍有擴大的趨勢，海纜保護水平在逐步惡化。

2 海纜裸露懸空主要原因分析

造成海纜周圍強烈沖刷的原因十分復(fù)雜，通過國內(nèi)外各單位多年的研究分析，將其總結(jié)歸納如下幾種情況。

2.1 水下管纜的存在形成局部沖刷

這種沖刷是由于水下構(gòu)筑管纜的存在阻礙了水流地原先通道，當水體以一定的流速規(guī)則或者不規(guī)則流經(jīng)管纜時，管纜會產(chǎn)生交替發(fā)生的渦旋。渦旋在管纜周圍形成時變成壓力場并最終作用在管纜上[1]。管纜上的作用力可看成一個平行于來流方向和一個垂直于來流方向的力。水下管纜的振動是這兩個力的合力，使得管纜在順流向和橫流向上發(fā)生振動，通常稱之為渦激振動。管纜的振動方程為：

2.2 海床侵蝕引起的大面積沖刷

由于特殊的海洋和海底地質(zhì)條件，某些海區(qū)處于不穩(wěn)定的沖淤狀態(tài)。根據(jù)孟凡生等人的論述，山東東營飛雁灘從1976-2000年共進行了24年的斷面測量，5 m等深線平均蝕退達0.19 km/年，海床蝕深12.6 cm/年；10 m等深線蝕退達0.10 km/年，海床蝕深4.7 cm/年。海床調(diào)整的沖淤平衡點在12～15 m水深處，平衡點以上為侵蝕區(qū)，平衡點以下為淤積區(qū)[2]。對于10 m水深，處在海底管線設(shè)計壽命的15年內(nèi)，海床整體沖刷深度可達0.7 m。由該原因引起的海底管線淘空現(xiàn)象將出現(xiàn)在整條海底管線，嚴重時甚至可能出現(xiàn)整條管線懸空。

2.3 海底不穩(wěn)定引起的沖刷

不穩(wěn)定性的表現(xiàn)是海底表層土壤在大浪作用下發(fā)生坍塌甚至滑移。當表層土為粉砂時，在暴風(fēng)浪作用下，土壤表面發(fā)生液化而使土壤抗剪強度降低，可能造成海床一定范圍內(nèi)的下降，造成海纜部分裸露、懸空，甚至可能在持續(xù)性風(fēng)浪的推動下，海床表面沙丘發(fā)生整體性大面積滑移，造成海纜埋深加深，也可能發(fā)生海纜埋深變淺甚至裸露、懸空。

3 海纜防護方法

通過與舟山市供電公司、中英海底系統(tǒng)公司等國內(nèi)海纜施工、運維單位交流得知，目前國內(nèi)較常見的海纜保護方法主要有覆蓋水泥壓塊、水下固定支承法和拋填砂袋結(jié)合覆蓋層、仿生水草覆蓋等方法。另外，南方電網(wǎng)超高壓輸電公司2011年試驗的海纜拋石堤壩也是一種新穎的海纜防護新技術(shù)。

3.1 覆蓋水泥壓塊

在工廠使用耐腐蝕尼龍繩等繩索，將水泥壓塊連接成網(wǎng)狀。水泥壓塊的質(zhì)量根據(jù)海纜抗側(cè)壓力的大小由設(shè)計院計算確定。施工單位使用DP船、ROV或者水泥壓塊專用投放裝置，將網(wǎng)狀水泥壓塊覆蓋到海纜正上方。由于網(wǎng)狀水泥壓塊質(zhì)量相對較大且覆蓋一定面積的海床，對水流帶來的泥沙尤其是黏性土等具有較好的收集固定效果，可有效確保所覆蓋的海纜不會出現(xiàn)裸露、懸空現(xiàn)象。該方法具有生產(chǎn)成本低、施工簡單、施工費相對較低且自埋效果好等優(yōu)點。目前，舟山市電力公司部分海纜已經(jīng)對覆蓋水泥壓塊進行了保護。舟山啟明電力集團、中英海底系統(tǒng)公司等國內(nèi)海洋工程公司，都具有覆蓋水泥壓塊的施工技術(shù)和經(jīng)驗。結(jié)合目前海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)少部分海纜出現(xiàn)裸露、懸空現(xiàn)象，需要及時對這些區(qū)域的海纜防護水平進行修補提升。具體地，可以考慮水泥壓塊進行嘗試性應(yīng)用，如圖1所示。

3.2 水下管線固定

通過固定水下管線降低管線橫向和縱向振幅，以達到防護目的。當前，已經(jīng)在埕島油田淺海灘涂地帶海底管線進行了應(yīng)用。和覆蓋水泥壓塊一樣，首先工廠化預(yù)制固定裝置，其次通過水下施工將固定裝置固定在海床上，最后由潛水或者ROV在水下安裝固定固定裝置和水下管線。該方法的優(yōu)點是實施效果較好，缺點是每個固定裝置只能提供較短距離的保護。海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海纜長31 km，全程施工成本高昂。此外，考慮到海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是海南電網(wǎng)和大陸電網(wǎng)的唯一電力聯(lián)絡(luò)通道，水下施工在海纜附近，一旦施工過程中設(shè)備定位出現(xiàn)誤差，可能對海纜本體造成損害。同時，瓊州海峽內(nèi)海水流速高，大范圍水下施工可能會阻礙海流的正常流動，長時間后可能會對海纜保護水平造成負面影響。綜上所述，該方法不適用于海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 安裝后的水泥壓塊

3.3 拋填砂袋結(jié)合覆蓋層

該方法是在裸露、懸空的海纜附近拋填砂袋（砂袋質(zhì)量、拋填范圍由設(shè)計院計算確定），保證裸露、懸空海纜周邊被砂袋覆蓋。拋填砂袋后，需要再在海纜管道上鋪設(shè)覆蓋層。覆蓋層可以選擇：

（1）混凝土塊覆蓋層。由于混凝土塊自重較大，且海纜周邊已經(jīng)有砂袋的保護，因此該覆蓋層具備抗沖刷的能力，但不至于損害海纜；

（2）FS漿墊覆蓋層。FS漿墊具有耐酸堿、不受微生物腐蝕、抗輻射以及抗老化性能好等優(yōu)點。漿墊采用現(xiàn)場DP船灌漿填充，施工質(zhì)量容易控制，施工速度較快。此外，漿墊可塑性高，能與基礎(chǔ)緊貼，整體抗沖能力強。

如果直接將砂袋從水面扔進海水中，砂袋可能在水流作用下無法準確落到海纜附近，且砂袋質(zhì)量較大，根據(jù)超高壓輸電公司海底電纜拋石堤壩試驗結(jié)果，在水深較大區(qū)域大于8英寸的火山巖、玄武巖，不適合用于拋石保護，砂袋質(zhì)量遠大于8英寸石塊，其沖擊力極有可能損傷海纜；而采用ROV輔助將砂袋放到準確位置，成本過高，不具備實操性。因此，綜合考慮后建議取消拋填砂袋，而FS防護漿墊可以采用灌漿填充，施工技術(shù)可以參考海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)拋石施工方法。

3.4 仿生水草覆蓋

防生草是模擬水生植物降低水流速度、收集并固定水流攜帶泥沙這一原理而研發(fā)的新技術(shù)，與拋石、管線固定、水泥壓塊等傳統(tǒng)硬保護的原理截然不同。目前，它在國內(nèi)油田管道、海纜保護方面已有成功應(yīng)用經(jīng)驗，并取得了良好的應(yīng)用效果。相對傳統(tǒng)硬保護，仿生水草的運輸、安裝成本較低，安裝到位后可立即對該區(qū)域的海水起到減速作用。但是，由于沒有形成泥沙保護層，不能馬上起到保護作用。保護層需要一個長時間的積累過程。海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)廣東側(cè)海域的海床是泥沙底質(zhì)，且平均水深不到20 m，適合使用仿生水草技術(shù)。因此，建議可開展仿生水草技術(shù)應(yīng)用效果深入研究，明確可應(yīng)用的海纜路由范圍。

3.5 海纜拋石堤壩

南方電網(wǎng)超高壓輸電公司已經(jīng)于2011年在海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中嘗試應(yīng)用拋石石壩保護技術(shù)。考慮到海纜抗側(cè)壓力，施工分兩個步驟開展：（1）直接接觸海纜的內(nèi)層石壩采用直徑為1～2英寸火山巖、玄武巖石塊，用于幫助海纜抵抗外層大直徑石塊的沖擊力；（2）為抵御海峽內(nèi)高速水流的沖擊，外層石壩采用直徑為2～8英寸的拋石堤壩，經(jīng)過拋石堤壩級配穩(wěn)定性試驗，2～4英寸、4～6英寸、6～8英寸三種塊石的級配比例為2∶1∶1。結(jié)合2013年和2016年海纜綜合檢測發(fā)現(xiàn)，大部分石壩的平均檢測厚度大于原設(shè)計厚度，只有局部厚度變淺，說明石壩在長期洋流作用下基本穩(wěn)定[3]。然而，由于石壩需要施工船的拋石管道精確、穩(wěn)定地定位在海纜正上方，因此施工船和附屬設(shè)備需要專門設(shè)計建造。據(jù)了解，國內(nèi)尚無能夠開展該類施工的海洋工程船，國外施工船船期緊張、費用高昂，造成石壩施工成本高昂。

4 結(jié) 論

通過討論海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海纜路由沖刷情況、原因和國內(nèi)現(xiàn)有海纜防護方法，對海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海纜保護的治理和修復(fù)進行了初步研究。由于海纜位于瓊州海峽西口，該海域海流較大，航運漁業(yè)發(fā)達，且多發(fā)臺風(fēng)，影響因素眾多，上述各種防護方法都存在不同程度的缺陷和使用限制。因此，建議下一步聯(lián)合專業(yè)研究機構(gòu)，針對瓊州海峽復(fù)雜海況下的海纜防沖刷和防護問題開展進一步的深入研究。