一種新型海底電纜防沖刷保護裝置的設計

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和海島開發進程加快，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方式的優缺點，提出了一種新型海底電纜防沖刷保護裝置。這種由支撐和擋板組成的機械式裝置，采用雙層擋板結構，可以分層級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，且不會對海底電纜形成壓迫。本防沖刷保護裝置能夠改變流場，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流速大、地形變化大的海域海底電纜防護能力，對于海底電纜敷設保護以及后期防護治理具有重要的工程應用意義。

關鍵詞：機械式裝置;防沖刷保護;海底電纜

中圖分類號：P754， TM757.4 ?? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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和海島經濟開發進程加快，海底電纜作為海島間、海島與大陸間、海上發電場與大陸間輸送電的重要載體，其扮演的角色日趨重要，如何加強海底電纜運行安全成為熱點問題。

海底電纜敷設在海床上，不僅受到波浪、流等水動力作用，還受到船舶拋錨、捕魚拖網等外力作用，其受到破壞的風險劇增。海床運動、波流沖刷和第三方活動是海底電纜受到破壞的主要因素[1]～[3]。

現有海底電纜常采用挖溝沖埋、拋石以及套管這三種保護措施[4]。近年來，世界上海底電纜建設總長度超過14 000 km，主要集中在歐洲地區，我國海底電纜的建設長度也在快速增長，典型代表是跨越瓊州海峽的500 kV海南聯網工程海底電纜[5]。

海南聯網工程電纜路由區大部分處于沖刷狀態，電纜埋深整體變淺，電纜發生裸露/懸空的風險增大[6]。海底電纜敷設在海流流速大、地形變化復雜的海區，沖埋、拋石等常用的保護方式不能滿足電纜全線保護。

本文分析了各防沖刷保護方式的優缺點，針對海流流速大、地形變化復雜的海域，提出了一種新型海底電纜防沖刷保護機械式裝置，它能夠應用于海底電纜敷設保護及后期裸露懸空段防護治理的情況。

2? ?現有海底電纜防沖刷保護方法

由于海底電纜所處的海洋環境及地質條件非常復雜，海底電纜在鋪設于海床上后，由于種種原因不可避免的會出現懸跨現象，在海流的沖刷作用下發生破壞，這種現象嚴重威脅電網的安全運行。因此，采取合適的海底電纜保護措施，對于確保海底電纜服役期間的安全運行尤為重要。當前，國內外海底電纜懸跨防治和維護措施有很多種，主要包括：水下支撐法、機械支架法、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

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

（2）挖溝法

挖溝法將懸跨電纜掩埋在穩定的海床層面中，通過人工或自然力量進行溝渠回填。對于運行中的海底海纜，建議采用非接觸式水力噴射挖溝機。其主要工作流程如下：挖溝機就位在海底電纜上方2 m左右，開啟挖溝機，高壓水噴擊電纜底部的泥土，形成電纜溝渠;絞動工作船的牽引錨泊系統，帶動挖溝機前進;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，電纜溝渠自動回淤至海床的初始狀態。

（3）錨樁支撐法

對于那些容易產生較大塌陷滑坡或沖蝕的海床，尤其是土質較差、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，保持電纜穩定，以減小橫向和縱向振動幅度。沿電纜兩側交叉布置水下支撐樁，間距應根據計算的最大允許懸跨長度以及對電纜實際強度分析后確定，在每一鋼管樁或吸力錨樁靠近海管附近位置設有懸臂梁，懸臂梁上設有高強U型螺栓將懸跨的管段進行固定，從而減小電纜懸跨長度，達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有懸跨段的擺動。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

在海床相對比較穩定的深水中，混凝土或瀝青壓塊更適合用來保護管線懸跨段。如果懸跨段較長且懸跨高度較低，則在電纜可承受的應力范圍內，利用壓塊給管線加壓力使之貼近海底。

（6）人工海草法

幾個世紀以來，人們利用種草來將沙丘和流沙固定下來，將這個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墊上，通過潛水員將其錨固在海底電纜兩側，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沉積物不斷堆積下來，達到回淤的效果。

3? ?現有海底電纜防沖刷保護方法的比較

對于海底電纜沖刷保護方法的選擇，除了分析產生懸跨的原因外，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進行安裝，還有些方法可由潛水員來操作完成。當然，保護方法以及安裝程序的選取要充分考慮其經濟性，盡可能的降低成本。現有各種防沖刷保護方法的比較，見表1。

4? ?一種新型海底電纜防沖刷保護裝置

目前海底電纜工程主要采用了沖埋和拋石兩種保護方式，在玄武巖等無法開槽的區段則采用鑄鐵套管。但是，有些如海南聯網500 kV海底電纜，其電纜路由區具有水流流速大、地形復雜、具有大坡度陡坡等地形變化大等特點，其沖埋段的埋深在整體變淺、裸露/懸空長度在逐漸增加、拋石段出現堆石壩壩型散亂、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的防沖刷需求。

對比現有的海底電纜防沖刷設施，對于大流速的海域，重物壓蓋方法在實際應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，對海洋環境影響較大。為此，為盡量減少對海床形態的影響，本文提出了一種新型海底電纜防沖刷保護裝置，如圖1所示。

本防沖刷保護裝置是由支撐和擋板組成的機械式裝置：采用雙層擋板結構，可以分層級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，且不會對海底電纜形成壓迫。其中，包括呈人字形設置的外層擋板和內層擋板;內層擋板與外層擋板在頂部連接，且內層擋板的夾角小于外層擋板的夾角;外層擋板的兩個擋板上均設有矩陣分布的第一網格孔，內層擋板的兩個擋板的上半部均設有一排第二網格孔。

通過設計合理的形狀參數，新型防沖刷裝置能夠改變流場，有效降低電纜所處位置的流速，且利于泥沙堆積。相比于傳統的重物壓蓋方法，本防沖刷保護裝置具有以下優點：

（1）采用金屬材料，比重大、體積小;

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

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

（4）有利于泥沙沉降淤積，保證電纜的穩定性;

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

5? ?總結

本文總結了各種傳統防沖刷保護方法的優缺點，針對大流速沖刷作用，提出了一種新型海底電纜防沖刷保護裝置。它是一種由支撐和擋板組成的機械式裝置：采用雙層擋板結構，可以分層級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，且不會對海底電纜形成壓迫;可改變流場有效降低電纜所處位置的流速，且利于泥沙沉降淤積。

本新型防沖刷保護裝置能夠加強流速大、地形變化大等海域的海底電纜防護能力，對海底電纜敷設保護以及后期防護治理具有重要的應用意義。

后續工作將采用數值模擬和現場試驗等手段，優化本裝置的設計參數，并評價其應用效果。

參考文獻

[1]? 侯濤，安國亭. 海底管道損傷的原因分析及修復[J]. 中國海洋平臺，?2002， 4.

[2]? 邱大洪，王永學. 21世紀海岸和近海工程的發展趨勢[J]. 自然科學進展， 2000， 11.

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

[4]? 王裕霜. 國內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. 中國首條500kV海底電纜線路工程的設計[J]. 電網技術， 2014， 10.

[6]? 趙德平， 陳航偉. 海南聯網系統500kV海底電纜路由區地形變化研究? [J]. 機電信息， 2016（24）.