珠江三角洲水資源配置工程中光纜水浮敷設(shè)應(yīng)用研究

張兆波，劉震，劉毅，肖海明

（1.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州510000；2.武漢長(zhǎng)飛智慧網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，武漢430000；3.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510000）

1 引言

珠江三角洲水資源配置工程中，為滿足本工程信息化、智能化及管理調(diào)度需求，需建設(shè)2條光纜，存在較多長(zhǎng)距離管道光纜敷設(shè)的場(chǎng)景，其中，需要一次性敷設(shè)的最長(zhǎng)工作井間距達(dá)到6 404 m，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)一次性敷設(shè)5 km以上光纜的工程案例，需要對(duì)水浮敷設(shè)法及相關(guān)材料設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用研究，以滿足本工程長(zhǎng)距離管道光纜水浮敷設(shè)的建設(shè)需求。

2 珠江三角洲水資源配置工程光纜建設(shè)方案

珠江三角洲水資源配置工程中盾構(gòu)隧洞段落采用在輸水管道內(nèi)及輸水管道外各敷設(shè)1條光纜的方案，在每條輸水管道鋼管外的自密實(shí)混凝土預(yù)埋1根硅芯管用于后期光纜敷設(shè)；在輸水鋼管內(nèi)行車(chē)道下預(yù)埋1根通信管道，并每隔150 m設(shè)置1處手井（用于光纜牽引、倒盤(pán)等施工）。在輸水管道自密實(shí)混凝土預(yù)埋硅芯管內(nèi)敷設(shè)的光纜在泵站、工作井位置引出，相鄰工作井中間無(wú)法設(shè)置手井,光纜需要一次性敷設(shè)。

3 水浮敷設(shè)方式理論研究及分析

3.1 光纜水浮敷設(shè)法介紹

水浮法敷設(shè)法是采用機(jī)械推進(jìn)器把通信線纜推進(jìn)管道，同時(shí)水壓機(jī)將水流輸送進(jìn)管道，這種流動(dòng)的水流在光纜的表面形成一種向前的推力，促使光纜前進(jìn)。光纜不是被拉而是被水流推動(dòng)前進(jìn)，敷設(shè)過(guò)程中，光纜處于懸浮狀態(tài)，水流可在管道和光纜之間產(chǎn)生一定的緩沖，使光纜與管壁摩擦力減小，光纜在管道中更易過(guò)彎，損失能量小，因此，最大敷設(shè)距離更長(zhǎng)。

3.2 水浮法敷設(shè)光纜受力計(jì)算模型

3.2.1 水浮法敷設(shè)受力計(jì)算模型

水浮法敷設(shè)過(guò)程中只要水浮摩擦力大于光纜重力摩擦力，光纜即可被水浮前行，重力摩擦力、水浮摩擦力計(jì)算模型為：

不考慮彎曲和波動(dòng)時(shí)，當(dāng)Fgravity≥Ffloat時(shí)光纜可以前行，則：

式中，F(xiàn)gravity為重力摩擦力，N；Ffloat為浮摩擦力，N；Weff為光纜在水中的有效重量，N/m；L為光纜水浮長(zhǎng)度，m；f為摩擦系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；Dc、Dd為光纜的外徑和管道內(nèi)徑，mm；Dh為有效水流直徑，mm；ρc、ρw為光纜和水的密度，kg/m3；μ為水的動(dòng)態(tài)黏度，為1×10-3Pa·s；pmin為最小輸入推力，bar（1 bar=0.1 MPa）；p為實(shí)際輸入推力，bar；φv為水流量，L/min；V為水的流速。

3.2.2 管道波動(dòng)對(duì)水浮敷設(shè)的影響計(jì)算模型

水浮敷設(shè)過(guò)程中，管道波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生扭絞和管道等效重力現(xiàn)象，并導(dǎo)致光纜在管道中的摩擦力增加：

1）光纜水浮前行時(shí)由于扭絞彎曲產(chǎn)生的阻力T；

2）管道有效重力WB使管道彎曲對(duì)光纜前行產(chǎn)生阻力，將對(duì)入口氣壓產(chǎn)生影響；

式中，A為振幅，一般等同管道外徑，mm；P為是波動(dòng)周期，mm，一般等于200×管道外徑；P′min為考慮波動(dòng)情況下最小輸入推力[1]，bar。

3.3 水浮敷設(shè)光纜敷設(shè)距離模擬測(cè)算

本項(xiàng)目試驗(yàn)采用GYFY（非金屬加強(qiáng)構(gòu)件、全干式填充、松套層絞式用室外光纜）、微簇纜、GCYFY（層絞式氣吹微纜）3種型號(hào)的24芯光纜，采用計(jì)算模型對(duì)水浮敷設(shè)6 404 m進(jìn)行模擬測(cè)算，其中，GCYFY光纜分別在40 mm/33 mm硅芯管、12 mm/10 mm微管兩種管道中進(jìn)行了模擬測(cè)算。不考慮彎曲和起伏波動(dòng)影響情況下的模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。3種型號(hào)的光纜在40 mm/33 mm硅芯管、12 mm/10 mm微管中進(jìn)行水浮敷設(shè)6 404 m均能成功，表中最小輸入壓力P、最小水速是水浮相關(guān)設(shè)備滿足一次性水浮敷設(shè)6 404 m的主要參數(shù)設(shè)置。

表1 水浮敷設(shè)模擬測(cè)算結(jié)果表

根據(jù)水浮法敷設(shè)受力計(jì)算模型以及管道波動(dòng)對(duì)水浮敷設(shè)的影響計(jì)算模型進(jìn)行模擬測(cè)算的結(jié)果，需要考慮彎曲和起伏波動(dòng)影響情況下微管需要正確的鋪設(shè)才能保證敷設(shè)成功。

3.4 模擬測(cè)算結(jié)論分析

通過(guò)仿真模擬測(cè)算可知，當(dāng)管道彎曲平緩時(shí)，GYFY光纜效果最好；當(dāng)彎曲尖銳時(shí)，光纜的額外摩擦力較大，直徑更小的光纜水浮敷設(shè)性能更好；但是小直徑光纜沒(méi)有“隨流鎖定”的特性；在微管中進(jìn)行水浮敷設(shè)時(shí)限制急彎非常關(guān)鍵，由于微管空間太小，有急彎和起伏的情況下限制光纜前行的不是摩擦力，而是管道自身對(duì)水的阻力。

4 水浮敷設(shè)光纜試驗(yàn)

4.1 水浮敷設(shè)試驗(yàn)用管道建設(shè)方案

試驗(yàn)場(chǎng)地位于南京市棲霞區(qū)環(huán)洲路北；在江堤道路同路由敷設(shè)40 mm/33 mm硅芯管、14 mm/10 mm微管（2孔）兩種管道，全程約6.5 km，落差約5 m；敷設(shè)過(guò)程中故意增加了管道路由起伏和彎曲弧度；試驗(yàn)段落水浮敷設(shè)難度遠(yuǎn)大于實(shí)際工程段落。

4.2 水浮敷設(shè)試驗(yàn)用光纜及設(shè)備選型

水浮敷設(shè)試驗(yàn)方案光纜選型及設(shè)備與模擬測(cè)算采用的選型一致，主要設(shè)備有水壓機(jī)、水箱、氣吹機(jī)（SuperJet、MiniJet型號(hào)）、輔助設(shè)備有光纜舉升架、纜盤(pán)拖車(chē)、空壓機(jī)等。

4.3 水浮敷設(shè)試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 硅芯管中水浮敷設(shè)24芯GYFY光纜試驗(yàn)

在40 mm/33 mm硅芯管中成功實(shí)現(xiàn)了一次性水浮敷設(shè)6 500 m24芯GYFY光纜的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，敷設(shè)時(shí)長(zhǎng)約145 min，水壓機(jī)基本水壓1.4 MPa（14 bar），水流量最大達(dá)到45 L/min，敷設(shè)完成后光纜各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)符合規(guī)范要求[2]。

4.3.2 硅芯管中水浮敷設(shè)24芯微簇纜

40 mm/33 mm硅芯管中水浮敷設(shè)24芯GYFY光纜試驗(yàn)完成后，保持硅芯管內(nèi)水流及GYFY光纜，緊接著開(kāi)始進(jìn)行水浮敷設(shè)24芯微簇纜試驗(yàn)，通過(guò)定制的光纜連接器將24芯微簇纜與原有硅芯管內(nèi)的GYFY光纜進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)水浮敷設(shè)過(guò)程中同時(shí)回收原有管內(nèi)的GYFY光纜；本次試驗(yàn)一次性水浮敷設(shè)24芯微簇纜5 200 m時(shí)，光纜無(wú)法繼續(xù)敷設(shè)，試驗(yàn)失敗。

4.3.3 硅芯管模擬漏水情況水浮敷設(shè)24芯GCYFY光纜

對(duì)距離水浮敷設(shè)起點(diǎn)1 km處的硅芯管正面開(kāi)孔（直徑6 mm），模擬漏水情況下的水浮敷設(shè)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)一次性水浮敷設(shè)24芯GCYFY光纜6 500 m試驗(yàn)成功，敷設(shè)耗時(shí)164 min，試驗(yàn)過(guò)程中水壓機(jī)基本水壓1.6 MPa（16 bar），水流量最大達(dá)到60 L/min。

4.3.4 微管(14 mm/10 mm)中水浮敷設(shè)24芯GCYFY光纜

在14 mm/10 mm微管中一次性水浮敷設(shè)24芯GCYFY光纜3 514 m時(shí)，光纜無(wú)法繼續(xù)敷設(shè)，試驗(yàn)失敗。

5 水浮敷設(shè)光纜試驗(yàn)結(jié)論分析

1）在40 mm/33 mm硅芯管中水浮敷設(shè)24芯GYFY光纜、GCYFY微纜均能一次性敷設(shè)約6 500 m。

2）硅芯管中水浮敷設(shè)24芯微簇纜試驗(yàn)失敗的原因是2條光纜對(duì)接的專用連接器在硅芯管內(nèi)卡住，后期工程建議光纜回收和光纜敷設(shè)應(yīng)分開(kāi)實(shí)施，降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

3）由于14 mm/12 mm微管管道內(nèi)徑太小、進(jìn)入管道的水流量偏小，不利于長(zhǎng)距離水浮敷設(shè)。

4）在敷設(shè)過(guò)程中應(yīng)注意避免用于水浮敷設(shè)的硅芯管扭絞、急彎，減小彎曲起伏。

5）水浮敷設(shè)光纜施工之前管，應(yīng)對(duì)硅芯管管道進(jìn)行氣密性能檢查、貫通、清潔、潤(rùn)滑工作。

6）用于水浮敷設(shè)的光纜密度應(yīng)接近水的密度；用于水浮敷設(shè)的硅芯管宜采用螺旋氣槽硅芯管，更有利于水浮敷設(shè)和氣吹敷設(shè)[3，4]。

6 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果證明：硅芯管中水浮敷設(shè)24芯GYFY光纜、GCYFY微纜均能一次性敷設(shè)6 500 m；能夠滿足珠江三角洲水資源配置工程超長(zhǎng)距離管道光纜敷設(shè)要求，水浮敷設(shè)法可作為可行的敷設(shè)方式供本工程應(yīng)用，水浮敷設(shè)法一次性敷設(shè)光纜6 500 m以上在國(guó)內(nèi)屬于首創(chuàng)，其具備如下優(yōu)點(diǎn)：

1）光纜受摩擦反向阻力小，更易過(guò)彎、單次敷設(shè)長(zhǎng)度至少是氣吹兩倍以上，施工效率高。

2）水浮敷設(shè)法單盤(pán)敷設(shè)更長(zhǎng)，減少了接續(xù)工作量，施工的靈活性和機(jī)動(dòng)性都將會(huì)大大提高，施工成本低。

3）水浮法敷設(shè)過(guò)程中，光纜整體受力、端頭是開(kāi)放式的，與傳統(tǒng)牽引相反，敷纜完畢后，光纜松弛地停在管道的底部，有助于延長(zhǎng)光纜的使用壽命，敷設(shè)過(guò)程中硅芯管管道爆裂概率極低。

3）水浮敷設(shè)情況下，光纜懸浮前進(jìn)，與傳統(tǒng)牽引相比，其安全系數(shù)有很大提高。

4）水浮敷設(shè)法相比氣吹法敷設(shè)，更節(jié)能，無(wú)須使用水分離器、冷卻器等設(shè)備；同時(shí)水流單位體積重量較大故相同速度下水流的動(dòng)能更高，在狹小縫隙內(nèi)仍可向前流動(dòng)；當(dāng)占空比較小時(shí)光纜在水流中輸送更為穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生像氣吹法那樣在管道中抖動(dòng)、扭曲的現(xiàn)象；可實(shí)現(xiàn)芯數(shù)高于氣吹法等其他施工方式，能起到提高管道資源利用效率的效果。

5）采用水浮法移除管道內(nèi)已有光纜施工效率高、對(duì)原有管道損傷最小，維護(hù)升級(jí)便捷高效。