海底電纜精準拋石保護施工關鍵技術研究

蔣 上，馬 凌，蘆 海，趙亞棟，趙四新

(1.中國電力工程顧問集團有限公司，北京 100120；2.海南聯網二回項目管理有限公司，海南 海口 570100；3.江蘇天辰海洋工程技術股份有限公司，江蘇 南京 210019 )

0 引言

隨著我國海洋戰略的不斷深入和技術裝備水平的持續提升，海洋能源產業近年來得到了蓬勃發展。拋石保護作為海底電纜、海底管線與海上平臺基礎的最主要保護方式之一，在保障能源開發與輸送中發揮著重要作用，其應用前景廣闊。

拋石保護是指將一定粒徑、密度與級配的碎石拋設于目標范圍海床上，該工藝可用于保護海纜、管道等水下設施可能受到的拖錨和落物的沖擊，同時能夠限制海底管纜的屈曲位移，并可預防水流對結構物附近海床土壤的沖刷。對于海底管纜在復雜的海床地質條件下形成的懸空段，拋石還可用于管纜下方坑道的有效填充與結構支撐，減少海流作用下的結構疲勞損傷與摩擦破壞[1-2]。

近年來，針對深水區、精細化拋石保護技術的應用需求逐步提升，對堆石結構的防護效果也提出更高的要求。目前，拋石體防護性能已涵蓋拋石防護抗沖擊能力、結構穩定性、施工中的水下結構安全性，以及拋石體的沖刷抑制能力等諸多方面，但目前國內尚無成熟的拋石保護設計標準和施工工藝指導細則[3-4]。長期以來，國內海底管線、電纜、平臺設計主要聚焦于工程本體設計，對于精準拋石保護的關鍵技術沒有進行深入研究，這導致實際工程應用粗放，拋石工藝與拋石體性能存在不確定性[5]，并進一步阻礙了海上工程的建設和技術的進步。因此，深入研究海洋工程精準拋石保護技術具有重要意義和工程實踐價值。

本文結合國家重點項目“海南電網二回聯網工程”子課題“海底電纜拋石保護工程”已有研究及應用成果，對拋石保護施工設備、精準拋石保護施工過程、檢測關鍵技術進行總結和分析，提煉出工藝技術關鍵點。

1 拋石保護施工關鍵設備

拋石保護施工關鍵設備包含了拋石船、石料裝載裝置(抓斗和傳送帶)、石料拋放裝置、檢測設備等，其中石料裝載裝置(抓斗和傳送帶)、石料拋放裝置、檢測設備均集成于拋石船，如圖1 所示。拋石船包含了裝卸石料、運輸系統、操控系統等組成部分。

圖1 拋石船組成圖

拋石船主要包括如下部分：

1)船體及船艙操控系統。包含船體結構、操作室、生活區等組成部分。

2)石料裝填及運輸系統。包含石料堆放區域、挖斗機、落石管堆放區、傳送帶、中央緩沖料斗等組成部分。

3)拋石系統。包含落石管、遙控無人潛水器(remote operated vehicle，ROV)系統、多波束聲吶(multi beam sonar system，MBM)系統等組成部分。

2 精準拋石保護施工過程

海底電纜拋石要求在精確定位海底電纜的同時實時監測海底拋石截面，石料不能損壞海底電纜。根據上述要求，施工工藝需要采用精準導管拋石方式，將符合控制標準石料通過落管精準輸送至拋石指定位置海床[6]，完成檢測后進行施工。

2.1 石料控制標準

石料控制標準包括了石料選擇和供應、石料運輸及存儲、石料檢驗三個方面。

1)石料選擇和供應。施工單位需根據設計單位出具的石料材質及級配要求，結合項目進行施工總體規劃，確定石料開采地點。對石料運輸時長、供應量進行綜合分析，包括石料裝車、陸上運輸、碼頭裝船卸車、水上運輸等環節。為保證石料運輸過程中船舶穩定性，石料每次運輸量取運輸船滿載量的60%。

2)石料運輸及存儲要求。采取相應措施使石料在運輸及存儲過程中保證清潔。

3)石料檢驗。對原材料進行抽樣檢測，檢測結果應及時上報審批，審批通過后，原材料方可使用。

2.2 拋石檢測

拋石保護施工前使用多波束對海纜進行掃測，校驗懸空、裸露情況；拋石過程中配合底流監測、二維成像聲吶、三維實時聲吶監測等設備對拋石的效果進行實時的監控檢測；拋石后對海纜懸空、裸露段修復效果進行查驗[7]。具體控制措施詳見3.5 節。

2.3 拋石方式

海底電纜拋石保護工程中為控制精度，應采用導管拋石方式，如圖2 所示。

圖2 拋石船落管系統示意圖

“海南電網二回聯網工程”子課題“海底電纜拋石保護工程”中落管材質為鋼制，單根長8 m，直徑600 mm，利用法蘭連接。落管長度根據水深確定，實際施工過程中，施工船會根據測深儀數據加長或縮短落管，當水深低于落管長度整數倍時采用傾斜拋石落管的方式，確保落管底部與電纜保持5 m 以上的安全距離。

施工船選擇作業區域外點位進行試拋，根據拋放試驗數據，計劃段落長度、船舶移動速度、段落拋放時間和最小覆蓋使用量，控制段落內拋放數量大于設計最低數量均勻拋放。試驗完畢后施工船前往施工區域開始進行拋石作業，對裸露與懸空部分有區分地進行碎石拋放檢測。

2.4 施工方案

施工前應對海底電纜路由進行精確勘察，確定需要拋石的區段及海床地形。根據拋石位置水深以及海纜形態進行作業區域劃分，然后針對不同作業區域靈活調整施工方案。

2.4.1 常規拋石保護施工方案

海底電纜鋪設完畢后，正常為裸露狀態，針對這種海纜形態，施工方案如下：對于裸露部分的電纜保護采用原有的拋石壩設計，拋石壩形狀示意圖如圖3 所示。其中梯形斷面上底寬1 m，壩頂距電纜頂部高1 m，斜坡比1∶3；內層初步保護層(相對于電纜頂部凈高)層高0.5 m，底寬2.0 m；拋石保護施工前需進行埋前探測，找準海纜坐標，并確認海纜現狀為懸空或裸露后方可進行拋石保護施工。

圖3 堆石壩設計方案

2.4.2 特殊場景(懸空)拋石保護施工方案

海底電纜鋪設過程中，由于部分區域的海床地形起伏，可能會導致部分海纜懸空。如果拋填不及時或拋填后長時間沖刷，可能會導致較長段落海纜懸空。本研究依據瓊州海峽水深情況及海纜埋設檢測圖形，從經濟性角度確定，海纜懸空段長度以30m 作為分界點，采用不同施工方案。

1)對于懸空段長度小于30 m 的區段，首先用小石塊(2.5 ～5 cm)將海纜包裹住，并高于海纜上方約0.3 m。再將大石塊(5 ～20 cm)拋覆于小石塊上方，厚度約0.8 m。以抵抗洋流作用，增加拋石壩使用壽命。建議堤壩坡腳處護底石塊尺寸較外層增大20%～30%，以抵抗洋流沖刷。拋石壩形狀示意圖如圖4 所示。

圖4 拋石壩體橫斷面示意圖(適用于懸空段小于30 m)

2)對于懸空段長度大于30 m 的區段，首先在懸空段中部建立支點，隨后再進行拋石修復。考慮到在建立懸空段中點的支撐時，海纜受力尚未得到改善，因此該處拋石以5 ～20 cm大石塊拋填成基座，然后在基座中間的凹槽上方拋放2.5 ～5 cm 小石塊。對懸空段中點處臨時支撐點進行施工時，先拋5 ～20 cm 石塊，壩體高度約為現狀海纜所在高度。中部支點建立完畢后，其他區段在電纜兩側拋放大石塊(5 ～20 cm)，考慮到導管拋石精度約2 m，再考慮2 m 的安全裕度，大石塊拋石點距離海纜水平距離不小于4 m，形成拋石壩兩側“基座”，用上述兩層石塊墊高海床，形成中間低兩邊高的“凹槽”。拋石過程中及時拋放和監測，以控制壩體質量。采用小石塊(2.5 ～5 cm)從電纜側面2 m 左右拋石至海纜上方齊平，并繼續補拋一部分5 cm小石塊至海纜上方約0.3～0.5 m，一方面可以起到一定防外力破壞的作用，一方面可以減輕海流對纜的影響。在外層拋放大石塊(5 ～20 cm)，高于電纜高度1 m。堤壩坡腳處護底石塊尺寸較外層增大20%～30%，以抵抗洋流沖刷[8-9]，如圖5 所示。

圖5 拋石壩體橫斷面示意圖(適用于懸空段大于30 m)

2.5 小結

1)選擇石料需滿足設計方提出的材質和級別要求，對石料運輸時長、供應量進行綜合分析，確保石料供應滿足海上施工需求。石料運輸及存儲過程中，需保證石料的清潔。

2)嚴格做好拋石作業全過程施工監測。拋石保護施工前使用多波束對海纜進行掃測，校驗懸空、裸露情況；拋石過程中配合底流監測、二維成像聲吶、三維實時聲吶監測等設備對拋石的效果進行實時監控檢測；拋石后對實際拋放截面效果進行查驗。

3)施工工藝宜采用導管拋石方式，將石料通過落管輸送至拋石指定位置海床。

4)海底電纜鋪設完畢后，正常為裸露狀態。由于部分區域海床地形起伏，可能會導致部分海纜懸空。如果拋填不及時或拋填后長時間沖刷，可能會導致較長段落海纜懸空。應根據施工前掃測的海纜不同的形態，調整、確定合適的施工方案。

3 拋石保護施工檢測

3.1 檢測技術

拋石作業的檢測包含了拋石前檢測、拋石中檢測和拋石后檢測。檢測過程主要通過落石管末端的ROV 上搭載的專用裝置實現數據的采集，ROV 裝置由多種先進的檢測設備組成，包括：導航儀、測深儀、數字地形模型 (digital trunk module，DTM)系統、測高儀、MBM、掃描傳感器、水下攝像設備和水下照明設備,可實現海管或海纜定位、數據采集的功能。

施工中，ROV 采集到的數據即時傳回操作平臺計算機處理，通過Terramodel 軟件制圖，每5 m提交一個拋石截面圖，在該圖中詳細描述了海管位置、海底地形原始狀態、內外層拋石設計剖面和實際剖面等，如圖6 所示。當石料的實際拋放剖面全部覆蓋設計拋放剖面，則視為拋石合格。

圖6 多波束檢測成像示例

3.2 檢測設備

拋石作業的檢測設備主要包含了多波束測深系統、側掃聲吶系統、單波束測深儀、全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)、星站差分、聲速剖面儀、表面聲速儀、船舶定位系統(position and orientation systems for marine vessels，POS MV)、無人機等。

3.3 檢測方法

拋石保護施工檢測方法主要分為多波束測深技術及側掃聲吶技術，分別適用于海底海纜懸空段、裸露段檢測[10]。

3.3.1 懸空段檢測

利用船載多波束測深系統沿著海纜走向進行掃側，以使盡可能多的波束點探測到懸空的海纜，綜合對比解釋識別處懸空的海纜，海纜與海床距離大于0.1 m 視為懸空，對于海纜的空間三維特征可以在多波束數據處理軟件中進行量取。最終統計海纜懸空情況，各懸空段范圍、懸空長度、最大懸空高度，首位坐標并對附近地形地貌進行描述，同時截取細節照片。

3.3.2 裸露段檢測

利用船載側掃聲吶系統沿著海纜走向進行掃側，以使盡可能多的波束點探測到裸露的海纜，再結合多波束的海底地形數據進行綜合對比解釋識別處裸露的海纜，海纜與海床貼合并無覆蓋物則視為裸露。對于海纜的空間三維特征可以在多波束及側掃數據處理軟件中進行量取。最終統計海纜裸露情況、各裸露段范圍、首位坐標并對附近地形地貌進行描述，同時截取細節照片。

3.4 檢測步驟

操作中，根據多波束測量數據及超短基線定位(ultra-short baseline，USBL) 數據，配合使用三維聲吶及多波束檢測手段進行電纜位置定位探測。指揮動力定位(dynamic positioning，DP)駁船調整落管管口與水下電纜相對位置，引導DP 駁船精確定位。 根據電纜的狀態，分為裸露和懸空兩種情況。

1)裸露。裸露段相比懸空來說施工成果較易明確，只需碎石覆蓋海纜，依據多波束檢測記錄即可，測量員實時觀測處理多波束數據，依據檢測結果引導石料拋放。

2)懸空。懸空段海纜在海流作用下產生振動，鉛護套和鎧裝等金屬材料存在疲勞損傷風險，長期作用下，可能導致海底電纜失去鉛護套的徑向阻水保護和鎧裝的機械保護，造成海纜出現開裂、進水、擊穿等故障，故懸空段的保護極其重要。多波束檢測完成后，使用三維實時成像觀測懸空處拋石過程，隨船調整觀測位置，保證懸空處拋石效果。隨后水深觀察人員使用水深測量設備關注水深變化情況，緩慢靠近施工就位點。船舶就位后根據施工水域流向，調整艏向和船位。

3.5 檢測控制措施

1)控制點應選在通視良好、交通方便、地基穩定且能長期保存的地方。埋點位置要求地勢開闊，且要避開高度角15°以上的障礙；

2)控制測量的時候腳架需牢固架設，防止海風吹倒；

3)觀測時間把控好，單個時段不少于5 h，且需要觀測2 個時段；

4)測量船作業過程中，速度不超過5 節，時刻提醒舵手注意海峽中的漁網，防止觸礁、擱淺等，防止刮壞多波束探頭；

5)在數據采集時按測距極坐標法，本著“所見即所測、所見即所得”的原則，地形、地貌、地物采用固定的地物編碼和測圖號記錄；

6)導航定位航跡與設計測線偏離距離不得大于測線間距的20 m，如航跡偏離大于20 m 時，重新上線進行測量。

7)檢測過程中，選用標準差分數據，導航定位系統通過同步觸發器(定標器)分別與多波束實現同步定位，定位標線間隔為50 m。定位過程中，所有定位數據均采用計算機自動記錄存盤、打印。

8)水深測量期間，若發現水深變化異常，結合旁掃聲吶作業作出明確的判斷解釋。測量船速保持不大于5 節。

9)對實時采集的多波束資料進行數據編輯，剔除假信息、恢復、保留真實信息，得到高精度的水深值。

10)多波束測深過程中或測深結束后，對主測深線進行檢查。檢查測深線宜垂直于主測深線均勻布設，檢查測深線總長不少于測深線總長的2%。檢查測深線采用單波束或多波束測深系統進行測量；檢查測深線與主測深線相交處，成像圖上1 mm 范圍內水深點的深度檢查較差的限差，不應超過表1 的規定。

表1 深度檢查較差的限差

11)所有檢測項目數據必須統一使用同一坐標原點；在已有運維坐標數據基礎上，進行海底地形圖測繪和電纜裸露、懸空檢測。在已有運維坐標數據基礎上，對海纜路由坐標進行實測定位。

3.6 小結

1)拋石保護施工應嚴格開展拋石前檢測、拋石中檢測和拋石后檢測。通過檢測，可以探測海纜裸露情況、海纜懸空情況、控制測量、水深測量圖和地形圖等。

2)拋石保護施工檢測精度主要依賴多波束設備、聲吶等設備的精度，施工過程中應嚴格按照操作手冊進行施工，以控制檢測精度滿足施工需求。目前國內外施工檢測技術精度均能夠滿足拋石保護施工精度控制要求，國內外差別不大。

4 結語

本文結合“海南電網二回聯網工程”子課題“海底電纜拋石保護工程”，研究了海底電纜拋石保護施工中的關鍵技術。重點關注石料運輸、導管拋石及拋石檢測等關鍵工藝。應選擇滿足設計方要求的材質、級配的石料，對石料運輸時長、供應量進行綜合分析，確保石料供應滿足海上施工需求；石料運輸及存儲過程中，保證石料的清潔；應嚴格做好拋石作業施工前、施工中、施工后監測；采用精準導管拋石是行業和國際上公認的成熟方式，是規模化作業的首選方案；應針對海纜不同形態的情況(懸空或裸露)采取合適的施工方案。應重視檢測技術在拋石保護施工中的應用，嚴格控制施工檢測技術精度，適時發展施工檢測設備和技術以適應未來海洋工程的需求。