海上風電場海底電纜敷設路徑（jìng）及埋深綜合檢

近（jìn）年來，國內海上風電產業快速（sù）發展，海上風電進入建設高峰期，以廣東省（shěng）為（wéi）例，到2030年，建成投產海上風電（diàn）裝機容量將達到3000萬kW。海底電纜是海（hǎi）上（shàng）風電場傳輸電能的重要組成部分，它的安全運行關係到（dào）海上（shàng）風電（diàn）電力係統，對海上風電產業的發展起著至關重要的作用。冀大雄等從宏觀層麵（miàn）的檢（jiǎn）測手（shǒu）段和微觀層麵的檢測（cè）技術2個角（jiǎo）度，對國（guó）內外海底電纜檢測方法的發展現狀進行歸納和分析（xī），梳理了目前海底電纜檢測方（fāng）法存（cún）在的問題，指出了未來發展趨勢。當前，海底電纜的檢測和監測（cè）工作多集中於（yú）敷設施工投產後的運行階段，但作（zuò）為海（hǎi）上風（fēng）電建設關鍵環節的海底電纜（lǎn）敷設施工（gōng），目前國內缺乏相應的質量檢測和驗收規範。本文主要（yào）研究在海底電纜施工過程中，綜合采（cǎi）用側掃聲呐、多波束測深儀、淺地（dì）層剖麵儀（yí）等聲（shēng）學檢測手段對敷設質量進行施工後（hòu）埋深及路徑檢測，在投運前（qián）及時（shí）消除存在的缺陷和隱患，降低後期運維成本，為海上風電場安全運（yùn）營提供保障。

一、檢測技術方法

海底電纜（lǎn）路徑及埋深檢測，主要采用3種技術（shù）手段：多波束係統掃測、側（cè）掃聲（shēng）呐掃測、淺地層剖麵探測，3種檢測方法各有優缺（quē）點，相互間能很好地起到彌補、佐證作用，為分析敷設後的海底電纜埋深及路徑時提供了（le）充分數據（jù）依據，避（bì）免了分析片麵而產生錯誤的結論。3種檢測方法的（de）優缺（quē）點對比見表1所列。  

表1 各種檢測方法優（yōu）缺點

根（gēn）據各種（zhǒng）技術的優缺點，綜合采用以上手段，可以有效地檢測整（zhěng）條（tiáo）海（hǎi）底電纜的敷設質量。有衝埋痕跡（jì）、裸露、懸空的（de）海底（dǐ）電纜路由，可用多（duō）波束儀準確（què）定位海底電纜路徑；對於裸露、懸空的海底電纜，可用側掃（sǎo）聲呐確定位置及懸空高度（dù）；對於有泥沙覆蓋的海底電纜，淺地層剖麵可以探測到覆蓋層厚度，多波束（shù）係統可以（yǐ）掃測敷（fū）設過程中的（de）電纜溝深度，兩者相（xiàng）加即為最終的（de）電纜理論埋深。3種技術手段（duàn）相輔相成，在海底電纜敷設（shè）檢測過程中綜合獲（huò）取數據，確保全麵、合理分析（xī）海底電纜（lǎn）敷設施工質量。

⒈多波束係統

多波束係統包括3個（gè）子係統：①多波束聲學子係統（tǒng），包（bāo）括多波束發射、接收換能器陣、多波束信號控製處理電子櫃；②波束空間位（wèi）置傳感器子係統（tǒng），包括電（diàn）羅經、運動傳感器、衛星定位係統（tǒng）、表麵聲速計、SVP聲速剖（pōu）麵儀。③數據采集、處理子係統，包（bāo）括多波（bō）束實時采集、後處理計算機及相關（guān）軟件和數據顯示、輸出、儲存設備。係統組成如圖1所示。

圖1 多波束（shù）係統組成

多波（bō）束探頭的發射單元每秒可以發（fā）射將近20～50次脈衝，每次生成512個波束，一（yī）秒內可獲得25600個（gè）水深（shēn）點，點間距接近0.01m，生成（chéng）高精度的水下三維地形圖能（néng）很好地分析海底電纜裸露、敷設痕跡等信息。如圖2所示為（wéi）多波束係統掃測的（de）電纜溝深度及裸露（lù）的海底電纜。

圖2 多波束（shù）係統掃測的電纜溝及裸露（lù）的海底電纜

⒉側掃（sǎo）聲呐

側（cè）掃聲呐（nà）是利用回聲探測原理（lǐ）探（tàn）測海底地（dì）貌和水下物（wù）體的設備。側掃聲呐換能器陣在走航時向兩側下方發射扇形波束的聲脈衝，並接（jiē）收海底（dǐ）表麵或水下物體對入射聲波的反向散射信號來探測（cè）海底地貌和水下物體。側掃聲（shēng）呐工作原理如圖3所示。

圖3 側掃聲呐作業示意圖

側掃聲呐在海底電纜敷設（shè）檢測中可根（gēn）據聲像清晰地辨（biàn）識裸露及懸空的海（hǎi）底電纜。在側掃聲呐（nà）圖像中，裸露海底的海（hǎi）底電纜比（bǐ）較容易探測和識別。對於（yú）平坦海底（dǐ）麵上的海底電纜，依據聲（shēng）呐記錄上的海底（dǐ）電纜聲（shēng）影區與海底電（diàn）纜影（yǐng）像尺寸和懸空段產生的遮（zhē）擋陰影，能夠計算出管道的裸露或懸跨高度。當海（hǎi）底電纜平（píng）鋪於海底麵時，突出的海底電纜由於（yú）較強的（de）散射在聲呐圖像上呈明顯（xiǎn）的亮條（tiáo）狀，由於電纜的遮擋，電纜後方在聲圖上（shàng）形成陰影區。對（duì）於懸空海底電（diàn）纜，其下方的海底麵也能夠對聲呐信號進行散射，但由於（yú）其反射信號晚於海底電纜反射信號到達聲呐（nà）接收端，形成的聲（shēng）像位於海（hǎi）底（dǐ）電纜亮條的（de）後方，這樣（yàng）海底電纜遮擋形成的聲（shēng）影區（qū）與電纜聲像會間隔（gé）一定（dìng）距（jù）離。裸露（lù）及懸空海底電纜側掃影像如圖（tú）4所示。

圖4 測掃聲（shēng）呐掃測的裸露及懸空海底電（diàn）纜（lǎn）

⒊淺（qiǎn）地層剖麵儀

淺地層剖麵探測是一（yī）種基於水聲（shēng）學原（yuán）理的連續走航式（shì）探測海底淺部地層結構和構造的地球物理方法。它利用（yòng）聲波在海水和海底沉積物中的傳（chuán）播和反射特性及規律對海底沉積物結構和構造進行連續探測，從而獲得較（jiào）為直觀的海底淺部地層結構剖麵。淺（qiǎn）地層剖麵儀工作原理如圖5所示。

圖5 淺地層剖麵儀工作原理

淺地層剖麵儀辨識並（bìng）確定海底電纜埋深的方法是：當海底電纜敷設於海底泥麵以下時，由於其結構和周圍介質的性質相（xiàng）差很大，探測時（shí）淺剖儀在海底（dǐ）電纜上方正交（jiāo）經過，海底電纜在斷麵圖上表現為單（dān）獨的拋物線形狀（zhuàng）。當沿海底電纜路由方向迂回測量後，在斷麵圖（tú）上找到每個拋物線頂點並連線，生成的折線即為敷設的海底電纜路由。根據淺地（dì）層剖麵斷麵圖，量取拋物（wù）線頂點與海床麵的高差值，此高差值（zhí）與（yǔ）多波束係統測量所得電纜溝深（shēn）度之和即為海底電（diàn）纜的（de）相（xiàng）對埋深。如圖（tú）6所示為淺地層剖（pōu）麵儀探測所得的（de）2種形態（tài）的海底（dǐ）電纜。

圖6 淺地層剖麵法探測的裸露（lù）海底電纜及有埋深的（de）海底電纜

二、工程應用實例

粵東某海上風電輸出海底電纜采用2回3×1000+2×48C芯（xīn）光電複合220kV電纜（lǎn），直徑為262.9mm，由海上升壓站輸送到陸上集控中（zhōng）心，設計路由長度為31.5km。海底電（diàn）纜路（lù）由敷設（shè）區域海底地（dì）形較平緩，大部分區域水深（shēn）介於4～18m。

海底電（diàn）纜（lǎn）敷設（shè）作業采取敷埋同步方式，通過操作控製敷設犁具犁把的深度，使犁具頭部嵌入泥土中，用（yòng）高（gāo）壓水槍（qiāng）對海底（dǐ）周圍的泥（ní）沙進行衝刷形成海底電纜（lǎn）溝槽，電纜通過犁槽輸（shū）送到電纜溝（gōu）槽中，船舶沿設計路徑緩慢移動（dòng）航行，完成海底電纜（lǎn）的敷設（shè）工作。為檢測海底電纜敷設施（shī）工質量（liàng），采用包（bāo）括多波束係（xì）統掃測法、側掃聲納掃測（cè）法、淺地層剖麵探測法，對敷設的海底電纜進行（háng）埋深（shēn）及路由檢測。投入設備及精（jīng）度指標見表2所列。

表2 使用的主要設備及精度指標

測線布設：多波（bō）束及側掃聲呐掃（sǎo）測測線沿海底電纜路由布設，在路由左右兩側10m、25m布設（shè）平行測線；淺（qiǎn）地層剖麵儀探測測線垂直（zhí）設計的（de）海底電纜路由布設，路由往兩側各延伸（shēn）50m，按25m的間隔布設平行測線。

⒈海底電（diàn）纜路（lù）徑（jìng）的確定

采用多波束（shù）係統（tǒng）確定海底電纜路徑。3種檢測方式中，定位精度最高的為多波束係統，采用（yòng）PPK後處理差分模（mó）式解（jiě）算（suàn）定位，平麵精度（dù）可達8mm，多波束點雲數據十分密（mì）集，生成的0.01m×0.01m格網三維模型，可以很好地分辨出（chū）海底電纜的敷設痕跡。根據檢測數據（jù）分析，海（hǎi）底電纜敷設（shè）痕跡隻要有1cm以上的高度差（chà）異，

且為連續狀態，多（duō）波束係統即可高效準確地判（pàn）斷海底電纜敷設痕跡。本項目檢測工作是在海底電纜（lǎn）敷設後馬上開展，大部分海纜敷設過程中衝刷（shuā）的痕跡還未回填，在工程實踐中對海底電纜路徑實現了高速有效的判讀識別和（hé）定位。多波束（shù）所掃側（cè）出的海底電纜敷設（shè）電纜溝如圖7所（suǒ）示。

圖7 多波束係統掃測的海底電纜溝痕跡

⒉海底電纜埋（mái）深的探測

海底（dǐ）電纜敷設後，在埋深上主要表現出4種狀態；①有覆蓋物掩埋；②電纜溝未（wèi）回填造成的裸露；③一部分高於海床麵，一部分位於電（diàn）纜溝內；④裸露於海床麵上。針對上述4種海底電纜形態敷設後的海底電纜埋深值，采用3種探測技術（shù）方（fāng）法綜合分析。

⑴對於有覆蓋物掩埋的海（hǎi）底電（diàn）纜，采用淺地（dì）層剖麵法分析海底電纜覆蓋物的（de）厚度，獲得埋深數據，然後采用多波束掃測數據分析電纜敷設痕跡的深度，2種（zhǒng）技術方法確定的數據相（xiàng）加，即為最（zuì）終的海（hǎi）底電纜埋深。

⑵裸露但有衝刷深（shēn）度的海底電纜，裸露於衝犁電纜溝槽（cáo）中或海床麵的海底（dǐ）電纜，采用（yòng）多（duō）波束係統可以精確量算出電纜最終（zhōng）理論埋深數據。如圖8所示為4種敷設狀態的海底電纜（lǎn）。

圖（tú）8 4種形態的海（hǎi）底電纜（lǎn）

⒊懸空海底電纜（lǎn）的確定

裸露且與海底麵不接觸的電纜定義（yì）為懸空（kōng）海底電纜，這種狀（zhuàng）態的海底電纜采用（yòng）側掃聲呐法、多波束係統相互判斷和分析。根據側掃聲呐法成像原理可知，海底電纜懸（xuán）空於海底（dǐ）麵（miàn），側掃聲呐法掃測的懸空海底電纜會在聲波到達地物的另一麵產生陰影，通過量算陰影的長度，可以（yǐ）計算分析出海底電纜相對海底麵懸空（kōng）的高度，本項（xiàng）目側掃聲（shēng）呐法可以（yǐ）分辨出懸空為約（yuē）0.1m的海底電纜（lǎn）信息，懸空海纜如圖（tú）9所示。

圖9 懸空高度約為（wéi）0.1m的海底電纜（lǎn）

本工程的海底電纜敷設施工檢測中，共完成多波束係統掃測測線261km，側掃（sǎo）聲呐法掃測測線318km，淺地層剖麵探測（cè）測線261km。

利用3種檢測技術高速有效地（dì）確（què）定了海底電纜敷設路徑，檢（jiǎn）測結果表明（míng），敷設（shè）路徑與設計路徑偏（piān）離值均在10m以內，符合海底（dǐ）電（diàn）纜輸電工（gōng）程施工及驗（yàn）收規範的要求。3種檢測方法綜合檢測快速判定敷設（shè）施工過程（chéng）中的裸露、懸空等異常情況，反饋給項目（mù）各相（xiàng）關方及時消缺，達到了優質工程建（jiàn）設的目的。

三、結語

綜合采（cǎi）用多波束係統掃測法、側掃聲納掃測（cè）法、淺地層剖麵探測法對海上風電海（hǎi）底電（diàn）纜（lǎn）敷設進行跟隨式（shì）檢測，能在工程施工階段快速、準確地對敷設質量進行（háng）判（pàn）定，及時（shí）發現施工缺陷與隱患，為投運前精確消缺提供數據支撐。目前，工程應用案例的海上風電工程已一次（cì）性成功（gōng）並網送電，證明3種檢測方法（fǎ）綜合（hé）應用（yòng）對海底電纜敷（fū）設時的質量控製是行之有效的。當前國內海上風（fēng）電建設已進（jìn）入高潮期，聲學檢測作為一種成熟、可靠的質量檢測手段，將在海上風電工程（chéng）建設質量（liàng）控製中得到更廣泛應用。

來源：溪流之海洋（yáng）人生