海上風電場海底電纜敷（fū）設路（lù）徑及埋深綜合檢

近年來，國內海上風電產業快速發展，海上風電進入建設高峰期，以廣東省（shěng）為（wéi）例，到2030年，建成投產海上風電裝（zhuāng）機容量將達到3000萬kW。海底電纜是（shì）海上風（fēng）電場傳輸電能的重（chóng）要（yào）組成部分，它的安全運行關係（xì）到海（hǎi）上（shàng）風電電力係統，對海上風電產業的發展起著至關重要的作用。冀大雄等（děng）從宏觀層麵的檢測手段（duàn）和微（wēi）觀（guān）層麵的檢測（cè）技術2個角度，對國內外（wài）海底電纜（lǎn）檢測方法的發展現狀進行歸納和分析，梳理了目前海底電纜檢測方（fāng）法存在的問題，指出了未來發展趨勢。當前，海底電纜的檢測和監測工作多集中於敷設施工投產後的運（yùn）行階（jiē）段，但作為海上風電建設關鍵環節的海（hǎi）底電纜敷設施（shī）工，目（mù）前國內缺乏相應的質量檢（jiǎn）測和驗收規範。本文主要研究在海底電纜施工過程中，綜（zōng）合采用側掃聲呐、多（duō）波束測深儀、淺地層剖麵儀等聲學檢測手（shǒu）段對敷設質量進行施工後埋深及路徑檢測，在投運前及（jí）時消（xiāo）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營（yíng）提供保障。

一、檢測技（jì）術方法

海（hǎi）底（dǐ）電纜路（lù）徑（jìng）及（jí）埋（mái）深（shēn）檢測，主要采用3種技術手段：多波束係統（tǒng）掃測、側掃聲呐掃測、淺地層剖麵（miàn）探測，3種檢測方法（fǎ）各（gè）有優缺點，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（mái）深及路徑時提供（gòng）了充分數據依據，避免了分析片（piàn）麵而產生錯誤的結論。3種檢測（cè）方法的優缺（quē）點對比見表1所列。  

表1 各種檢測（cè）方法優缺點

根據（jù）各種技術的優缺點，綜合采用以上手段，可以有效地檢測整條海底電纜的敷設質量。有衝埋痕跡（jì）、裸露（lù）、懸（xuán）空的海底電纜路由，可用多波束儀（yí）準確定位海底電纜（lǎn）路徑；對於裸露、懸空（kōng）的海底電纜（lǎn），可用側掃聲呐確定位置及懸空高度；對於有泥沙覆蓋的海底電纜，淺地層剖麵可（kě）以探測（cè）到覆蓋層（céng）厚度，多波束係統可以掃測敷設過程中的電纜溝深（shēn）度，兩者相加即為最終的（de）電（diàn）纜理論埋深。3種技術（shù）手（shǒu）段相輔相成，在海底（dǐ）電纜敷設檢（jiǎn）測過程中綜合獲取（qǔ）數據，確保全麵、合理分析海底電纜（lǎn）敷設施工質量。

⒈多（duō）波束係統

多波（bō）束（shù）係統包括3個子係統（tǒng）：①多（duō）波束聲學子係統，包括多波束發射、接收換能器陣（zhèn）、多波束信號控製處（chù）理電子櫃；②波束空間位置傳感器子係統，包括電羅經、運動傳感器、衛星定位係統、表麵聲（shēng）速計、SVP聲速剖麵儀。③數據采集、處（chù）理子係統，包括（kuò）多波束實時（shí）采集、後處理（lǐ）計（jì）算機及相關軟件和數據顯示、輸出、儲存設備。係統組成如圖1所示（shì）。

圖1 多波束係統（tǒng）組成

多波束探頭的發射單元（yuán）每秒可（kě）以發射將近20～50次脈衝，每次生成512個波束，一秒內可（kě）獲得25600個水深點，點間距接近0.01m，生成高精度的水下三維地形圖能很好地分（fèn）析海底電纜裸露、敷設痕跡等信息。如圖2所示為多（duō）波束係統掃測的電纜溝深度及裸露的海底電纜。

圖2 多波（bō）束係統掃測的電（diàn）纜溝及裸露（lù）的海底（dǐ）電纜

⒉側掃聲呐

側掃聲（shēng）呐是利用回聲探測原理探測海底地貌和水下物體的設備。側掃聲呐（nà）換能器陣在走航時向兩側下方發射扇形波束的（de）聲（shēng）脈衝（chōng），並接收（shōu）海底（dǐ）表麵或（huò）水下物體對入（rù）射聲波的反（fǎn）向散射信號來探測海（hǎi）底地貌和水下物（wù）體。側掃聲呐工（gōng）作原理（lǐ）如圖3所示。

圖3 側掃聲呐作業示意圖

側掃聲呐在海底電（diàn）纜敷設檢測中可根據聲像清晰地辨識裸露及懸空的海底電（diàn）纜。在側掃聲呐圖（tú）像中，裸露海底的海底（dǐ）電纜比較容（róng）易探測和識別。對於平坦海底麵上（shàng）的海（hǎi）底電纜，依（yī）據聲呐（nà）記錄上的海底（dǐ）電纜聲影區與（yǔ）海底電（diàn）纜影像尺寸和懸空（kōng）段產生（shēng）的遮擋陰影，能夠計算出管道的裸露或懸跨（kuà）高度。當海底電纜平鋪於海底麵時，突出的海底電纜由於較強的散射在聲呐圖像上呈明顯的亮條（tiáo）狀（zhuàng），由於電纜的遮擋，電纜後方在聲圖上形成陰影（yǐng）區。對於懸空海底電纜，其下方的海底麵也能夠對聲呐信號進行散射，但由於其反射信號晚於海底電纜反射信號到達聲呐接收端，形成的聲像位於海底電（diàn）纜亮條的後方（fāng），這樣海底電（diàn）纜遮擋形成的聲影區（qū）與電纜聲像會間隔一定（dìng）距離。裸（luǒ）露及（jí）懸空海底電纜（lǎn）側掃影（yǐng）像如圖4所示。

圖4 測掃聲呐掃（sǎo）測的裸露及懸空海底電纜

⒊淺地（dì）層剖麵儀

淺地層剖（pōu）麵探（tàn）測是一種基於水聲學原理的（de）連續走航（háng）式探測（cè）海底淺部地層結構和構造的地球物理方法。它利用聲波在海水和海底沉積物中的傳播和反射特性及（jí）規律對海底沉積物（wù）結構和構造（zào）進（jìn）行連續探測（cè），從而獲得（dé）較為（wéi）直觀的海底淺部（bù）地層結構剖麵。淺地層剖（pōu）麵儀工作原（yuán）理如圖5所示。

圖5 淺地層剖（pōu）麵儀工作原理

淺地層剖麵儀（yí）辨識並確定海底電纜埋深的方法（fǎ）是：當海底電纜敷設於海底泥麵以（yǐ）下時，由（yóu）於其結構和（hé）周圍介質的性（xìng）質相差（chà）很大，探測時淺（qiǎn）剖儀在海底電纜（lǎn）上方正交經過，海（hǎi）底電纜在斷麵（miàn）圖上表現為單獨的拋物線（xiàn）形狀。當沿海底電纜路（lù）由方向迂回測量後（hòu），在斷麵圖上找到每個拋物線（xiàn）頂點（diǎn）並連線，生成的折線即為敷設的海底電纜路由。根據淺地層剖麵（miàn）斷麵圖，量取拋物（wù）線（xiàn）頂點與海床麵的（de）高差值（zhí），此高差值與多波束係統測量所得電纜溝（gōu）深度之和即為海底電（diàn）纜的相對（duì）埋深。如（rú）圖6所示為淺地層剖麵儀探測（cè）所得的2種形態的海底電纜。

圖6 淺地層剖麵法探（tàn）測的裸露海底電纜及有埋深的海（hǎi）底電纜

二、工程應用實例

粵東某海上風電輸出海底電（diàn）纜采用2回3×1000+2×48C芯光電複合220kV電纜，直徑為262.9mm，由海上升（shēng）壓站輸送（sòng）到陸上集控中心（xīn），設（shè）計路由長度為31.5km。海底電纜（lǎn）路由敷設區域海底地形較平緩，大部（bù）分區域（yù）水（shuǐ）深介於（yú）4～18m。

海底（dǐ）電纜敷設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（dù），使犁具頭部嵌入泥土中，用高壓水槍對海底（dǐ）周圍的泥沙進行衝刷形（xíng）成海底電纜溝槽，電纜通過（guò）犁槽輸送到電纜溝槽中，船舶沿設（shè）計路徑緩慢移動航行，完成海（hǎi）底電纜的敷設工作。為檢測海底電纜敷設（shè）施（shī）工質量，采用包括多波束係統（tǒng）掃測法、側掃聲納（nà）掃測法、淺地（dì）層剖麵探測（cè）法，對敷設的海底（dǐ）電纜進行埋深（shēn）及路由檢測。投入設備及精度指標見表（biǎo）2所列。

表（biǎo）2 使用的主要設備（bèi）及精度指標（biāo）

測線布設：多波束及側掃聲呐掃測測線沿海（hǎi）底電纜（lǎn）路由布設，在路由左右兩側10m、25m布設平行（háng）測線；淺地層剖麵儀探測測線垂直設計的海底電纜路由布設，路由往兩側各延伸50m，按（àn）25m的間隔布設平行測線。

⒈海底電（diàn）纜路徑的確定

采用多波束係（xì）統確定海底電纜路徑。3種檢測方式中，定位精度最高的為多波束係統，采用PPK後處理差分模式解算（suàn）定位，平麵精度可達8mm，多波束點雲數據十分密集，生成的0.01m×0.01m格（gé）網三維模型，可（kě）以很好地分辨出海底電纜的敷設痕跡。根據檢測數據分析，海底電纜敷設痕跡隻要有（yǒu）1cm以上的高度差異，

且為連續狀態，多波束係統（tǒng）即可高（gāo）效準確（què）地判斷海底電纜敷設痕跡。本項目檢測工（gōng）作是（shì）在海底電纜敷設後馬上開（kāi）展，大部分（fèn）海纜敷設過程中衝刷的痕跡還未回填，在工（gōng）程實踐中對海底電纜路徑實現（xiàn）了高速有效的判讀（dú）識別（bié）和定位。多波束所掃側出的（de）海底電纜敷設電纜（lǎn）溝如圖7所示（shì）。

圖（tú）7 多波束係統（tǒng）掃測的海底電纜溝痕跡

⒉海底電纜埋深的探測（cè）

海底電纜敷設後，在（zài）埋（mái）深上主要表現出4種狀態（tài）；①有覆蓋（gài）物掩埋；②電纜溝未回填造成的裸露（lù）；③一部分高於海床麵（miàn），一部分位於電纜溝內（nèi）；④裸露於海床麵上。針對上（shàng）述4種海底電纜形（xíng）態敷設後的海底（dǐ）電纜埋深值，采用3種探測技術方法綜合分析。

⑴對（duì）於有覆蓋物掩埋（mái）的海底電纜，采用淺地（dì）層（céng）剖（pōu）麵法分析海底電纜覆蓋物的厚度，獲得埋深數據，然後采用多波束掃（sǎo）測數據分析電纜敷設痕跡的深度，2種技術方法確定的（de）數據相加，即為最終（zhōng）的海底電纜埋深。

⑵裸露但（dàn）有衝刷深度（dù）的海底電（diàn）纜，裸露於衝犁電纜溝槽中或海（hǎi）床麵的海底電纜，采用多波束係統可以精確量算出電纜最終理論埋深數據。如圖8所示為4種敷（fū）設狀態的海底電纜。

圖8 4種形態的海底電纜

⒊懸空海底電纜的確定

裸露且與海底麵不接觸的電纜定義為懸空海底（dǐ）電纜，這種（zhǒng）狀態的海底電纜采用側掃聲呐（nà）法、多波束係統相互判斷和分析。根（gēn）據側掃聲呐法成像原理可（kě）知（zhī），海底電纜懸空於海底麵，側掃聲呐法掃測的懸空海底電纜（lǎn）會（huì）在聲波到達地物的另一麵產生陰影，通過量算陰影的（de）長度，可以計算分析出海底電纜相對海底麵（miàn）懸空的高度，本項目側掃聲呐法可以分辨出懸空為約0.1m的海底電纜信息，懸空海纜（lǎn）如圖9所（suǒ）示（shì）。

圖9 懸空（kōng）高度約為0.1m的海底電纜

本工程的海底電纜敷設施工檢測中（zhōng），共（gòng）完（wán）成多波束（shù）係統掃測測線261km，側掃聲呐（nà）法掃測測線318km，淺地層剖麵探（tàn）測測線261km。

利用3種檢測技術（shù）高速有效地確定了海底電纜敷設路徑，檢測（cè）結果表明，敷設路（lù）徑與設計（jì）路徑偏離值均在10m以內，符（fú）合海底電纜輸電工程施（shī）工及驗收（shōu）規範的要求（qiú）。3種檢測（cè）方法綜合檢測快速判定敷設施工過程中的裸露、懸空等異常情況（kuàng），反饋給項（xiàng）目各相關方及時消缺，達到了優質工程建設的（de）目的。

三、結語

綜合采用多波束（shù）係統（tǒng）掃測法、側掃聲納掃測法、淺地層剖麵（miàn）探（tàn）測法對海上風電（diàn）海底電纜敷設進行跟隨式檢測，能在工（gōng）程施工階段快速、準確地對敷設質量進行判定，及時發現施工缺陷與隱患，為投運（yùn）前精確消缺提供數（shù）據支撐。目前，工程應用案例的海上風電工程已一次性成功並網送電，證明3種檢測方法綜合應用對海底電纜敷設時（shí）的質量控製是行之有效的。當前（qián）國內海（hǎi）上風（fēng）電建設已進入（rù）高潮期，聲（shēng）學檢測（cè）作為一種成熟、可靠（kào）的質量檢測手段，將在海上風電工（gōng）程建設質量控製中（zhōng）得到更廣泛應用。

來源：溪流之海洋人（rén）生