一种新型海底电缆防冲刷保护装置的设计

岑贞锦 吴聪 张维佳 蔡驰 陈奕钪

摘    要：随着海洋可再生能源开发和海岛开发进程加快，海底电缆所扮演的角色日趋重要。本文分析了各种防冲刷保护方式的优缺点，提出了一种新型海底电缆防冲刷保护装置。这种由支撑和挡板组成的机械式装置，采用双层挡板结构，可以分层级削减海底电缆路由上方的海流，可直接放置于海底电缆路由正上方，且不会对海底电缆形成压迫。本防冲刷保护装置能够改变流场，有效降低电缆所处位置的流速，且利于泥沙沉降淤积。这种新型防冲刷装置能够加强流速大、地形变化大的海域海底电缆防护能力，对于海底电缆敷设保护以及后期防护治理具有重要的工程应用意义。

关键词：机械式装置;防冲刷保护;海底电缆

中图分类号：P754， TM757.4                   文献标识码：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

隨着海洋可再生能源开发和海岛经济开发进程加快，海底电缆作为海岛间、海岛与大陆间、海上发电场与大陆间输送电的重要载体，其扮演的角色日趋重要，如何加强海底电缆运行安全成为热点问题。

海底电缆敷设在海床上，不仅受到波浪、流等水动力作用，还受到船舶抛锚、捕鱼拖网等外力作用，其受到破坏的风险剧增。海床运动、波流冲刷和第三方活动是海底电缆受到破坏的主要因素[1]～[3]。

现有海底电缆常采用挖沟冲埋、抛石以及套管这三种保护措施[4]。近年来，世界上海底电缆建设总长度超过14 000 km，主要集中在欧洲地区，我国海底电缆的建设长度也在快速增长，典型代表是跨越琼州海峡的500 kV海南联网工程海底电缆[5]。

海南联网工程电缆路由区大部分处于冲刷状态，电缆埋深整体变浅，电缆发生裸露/悬空的风险增大[6]。海底电缆敷设在海流流速大、地形变化复杂的海区，冲埋、抛石等常用的保护方式不能满足电缆全线保护。

本文分析了各防冲刷保护方式的优缺点，针对海流流速大、地形变化复杂的海域，提出了一种新型海底电缆防冲刷保护机械式装置，它能够应用于海底电缆敷设保护及后期裸露悬空段防护治理的情况。

2   现有海底电缆防冲刷保护方法

由于海底电缆所处的海洋环境及地质条件非常复杂，海底电缆在铺设于海床上后，由于种种原因不可避免的会出现悬跨现象，在海流的冲刷作用下发生破坏，这种现象严重威胁电网的安全运行。因此，采取合适的海底电缆保护措施，对于确保海底电缆服役期间的安全运行尤为重要。当前，国内外海底电缆悬跨防治和维护措施有很多种，主要包括：水下支撑法、机械支架法、抛田砾石法、重物压载法、人工海草法、后挖沟法、桩支撑法等。

（1）水下支撑法

在悬空段设置支撑支架，以减少海底电缆的振动，它可以防止悬空电缆由于涡激振动引起的海缆断裂。常用的方法是采用沙袋进行支撑作业，但这种方法需每年进行检查补充，且施工方式多采用ROV进行处理，但ROV摆放沙袋无法保证紧密的支撑接触，且无法限制电缆侧向移动。

（2）挖沟法

挖沟法将悬跨电缆掩埋在稳定的海床层面中，通过人工或自然力量进行沟渠回填。对于运行中的海底海缆，建议采用非接触式水力喷射挖沟机。其主要工作流程如下：挖沟机就位在海底电缆上方2 m左右，开启挖沟机，高压水喷击电缆底部的泥土，形成电缆沟渠;绞动工作船的牵引锚泊系统，带动挖沟机前进;电缆悬跨一定距离后，在自重作用下沉入沟底;利用水流作用，电缆沟渠自动回淤至海床的初始状态。

（3）锚桩支撑法

对于那些容易产生较大塌陷滑坡或冲蚀的海床，尤其是土质较差、表面淤泥较厚且又裸置的电缆，可以采用锚桩来支撑。它是靠桩基深层土壤来承受波浪、海流作用，保持电缆稳定，以减小横向和纵向振动幅度。沿电缆两侧交叉布置水下支撑桩，间距应根据计算的最大允许悬跨长度以及对电缆实际强度分析后确定，在每一钢管桩或吸力锚桩靠近海管附近位置设有悬臂梁，悬臂梁上设有高强U型螺栓将悬跨的管段进行固定，从而减小电缆悬跨长度，达到固定海底电缆的目的。

（4）抛填砾石法

通过工作船向电缆上抛填砾石等材料，防止悬跨的恶化和旋涡冲刷，这种方法还可以抑制现有悬跨段的摆动。如果海底悬跨段不是很高（0.5～1.5 m），采用该方法可以保护好悬跨段;如果海床的承载能力不足以支撑倾倒材料，则该方法不可取。

（5）重物压载法

在海床相对比较稳定的深水中，混凝土或沥青压块更适合用来保护管线悬跨段。如果悬跨段较长且悬跨高度较低，则在电缆可承受的应力范围内，利用压块给管线加压力使之贴近海底。

（6）人工海草法

几个世纪以来，人们利用种草来将沙丘和流沙固定下来，将这个原理的适用范围延伸到海底，即将人工海草安装在配重的网垫上，通过潜水员将其锚固在海底电缆两侧，利用它来减缓電缆附近的局部流速和湍流，从而不仅阻止了侵蚀作用，还使得人工海草之间的沙质沉积物不断堆积下来，达到回淤的效果。

3   现有海底电缆防冲刷保护方法的比较

对于海底电缆冲刷保护方法的选择，除了分析产生悬跨的原因外，水深也是起决定作用的因素之一，必须充分考虑水深条件。有些方法适合由ROV进行安装，还有些方法可由潜水员来操作完成。当然，保护方法以及安装程序的选取要充分考虑其经济性，尽可能的降低成本。现有各种防冲刷保护方法的比较，见表1。

4   一种新型海底电缆防冲刷保护装置

目前海底电缆工程主要采用了冲埋和抛石两种保护方式，在玄武岩等无法开槽的区段则采用铸铁套管。但是，有些如海南联网500 kV海底电缆，其电缆路由区具有水流流速大、地形复杂、具有大坡度陡坡等地形变化大等特点，其冲埋段的埋深在整体变浅、裸露/悬空长度在逐渐增加、抛石段出现堆石坝坝型散乱、坝体厚度变浅。因此，采用冲埋和抛石这两种方式均不能满足电缆路由区的防冲刷需求。

对比现有的海底电缆防冲刷设施，对于大流速的海域，重物压盖方法在实际应用中具有较好的效果。但重物压盖方法改变了海床的基本形态，对海洋环境影响较大。为此，为尽量减少对海床形态的影响，本文提出了一种新型海底电缆防冲刷保护装置，如图1所示。

本防冲刷保护装置是由支撑和挡板组成的机械式装置：采用双层挡板结构，可以分层级削减海底电缆路由上方的海流;可直接放置于海底电缆路由正上方，且不会对海底电缆形成压迫。其中，包括呈人字形设置的外层挡板和内层挡板;内层挡板与外层挡板在顶部连接，且内层挡板的夹角小于外层挡板的夹角;外层挡板的两个挡板上均设有矩阵分布的第一网格孔，内层挡板的两个挡板的上半部均设有一排第二网格孔。

通过设计合理的形状参数，新型防冲刷装置能够改变流场，有效降低电缆所处位置的流速，且利于泥沙堆积。相比于传统的重物压盖方法，本防冲刷保护装置具有以下优点：

（1）采用金属材料，比重大、体积小;

（2）采用支撑框架结构以及挡板三角形态，保证装置在流的作用下受到的作用力更小，拥有更好的水动力性能;

（3）支撑采用线支撑而非面支撑，且顶部为合页装置，对于海床变化的适应能力大幅提升，减小对海床原始状态的影响;

（4）有利于泥沙沉降淤积，保证电缆的稳定性;

（5）对于海底电缆保护的适用性和可设计性高：可采用混凝土材料或采用钢材材料;可与仿生水草、抛石等其他保护方式配合，增强电缆路由防冲刷能力。

5   总结

本文总结了各种传统防冲刷保护方法的优缺点，针对大流速冲刷作用，提出了一种新型海底电缆防冲刷保护装置。它是一种由支撑和挡板组成的机械式装置：采用双层挡板结构，可以分层级削减海底电缆路由上方的海流;可直接放置于海底电缆路由正上方，且不会对海底电缆形成压迫;可改变流场有效降低电缆所处位置的流速，且利于泥沙沉降淤积。

本新型防冲刷保护装置能够加强流速大、地形变化大等海域的海底电缆防护能力，对海底电缆敷设保护以及后期防护治理具有重要的应用意义。

后续工作将采用数值模拟和现场试验等手段，优化本装置的设计参数，并评价其应用效果。

参考文献

[1]  侯涛，安国亭. 海底管道损伤的原因分析及修复[J]. 中国海洋平台， 2002， 4.

[2]  邱大洪，王永学. 21世纪海岸和近海工程的发展趋势[J]. 自然科学进展， 2000， 11.

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

[4]  王裕霜. 国内外海底电缆输电工程综述， 2012， 6（2）.

[5]  吴庆华， 陈建康， 郑伟， 李健. 中国首条500kV海底电缆线路工程的设计[J]. 电网技术， 2014， 10.

[6]  赵德平， 陈航伟. 海南联网系统500kV海底电缆路由区地形变化研究  [J]. 机电信息， 2016（24）.