海底电缆精准抛石保护施工关键技术研究

蒋 上，马 凌，芦 海，赵亚栋，赵四新

(1.中国电力工程顾问集团有限公司，北京 100120；2.海南联网二回项目管理有限公司，海南 海口 570100；3.江苏天辰海洋工程技术股份有限公司，江苏 南京 210019 )

0 引言

随着我国海洋战略的不断深入和技术装备水平的持续提升，海洋能源产业近年来得到了蓬勃发展。抛石保护作为海底电缆、海底管线与海上平台基础的最主要保护方式之一，在保障能源开发与输送中发挥着重要作用，其应用前景广阔。

抛石保护是指将一定粒径、密度与级配的碎石抛设于目标范围海床上，该工艺可用于保护海缆、管道等水下设施可能受到的拖锚和落物的冲击，同时能够限制海底管缆的屈曲位移，并可预防水流对结构物附近海床土壤的冲刷。对于海底管缆在复杂的海床地质条件下形成的悬空段，抛石还可用于管缆下方坑道的有效填充与结构支撑，减少海流作用下的结构疲劳损伤与摩擦破坏[1-2]。

近年来，针对深水区、精细化抛石保护技术的应用需求逐步提升，对堆石结构的防护效果也提出更高的要求。目前，抛石体防护性能已涵盖抛石防护抗冲击能力、结构稳定性、施工中的水下结构安全性，以及抛石体的冲刷抑制能力等诸多方面，但目前国内尚无成熟的抛石保护设计标准和施工工艺指导细则[3-4]。长期以来，国内海底管线、电缆、平台设计主要聚焦于工程本体设计，对于精准抛石保护的关键技术没有进行深入研究，这导致实际工程应用粗放，抛石工艺与抛石体性能存在不确定性[5]，并进一步阻碍了海上工程的建设和技术的进步。因此，深入研究海洋工程精准抛石保护技术具有重要意义和工程实践价值。

本文结合国家重点项目“海南电网二回联网工程”子课题“海底电缆抛石保护工程”已有研究及应用成果，对抛石保护施工设备、精准抛石保护施工过程、检测关键技术进行总结和分析，提炼出工艺技术关键点。

1 抛石保护施工关键设备

抛石保护施工关键设备包含了抛石船、石料装载装置(抓斗和传送带)、石料抛放装置、检测设备等，其中石料装载装置(抓斗和传送带)、石料抛放装置、检测设备均集成于抛石船，如图1 所示。抛石船包含了装卸石料、运输系统、操控系统等组成部分。

图1 抛石船组成图

抛石船主要包括如下部分：

1)船体及船舱操控系统。包含船体结构、操作室、生活区等组成部分。

2)石料装填及运输系统。包含石料堆放区域、挖斗机、落石管堆放区、传送带、中央缓冲料斗等组成部分。

3)抛石系统。包含落石管、遥控无人潜水器(remote operated vehicle，ROV)系统、多波束声呐(multi beam sonar system，MBM)系统等组成部分。

2 精准抛石保护施工过程

海底电缆抛石要求在精确定位海底电缆的同时实时监测海底抛石截面，石料不能损坏海底电缆。根据上述要求，施工工艺需要采用精准导管抛石方式，将符合控制标准石料通过落管精准输送至抛石指定位置海床[6]，完成检测后进行施工。

2.1 石料控制标准

石料控制标准包括了石料选择和供应、石料运输及存储、石料检验三个方面。

1)石料选择和供应。施工单位需根据设计单位出具的石料材质及级配要求，结合项目进行施工总体规划，确定石料开采地点。对石料运输时长、供应量进行综合分析，包括石料装车、陆上运输、码头装船卸车、水上运输等环节。为保证石料运输过程中船舶稳定性，石料每次运输量取运输船满载量的60%。

2)石料运输及存储要求。采取相应措施使石料在运输及存储过程中保证清洁。

3)石料检验。对原材料进行抽样检测，检测结果应及时上报审批，审批通过后，原材料方可使用。

2.2 抛石检测

抛石保护施工前使用多波束对海缆进行扫测，校验悬空、裸露情况；抛石过程中配合底流监测、二维成像声呐、三维实时声呐监测等设备对抛石的效果进行实时的监控检测；抛石后对海缆悬空、裸露段修复效果进行查验[7]。具体控制措施详见3.5 节。

2.3 抛石方式

海底电缆抛石保护工程中为控制精度，应采用导管抛石方式，如图2 所示。

图2 抛石船落管系统示意图

“海南电网二回联网工程”子课题“海底电缆抛石保护工程”中落管材质为钢制，单根长8 m，直径600 mm，利用法兰连接。落管长度根据水深确定，实际施工过程中，施工船会根据测深仪数据加长或缩短落管，当水深低于落管长度整数倍时采用倾斜抛石落管的方式，确保落管底部与电缆保持5 m 以上的安全距离。

施工船选择作业区域外点位进行试抛，根据抛放试验数据，计划段落长度、船舶移动速度、段落抛放时间和最小覆盖使用量，控制段落内抛放数量大于设计最低数量均匀抛放。试验完毕后施工船前往施工区域开始进行抛石作业，对裸露与悬空部分有区分地进行碎石抛放检测。

2.4 施工方案

施工前应对海底电缆路由进行精确勘察，确定需要抛石的区段及海床地形。根据抛石位置水深以及海缆形态进行作业区域划分，然后针对不同作业区域灵活调整施工方案。

2.4.1 常规抛石保护施工方案

海底电缆铺设完毕后，正常为裸露状态，针对这种海缆形态，施工方案如下：对于裸露部分的电缆保护采用原有的抛石坝设计，抛石坝形状示意图如图3 所示。其中梯形断面上底宽1 m，坝顶距电缆顶部高1 m，斜坡比1∶3；内层初步保护层(相对于电缆顶部净高)层高0.5 m，底宽2.0 m；抛石保护施工前需进行埋前探测，找准海缆坐标，并确认海缆现状为悬空或裸露后方可进行抛石保护施工。

图3 堆石坝设计方案

2.4.2 特殊场景(悬空)抛石保护施工方案

海底电缆铺设过程中，由于部分区域的海床地形起伏，可能会导致部分海缆悬空。如果抛填不及时或抛填后长时间冲刷，可能会导致较长段落海缆悬空。本研究依据琼州海峡水深情况及海缆埋设检测图形，从经济性角度确定，海缆悬空段长度以30m 作为分界点，采用不同施工方案。

1)对于悬空段长度小于30 m 的区段，首先用小石块(2.5 ～5 cm)将海缆包裹住，并高于海缆上方约0.3 m。再将大石块(5 ～20 cm)抛覆于小石块上方，厚度约0.8 m。以抵抗洋流作用，增加抛石坝使用寿命。建议堤坝坡脚处护底石块尺寸较外层增大20%～30%，以抵抗洋流冲刷。抛石坝形状示意图如图4 所示。

图4 抛石坝体横断面示意图(适用于悬空段小于30 m)

2)对于悬空段长度大于30 m 的区段，首先在悬空段中部建立支点，随后再进行抛石修复。考虑到在建立悬空段中点的支撑时，海缆受力尚未得到改善，因此该处抛石以5 ～20 cm大石块抛填成基座，然后在基座中间的凹槽上方抛放2.5 ～5 cm 小石块。对悬空段中点处临时支撑点进行施工时，先抛5 ～20 cm 石块，坝体高度约为现状海缆所在高度。中部支点建立完毕后，其他区段在电缆两侧抛放大石块(5 ～20 cm)，考虑到导管抛石精度约2 m，再考虑2 m 的安全裕度，大石块抛石点距离海缆水平距离不小于4 m，形成抛石坝两侧“基座”，用上述两层石块垫高海床，形成中间低两边高的“凹槽”。抛石过程中及时抛放和监测，以控制坝体质量。采用小石块(2.5 ～5 cm)从电缆侧面2 m 左右抛石至海缆上方齐平，并继续补抛一部分5 cm小石块至海缆上方约0.3～0.5 m，一方面可以起到一定防外力破坏的作用，一方面可以减轻海流对缆的影响。在外层抛放大石块(5 ～20 cm)，高于电缆高度1 m。堤坝坡脚处护底石块尺寸较外层增大20%～30%，以抵抗洋流冲刷[8-9]，如图5 所示。

图5 抛石坝体横断面示意图(适用于悬空段大于30 m)

2.5 小结

1)选择石料需满足设计方提出的材质和级别要求，对石料运输时长、供应量进行综合分析，确保石料供应满足海上施工需求。石料运输及存储过程中，需保证石料的清洁。

2)严格做好抛石作业全过程施工监测。抛石保护施工前使用多波束对海缆进行扫测，校验悬空、裸露情况；抛石过程中配合底流监测、二维成像声呐、三维实时声呐监测等设备对抛石的效果进行实时监控检测；抛石后对实际抛放截面效果进行查验。

3)施工工艺宜采用导管抛石方式，将石料通过落管输送至抛石指定位置海床。

4)海底电缆铺设完毕后，正常为裸露状态。由于部分区域海床地形起伏，可能会导致部分海缆悬空。如果抛填不及时或抛填后长时间冲刷，可能会导致较长段落海缆悬空。应根据施工前扫测的海缆不同的形态，调整、确定合适的施工方案。

3 抛石保护施工检测

3.1 检测技术

抛石作业的检测包含了抛石前检测、抛石中检测和抛石后检测。检测过程主要通过落石管末端的ROV 上搭载的专用装置实现数据的采集，ROV 装置由多种先进的检测设备组成，包括：导航仪、测深仪、数字地形模型 (digital trunk module，DTM)系统、测高仪、MBM、扫描传感器、水下摄像设备和水下照明设备,可实现海管或海缆定位、数据采集的功能。

施工中，ROV 采集到的数据即时传回操作平台计算机处理，通过Terramodel 软件制图，每5 m提交一个抛石截面图，在该图中详细描述了海管位置、海底地形原始状态、内外层抛石设计剖面和实际剖面等，如图6 所示。当石料的实际抛放剖面全部覆盖设计抛放剖面，则视为抛石合格。

图6 多波束检测成像示例

3.2 检测设备

抛石作业的检测设备主要包含了多波束测深系统、侧扫声呐系统、单波束测深仪、全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)、星站差分、声速剖面仪、表面声速仪、船舶定位系统(position and orientation systems for marine vessels，POS MV)、无人机等。

3.3 检测方法

抛石保护施工检测方法主要分为多波束测深技术及侧扫声呐技术，分别适用于海底海缆悬空段、裸露段检测[10]。

3.3.1 悬空段检测

利用船载多波束测深系统沿着海缆走向进行扫侧，以使尽可能多的波束点探测到悬空的海缆，综合对比解释识别处悬空的海缆，海缆与海床距离大于0.1 m 视为悬空，对于海缆的空间三维特征可以在多波束数据处理软件中进行量取。最终统计海缆悬空情况，各悬空段范围、悬空长度、最大悬空高度，首位坐标并对附近地形地貌进行描述，同时截取细节照片。

3.3.2 裸露段检测

利用船载侧扫声呐系统沿着海缆走向进行扫侧，以使尽可能多的波束点探测到裸露的海缆，再结合多波束的海底地形数据进行综合对比解释识别处裸露的海缆，海缆与海床贴合并无覆盖物则视为裸露。对于海缆的空间三维特征可以在多波束及侧扫数据处理软件中进行量取。最终统计海缆裸露情况、各裸露段范围、首位坐标并对附近地形地貌进行描述，同时截取细节照片。

3.4 检测步骤

操作中，根据多波束测量数据及超短基线定位(ultra-short baseline，USBL) 数据，配合使用三维声呐及多波束检测手段进行电缆位置定位探测。指挥动力定位(dynamic positioning，DP)驳船调整落管管口与水下电缆相对位置，引导DP 驳船精确定位。 根据电缆的状态，分为裸露和悬空两种情况。

1)裸露。裸露段相比悬空来说施工成果较易明确，只需碎石覆盖海缆，依据多波束检测记录即可，测量员实时观测处理多波束数据，依据检测结果引导石料抛放。

2)悬空。悬空段海缆在海流作用下产生振动，铅护套和铠装等金属材料存在疲劳损伤风险，长期作用下，可能导致海底电缆失去铅护套的径向阻水保护和铠装的机械保护，造成海缆出现开裂、进水、击穿等故障，故悬空段的保护极其重要。多波束检测完成后，使用三维实时成像观测悬空处抛石过程，随船调整观测位置，保证悬空处抛石效果。随后水深观察人员使用水深测量设备关注水深变化情况，缓慢靠近施工就位点。船舶就位后根据施工水域流向，调整艏向和船位。

3.5 检测控制措施

1)控制点应选在通视良好、交通方便、地基稳定且能长期保存的地方。埋点位置要求地势开阔，且要避开高度角15°以上的障碍；

2)控制测量的时候脚架需牢固架设，防止海风吹倒；

3)观测时间把控好，单个时段不少于5 h，且需要观测2 个时段；

4)测量船作业过程中，速度不超过5 节，时刻提醒舵手注意海峡中的渔网，防止触礁、搁浅等，防止刮坏多波束探头；

5)在数据采集时按测距极坐标法，本着“所见即所测、所见即所得”的原则，地形、地貌、地物采用固定的地物编码和测图号记录；

6)导航定位航迹与设计测线偏离距离不得大于测线间距的20 m，如航迹偏离大于20 m 时，重新上线进行测量。

7)检测过程中，选用标准差分数据，导航定位系统通过同步触发器(定标器)分别与多波束实现同步定位，定位标线间隔为50 m。定位过程中，所有定位数据均采用计算机自动记录存盘、打印。

8)水深测量期间，若发现水深变化异常，结合旁扫声呐作业作出明确的判断解释。测量船速保持不大于5 节。

9)对实时采集的多波束资料进行数据编辑，剔除假信息、恢复、保留真实信息，得到高精度的水深值。

10)多波束测深过程中或测深结束后，对主测深线进行检查。检查测深线宜垂直于主测深线均匀布设，检查测深线总长不少于测深线总长的2%。检查测深线采用单波束或多波束测深系统进行测量；检查测深线与主测深线相交处，成像图上1 mm 范围内水深点的深度检查较差的限差，不应超过表1 的规定。

表1 深度检查较差的限差

11)所有检测项目数据必须统一使用同一坐标原点；在已有运维坐标数据基础上，进行海底地形图测绘和电缆裸露、悬空检测。在已有运维坐标数据基础上，对海缆路由坐标进行实测定位。

3.6 小结

1)抛石保护施工应严格开展抛石前检测、抛石中检测和抛石后检测。通过检测，可以探测海缆裸露情况、海缆悬空情况、控制测量、水深测量图和地形图等。

2)抛石保护施工检测精度主要依赖多波束设备、声呐等设备的精度，施工过程中应严格按照操作手册进行施工，以控制检测精度满足施工需求。目前国内外施工检测技术精度均能够满足抛石保护施工精度控制要求，国内外差别不大。

4 结语

本文结合“海南电网二回联网工程”子课题“海底电缆抛石保护工程”，研究了海底电缆抛石保护施工中的关键技术。重点关注石料运输、导管抛石及抛石检测等关键工艺。应选择满足设计方要求的材质、级配的石料，对石料运输时长、供应量进行综合分析，确保石料供应满足海上施工需求；石料运输及存储过程中，保证石料的清洁；应严格做好抛石作业施工前、施工中、施工后监测；采用精准导管抛石是行业和国际上公认的成熟方式，是规模化作业的首选方案；应针对海缆不同形态的情况(悬空或裸露)采取合适的施工方案。应重视检测技术在抛石保护施工中的应用，严格控制施工检测技术精度，适时发展施工检测设备和技术以适应未来海洋工程的需求。