海上風電場海底電纜敷設路徑及埋深綜合檢測

近年來，國內(nèi)海上風電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，海上風電進入建設高峰期，以廣東省為例，到2030年，建成投產(chǎn)海上風電裝機容量將達到3000萬kW。海底電纜是海上風電場傳輸電能的重要組成部分，它的安全運行關系到海上風電電力系統(tǒng)，對海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用。冀大雄等從宏觀層面的檢測手段和微觀層面的檢測技術2個角度，對國內(nèi)外海底電纜檢測方法的發(fā)展現(xiàn)狀進行歸納和分析，梳理了目前海底電纜檢測方法存在的問題，指出了未來發(fā)展趨勢。當前，海底電纜的檢測和監(jiān)測工作多集中于敷設施工投產(chǎn)后的運行階段，但作為海上風電建設關鍵環(huán)節(jié)的海底電纜敷設施工，目前國內(nèi)缺乏相應的質(zhì)量檢測和驗收規(guī)范。本文主要研究在海底電纜施工過程中，綜合采用側掃聲吶、多波束測深儀、淺地層剖面儀等聲學檢測手段對敷設質(zhì)量進行施工后埋深及路徑檢測，在投運前及時消除存在的缺陷和隱患，降低后期運維成本，為海上風電場安全運營提供保障。

一、檢測技術方法

海底電纜路徑及埋深檢測，主要采用3種技術手段：多波束系統(tǒng)掃測、側掃聲吶掃測、淺地層剖面探測，3種檢測方法各有優(yōu)缺點，相互間能很好地起到彌補、佐證作用，為分析敷設后的海底電纜埋深及路徑時提供了充分數(shù)據(jù)依據(jù)，避免了分析片面而產(chǎn)生錯誤的結論。3種檢測方法的優(yōu)缺點對比見表1所列。  

表1 各種檢測方法優(yōu)缺點

根據(jù)各種技術的優(yōu)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(zhì)量。有沖埋痕跡、裸露、懸空的海底電纜路由，可用多波束儀準確定位海底電纜路徑；對于裸露、懸空的海底電纜，可用側掃聲吶確定位置及懸空高度；對于有泥沙覆蓋的海底電纜，淺地層剖面可以探測到覆蓋層厚度，多波束系統(tǒng)可以掃測敷設過程中的電纜溝深度，兩者相加即為最終的電纜理論埋深。3種技術手段相輔相成，在海底電纜敷設檢測過程中綜合獲取數(shù)據(jù)，確保全面、合理分析海底電纜敷設施工質(zhì)量。

⒈多波束系統(tǒng)

多波束系統(tǒng)包括3個子系統(tǒng)：①多波束聲學子系統(tǒng)，包括多波束發(fā)射、接收換能器陣、多波束信號控制處理電子柜；②波束空間位置傳感器子系統(tǒng)，包括電羅經(jīng)、運動傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、表面聲速計、SVP聲速剖面儀。③數(shù)據(jù)采集、處理子系統(tǒng)，包括多波束實時采集、后處理計算機及相關軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出、儲存設備。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 多波束系統(tǒng)組成

多波束探頭的發(fā)射單元每秒可以發(fā)射將近20～50次脈沖，每次生成512個波束，一秒內(nèi)可獲得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析海底電纜裸露、敷設痕跡等信息。如圖2所示為多波束系統(tǒng)掃測的電纜溝深度及裸露的海底電纜。

圖2 多波束系統(tǒng)掃測的電纜溝及裸露的海底電纜

⒉側掃聲吶

側掃聲吶是利用回聲探測原理探測海底地貌和水下物體的設備。側掃聲吶換能器陣在走航時向兩側下方發(fā)射扇形波束的聲脈沖，并接收海底表面或水下物體對入射聲波的反向散射信號來探測海底地貌和水下物體。側掃聲吶工作原理如圖3所示。

圖3 側掃聲吶作業(yè)示意圖

側掃聲吶在海底電纜敷設檢測中可根據(jù)聲像清晰地辨識裸露及懸空的海底電纜。在側掃聲吶圖像中，裸露海底的海底電纜比較容易探測和識別。對于平坦海底面上的海底電纜，依據(jù)聲吶記錄上的海底電纜聲影區(qū)與海底電纜影像尺寸和懸空段產(chǎn)生的遮擋陰影，能夠計算出管道的裸露或懸跨高度。當海底電纜平鋪于海底面時，突出的海底電纜由于較強的散射在聲吶圖像上呈明顯的亮條狀，由于電纜的遮擋，電纜后方在聲圖上形成陰影區(qū)。對于懸空海底電纜，其下方的海底面也能夠對聲吶信號進行散射，但由于其反射信號晚于海底電纜反射信號到達聲吶接收端，形成的聲像位于海底電纜亮條的后方，這樣海底電纜遮擋形成的聲影區(qū)與電纜聲像會間隔一定距離。裸露及懸空海底電纜側掃影像如圖4所示。

圖4 測掃聲吶掃測的裸露及懸空海底電纜

⒊淺地層剖面儀

淺地層剖面探測是一種基于水聲學原理的連續(xù)走航式探測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規(guī)律對海底沉積物結構和構造進行連續(xù)探測，從而獲得較為直觀的海底淺部地層結構剖面。淺地層剖面儀工作原理如圖5所示。

圖5 淺地層剖面儀工作原理

淺地層剖面儀辨識并確定海底電纜埋深的方法是：當海底電纜敷設于海底泥面以下時，由于其結構和周圍介質(zhì)的性質(zhì)相差很大，探測時淺剖儀在海底電纜上方正交經(jīng)過，海底電纜在斷面圖上表現(xiàn)為單獨的拋物線形狀。當沿海底電纜路由方向迂回測量后，在斷面圖上找到每個拋物線頂點并連線，生成的折線即為敷設的海底電纜路由。根據(jù)淺地層剖面斷面圖，量取拋物線頂點與海床面的高差值，此高差值與多波束系統(tǒng)測量所得電纜溝深度之和即為海底電纜的相對埋深。如圖6所示為淺地層剖面儀探測所得的2種形態(tài)的海底電纜。

圖6 淺地層剖面法探測的裸露海底電纜及有埋深的海底電纜

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芯光電復合220kV電纜，直徑為262.9mm，由海上升壓站輸送到陸上集控中心，設計路由長度為31.5km。海底電纜路由敷設區(qū)域海底地形較平緩，大部分區(qū)域水深介于4～18m。

海底電纜敷設作業(yè)采取敷埋同步方式，通過操作控制敷設犁具犁把的深度，使犁具頭部嵌入泥土中，用高壓水槍對海底周圍的泥沙進行沖刷形成海底電纜溝槽，電纜通過犁槽輸送到電纜溝槽中，船舶沿設計路徑緩慢移動航行，完成海底電纜的敷設工作。為檢測海底電纜敷設施工質(zhì)量，采用包括多波束系統(tǒng)掃測法、側掃聲納掃測法、淺地層剖面探測法，對敷設的海底電纜進行埋深及路由檢測。投入設備及精度指標見表2所列。

表2 使用的主要設備及精度指標

測線布設：多波束及側掃聲吶掃測測線沿海底電纜路由布設，在路由左右兩側10m、25m布設平行測線；淺地層剖面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25m的間隔布設平行測線。

⒈海底電纜路徑的確定

采用多波束系統(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系統(tǒng)，采用PPK后處理差分模式解算定位，平面精度可達8mm，多波束點云數(shù)據(jù)十分密集，生成的0.01m×0.01m格網(wǎng)三維模型，可以很好地分辨出海底電纜的敷設痕跡。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析，海底電纜敷設痕跡只要有1cm以上的高度差異，

且為連續(xù)狀態(tài)，多波束系統(tǒng)即可高效準確地判斷海底電纜敷設痕跡。本項目檢測工作是在海底電纜敷設后馬上開展，大部分海纜敷設過程中沖刷的痕跡還未回填，在工程實踐中對海底電纜路徑實現(xiàn)了高速有效的判讀識別和定位。多波束所掃側出的海底電纜敷設電纜溝如圖7所示。

圖7 多波束系統(tǒng)掃測的海底電纜溝痕跡

⒉海底電纜埋深的探測

海底電纜敷設后，在埋深上主要表現(xiàn)出4種狀態(tài)；①有覆蓋物掩埋；②電纜溝未回填造成的裸露；③一部分高于海床面，一部分位于電纜溝內(nèi)；④裸露于海床面上。針對上述4種海底電纜形態(tài)敷設后的海底電纜埋深值，采用3種探測技術方法綜合分析。

⑴對于有覆蓋物掩埋的海底電纜，采用淺地層剖面法分析海底電纜覆蓋物的厚度，獲得埋深數(shù)據(jù)，然后采用多波束掃測數(shù)據(jù)分析電纜敷設痕跡的深度，2種技術方法確定的數(shù)據(jù)相加，即為最終的海底電纜埋深。

⑵裸露但有沖刷深度的海底電纜，裸露于沖犁電纜溝槽中或海床面的海底電纜，采用多波束系統(tǒng)可以精確量算出電纜最終理論埋深數(shù)據(jù)。如圖8所示為4種敷設狀態(tài)的海底電纜。

圖8 4種形態(tài)的海底電纜

⒊懸空海底電纜的確定

裸露且與海底面不接觸的電纜定義為懸空海底電纜，這種狀態(tài)的海底電纜采用側掃聲吶法、多波束系統(tǒng)相互判斷和分析。根據(jù)側掃聲吶法成像原理可知，海底電纜懸空于海底面，側掃聲吶法掃測的懸空海底電纜會在聲波到達地物的另一面產(chǎn)生陰影，通過量算陰影的長度，可以計算分析出海底電纜相對海底面懸空的高度，本項目側掃聲吶法可以分辨出懸空為約0.1m的海底電纜信息，懸空海纜如圖9所示。

圖9 懸空高度約為0.1m的海底電纜

本工程的海底電纜敷設施工檢測中，共完成多波束系統(tǒng)掃測測線261km，側掃聲吶法掃測測線318km，淺地層剖面探測測線261km。

利用3種檢測技術高速有效地確定了海底電纜敷設路徑，檢測結果表明，敷設路徑與設計路徑偏離值均在10m以內(nèi)，符合海底電纜輸電工程施工及驗收規(guī)范的要求。3種檢測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，反饋給項目各相關方及時消缺，達到了優(yōu)質(zhì)工程建設的目的。

三、結語

綜合采用多波束系統(tǒng)掃測法、側掃聲納掃測法、淺地層剖面探測法對海上風電海底電纜敷設進行跟隨式檢測，能在工程施工階段快速、準確地對敷設質(zhì)量進行判定，及時發(fā)現(xiàn)施工缺陷與隱患，為投運前精確消缺提供數(shù)據(jù)支撐。目前，工程應用案例的海上風電工程已一次性成功并網(wǎng)送電，證明3種檢測方法綜合應用對海底電纜敷設時的質(zhì)量控制是行之有效的。當前國內(nèi)海上風電建設已進入高潮期，聲學檢測作為一種成熟、可靠的質(zhì)量檢測手段，將在海上風電工程建設質(zhì)量控制中得到更廣泛應用。