摘要：海南联网工程后续抛石保护，在工程建设实践中，由于海洋工程存在的特性，施工难度大、施工设备自动化程度高、涉及技术领域广泛。建设前期进行的海缆现状调查、设计论证、试验研究，以及施工中石料的制备、工程控制等工作，对后续同类工程具有重要的借鉴意义。工程中采用的落石管技术、ROV检测装置均代表了世界海洋工程技术发展水平，对国内海洋工程技术发展与工程测量装备研发具有参考价值。
关键词：海底电缆；抛石保护；技术论证；建设实践
500kV海底电缆工程建设中，海缆实施抛石保护的工程意义在于：在海底电缆已进行过埋深保护及其他保护措施的基础上，对不能满足设计防护要求或无法实施其他保护措施的海缆区段、海缆裸露海床部位及悬空段，实施后续抛石保护加固及工程完善化建设措施[1]。
国内外海底电缆输电工程的建设中，实施海缆后续抛石保护措施，已在各国海缆工程建设中广泛应用[2]。尤其是针对海底电缆在复杂的海床地质条件下形成的悬空段，通过实施抛石填充所形成的石料堆积体，使海底电缆运行环境得到有效改善和稳固，避免了海底电缆在海流的作用下，长期疲劳运动或与海床产生摩擦而造成海缆绝缘介质破坏。同时，海缆上部的石料堆积层也具备了一定抵御外力冲击破坏的强度。
500kV联网工程海底电缆后续保护措施，在工程实施中主要分为两个建设阶段。前期建设阶段包括海缆状态的精勘调查、设计论证、试验研究、采石场调研。施工阶段涉及石料的制备及质量控制、抛石作业、滤层（碎石层）转序验收、铠装层（块石层）断面竣工验收、工程控制等。
一、海缆抛石保护建设前期技术论证
海缆抛石保护建设范围，是通过精确勘测路由海缆现状，确认海缆每米不满足设计要求的区段和相应的海床地质形态，以及各区段精确的坐标点。对不满足设计要求的海缆区段，进行抛石保护，以获得石料层的覆盖厚度、长度的计算数据，同时计算出抛石工程量。并以此作为抛石保护的主要技术指标和工程范围。
对于采石场的调研，主要针对石种的选择开采岩面储量、生产流程、各级石料筛网的配置、检测设备、石料的污染指标等。
1.设计论证及技术要求
海缆抛石保护的设计，依据《电力工程电缆设计规范》中要求：水下电缆不得悬空于水中，浅水区埋深不宜小于0.5m，深水航道区不宜小于2m[3]。在对应规范要求的前提下，以海缆覆盖石料层做对应埋深值防护强度比较。为此，设计单位对海缆抛石设计综合考虑海缆安全和堆石体稳定性，设计的堆石体采用两层结构，内层（滤层）为1-2英寸碎石，外层（铠装层）为2-8英寸组合块石，设计方案如图1[4]。
（1）堆石层稳定重量计算。
设计中针对堆石层设计相关计算，根据工程的海流条件和界入安全系数进行初步计算，设计中选用了伊兹巴什（Isbash）公式，其数学模型，见式（1）。
式（1）
式中，WS为块石重量，K为安全系数，ρS为块石密度，g为重力加速度，V0为流速。
通过计算，设计推荐了3种海流状态下的块石密度稳定重量及安全系数，见表1。
（2）对设计论证结果的深化研究
经对海缆抛石保护工程设计论证结果分析，已基本具备了海缆抛石施工的主要技术参数。然而，由于海洋工程的特殊性，以及在各种海况条件下，石料堆积体对海缆可能造成的危害、施工落石过程中的危害、石料堆积体在海流作用下的稳定形态、石料堆积体对海缆保护的强度等，仍需进行深入量化研究。
2.海缆抛石应用试验研究成果
500kV海底电缆后续抛石保护，在设计论证中同时开展的《海底电缆抛石保护数值模拟研究》[5]、《琼州海峡海底电缆抛石稳定性研究》[6]，补充、完善了设计参数。海缆抛石保护应用试验研究，丰富了现有海底电缆规程、规范的理论依据，为同类后续工程提供了一定参考价值。
（1）数值模拟研究成果。
1）抛石作业中石块粒径对海缆的冲击力破坏。试验研究中，通过颗粒流相关理论及模型参数的确定，采用PFC2D（Particle Flow Cade in 2 Dimensions）二维颗粒流程序进行计算，并在理论上进行分析。其结论证实了设计参数中石料粒径选择的可行性和安全性。
2）石料堆积体抵御锚害的能力。选择1000kg、1500kg、2000kg重量的锚具，分别建立9种典型荷载工况，模拟在其作用下石料堆积体的力链分布及海缆的应力随时间变化的关系，并绘制相应的曲线图分析。其结论说明了抛石层与海缆埋深值的等同作用能力。
3）模型参数敏感性分析。选择石料的强度、孔隙率、摩擦系数和级配参数进行计算分析，研究各参数间在模拟状态下的变化规律。其结论修正了工程设计的相关参数。
（2）抛石稳定性研究成果。
1）物理模型试验。分别对抛石堆积体稳定性临界重量、设计断面、分段间距、石料级配、施工石块偏移量5种类别，4种海流情况，5种不同水深，进行60组模拟试验。其结论证实了设计抛石堆积体在运行中的稳定性。
2）石料堆积体计算分析。在物理模型试验的基础上，从关键控制要素与结果出发，通过拟合获得数学表达式。其中主要计算课题有：石料堆积体稳定重量、稳定尺寸、块石对海缆的冲击力、块石沉降的动力速度、块石坚向运动微分方程推导、块石水平运动方程推导、块石冲击速度与入射角度。基于计算结果丰富了海缆抛石安全性的理论依据，同时对悬空段海缆抛石尺寸确定了主要技术指标。
二、海缆抛石保护石料的制备及质量控制
500kV联网工程海缆后续抛石保护石料的制备，其技术指标依据设计论证提出的《石料技术要求》[7]。石料的理化性能检测通过国家授权检验单位在采石场充分调研的基础上，在拟开采的岩石面取样，并进行石料密度、比重、机械强度、放射性物质、污染物质的检验，最终确认开采的岩层为典型海山玄武岩结构，岩脉发育稳定、储藏量丰富。岩层的开采、生产、计量、抽样检测、储备、运输，均进行全过程严格监控，以确保储备的石料质量符合设计要求。
1.石料生产的筛选
开采的原石经破碎后，进入5级筛网筛选，其中第1级过滤超过8英寸石块并将超径石块，由输送带返回破碎机，第2级至第5级分别过滤2、4、6、8英寸石块，而后按设计级配比例掺合。石料连续级配曲线，见图2。
2.石料质量的检测
石料质量是确保海缆安全的重要因素，成品石料颗粒径大，并占比例大易造成海缆损坏，颗粒径小比例大则造成石料堆积体不稳定。为此，石料生产过程，严格按设计级配比例进行检测。石料级配及允许误差，见表2。
成品石料的检测，按设计要求每生产10000-20000吨进行一次抽检。抽样从成品石料生产中提取，并有间隔的取4个子样，每个子样2000kg。经人力进行筛选比对，当有2个子样超过级配要求范围时，即判定为不合格，全部返回生产筛网重新筛选。
三、海缆抛石保护施工建设实践
海缆抛石保护的施工建设是一项复杂的海洋工程，由于抛石作业具有明确的受限条件和施工过程隐蔽性[8]，使得施工设备自动化程度高，涉及技术领域广泛。随着国内外海洋工程技术的发展，抛石作业落石管技术、“水下机器人”ROV（Remotely Operated Vehicle）技术的应用，已逐步广泛应用于海缆抛石保护建设。500kV联网工程后续抛石保护工程建设，由Tideway（荷兰）公司施工，其抛石作业船Flintstone号为2011年最新制造的20000吨级专用抛石动态定位施工船，并装备了目前世界最先进的落石管组装模块和ROV检测设备。
1.抛石作业过程
施工船采用2套DGPS海上定位系统，依据前期精勘坐标在海缆路由定位作业点，同时启动超短基线（USBL）系统进行水下定位，并启动多普勒计程仪校准导航系统，以确认作业面的基本数据和确认安装抛石导管和ROV装置距海床的工作距离。在取得精确数据后，施工船离开作业点500m安全范围内，进行抛石导管和ROV设备安装。而后进入作业点，启动ROV系统对海缆状态、地质情况检测，根据获取的数据开始进行抛石作业。
Flintstone号施工船具备2个石料舱，可分别装载1-2、2-8英寸石料各10000吨。抛石作业时，通过船上的装载机，将1-2英寸石料放入料斗口，经输送带转入至中央缓冲料斗口，通过已安装的抛石导管对海缆作业部位进行碎石层（过滤层）精确抛石。过滤层抛石结束后，同时ROV系统采集的数据经整理分析，确认消缺项。施工船返回消缺点整改，经再次检测后出图提交驻船买方代表确认。并在24小时内进行块石层（铠装层）抛石作业，其作业过程与过滤层抛石相同。最终提交的每米抛石断面图，详细得描述了海缆位置、海床形态、过滤层形状、铠装层形态及设计控制形状等5条曲线组合数据图，经买方代表签署后即视为验收关闭。
Flintstone号施工船主要设备组成，见图3[9]。
2.抛石作业检测
抛石作业的检测，主要通过落石管末端的专用ROV装置实现数据的采集，ROV装置由多种先进设备组成，其中包括：导航仪、测深仪、声纳传感器、测高仪、旁扫声纳、扫描传感器、海缆跟踪器（TSS350）、水下摄像设备、水下照明设备。施工中ROV采集到的数据即时传回操作平台计算机处理，用于支持DTM（Digital Terrain Measurement）数据模型检测模块。
（1）检测系统。主要由3类子系统组成，其中主要功能为：海缆定位、数据采集、数据处理。而后通过Terramodel程序制图，包括原始状态、设计控制状态、抛石后状态等横剖面图和纵剖面图。
（2）抛石作业的工程控制。在抛石作业过程中，买方代表驻船开展全过程控制。主要工作程序按《500kV海底电缆后续保护买方代表实施细则》[1]中的要求进行。抛石作业中形成的主要工程控制文件有：施工过程旁站记录、施工量化信息表、工程日报、过滤层中间验收表、铠装层竣工验收表、施工进度DPR（Daily Progress Report）日报审核记录表、工程日例会纪要、施工安全（健康、环境）检查记录表、施工待命记录等9类有效工程文件。并与地面工程管理控制形成的文件，构成了后续抛石保护建设的工程控制体系。
四、结语
500kV联网工程海底电缆后续抛石保护工程，为确保海缆安全运行，减少海缆故障机率所实施的工程完善化措施，在工程建设前期开展的设计论证、试验研究等，均对后续同类工程具有重要的借鉴作用。我国超高压海底电缆输电工程，长距离、多区段实施海缆抛石保护施工尚属首次。施工过程中，海洋工程施工技术、落石管技术、ROV检测技术的应用，显示了目前国际上海洋工程发展的水平。随着我国海洋工程的开发利用，进一步开展海洋工程技术、工程设备技术、工程检测技术开发研究，将具有广泛应用空间。
参考文献：
[1]王裕霜.500kV海南联网海缆后续保护实施细则[R].海缆项目部,2010.
[2]王裕霜.世界各国区域电网互联发展趋势调研报告[Z].海缆项目部,2011.
[3]电力工程电缆设计规范[S]GB-50217,2007.
[4]中南电力设计院.500kv海南联网工程海底电缆后续保护专题报告[R].2010.
[5]陈明祥,等.海底电缆后续抛石保护数值模拟研究报告[R].武汉大学,2011.
[6]刘臻,等.琼州海峡海底电缆工程抛石稳定性研究报告[R].中国海洋大学,2011.
[7]中南电力设计院.500kv海南联网工程海缆抛石石料技术要求[R].
2011.
[8]王裕霜.500kV海底电缆浅滩铸铁套管保护实践与思考[J].南方电网技术,2011,(2).
[9]Tideway. Rock placement operations for BP-skarv project[R].the Netherlands:Tideway,2008.
（责任编辑：熊怡）