近年來，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，海上風(fēng)電進(jìn)入建設(shè)高峰期，以廣東省為例，到2030年，建成投產(chǎn)海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到3000萬kW。海底電纜是海上風(fēng)電場(chǎng)傳輸電能的重要組成部分，它的安全運(yùn)行關(guān)系到海上風(fēng)電電力系統(tǒng)，對(duì)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。冀大雄等從宏觀層面的檢測(cè)手段和微觀層面的檢測(cè)技術(shù)2個(gè)角度，對(duì)國(guó)內(nèi)外海底電纜檢測(cè)方法的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和分析，梳理了目前海底電纜檢測(cè)方法存在的問題，指出了未來發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，海底電纜的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)工作多集中于敷設(shè)施工投產(chǎn)后的運(yùn)行階段，但作為海上風(fēng)電建設(shè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的海底電纜敷設(shè)施工，目前國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)的質(zhì)量檢測(cè)和驗(yàn)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(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深儀、淺地層剖面儀等聲學(xué)檢測(cè)手段對(duì)敷設(shè)質(zhì)量進(jìn)行施工后埋深及路徑檢測(cè)，在投運(yùn)前及時(shí)消除存在的缺陷和隱患，降低后期運(yùn)維成本，為海上風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)營(yíng)提供保障。
一、檢測(cè)技術(shù)方法
海底電纜路徑及埋深檢測(cè)，主要采用3種技術(shù)手段：多波束系統(tǒng)掃測(cè)、側(cè)掃聲吶掃測(cè)、淺地層剖面探測(cè)，3種檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相互間能很好地起到彌補(bǔ)、佐證作用，為分析敷設(shè)后的海底電纜埋深及路徑時(shí)提供了充分?jǐn)?shù)據(jù)依據(jù)，避免了分析片面而產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)論。3種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1所列。
根據(jù)各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合采用以上手段，可以有效地檢測(cè)整條海底電纜的敷設(shè)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(zhǔn)確定位海底電纜路徑;對(duì)于裸露、懸空的海底電纜，可用側(cè)掃聲吶確定位置及懸空高度;對(duì)于有泥沙覆蓋的海底電纜，淺地層剖面可以探測(cè)到覆蓋層厚度，多波束系統(tǒng)可以掃測(cè)敷設(shè)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(shù)手段相輔相成，在海底電纜敷設(shè)檢測(cè)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(shè)施工質(zhì)量。
⒈多波束系統(tǒng)
多波束系統(tǒng)包括3個(gè)子系統(tǒng)：①多波束聲學(xué)子系統(tǒng)，包括多波束發(fā)射、接收換能器陣、多波束信號(hào)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(yùn)動(dòng)傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、表面聲速計(jì)、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(shí)時(shí)采集、后處理計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)顯示、輸出、儲(chǔ)存設(shè)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(gè)波束，一秒內(nèi)可獲得25600個(gè)水深點(diǎn)，點(diǎn)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(shè)痕跡等信息。如圖2所示為多波束系統(tǒng)掃測(cè)的電纜溝深度及裸露的海底電纜。
圖2 多波束系統(tǒng)掃測(cè)的電纜溝及裸露的海底電纜
⒉側(cè)掃聲吶
側(cè)掃聲吶是利用回聲探測(cè)原理探測(cè)海底地貌和水下物體的設(shè)備。側(cè)掃聲吶換能器陣在走航時(shí)向兩側(cè)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(duì)入射聲波的反向散射信號(hào)來探測(cè)海底地貌和水下物體。側(cè)掃聲吶工作原理如圖3所示。
圖3 側(cè)掃聲吶作業(yè)示意圖
側(cè)掃聲吶在海底電纜敷設(shè)檢測(cè)中可根據(jù)聲像清晰地辨識(shí)裸露及懸空的海底電纜。在側(cè)掃聲吶圖像中，裸露海底的海底電纜比較容易探測(cè)和識(shí)別。對(duì)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(jì)算出管道的裸露或懸跨高度。當(dāng)海底電纜平鋪于海底面時(shí)，突出的海底電纜由于較強(qiáng)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(duì)于懸空海底電纜，其下方的海底面也能夠?qū)β晠刃盘?hào)進(jìn)行散射，但由于其反射信號(hào)晚于海底電纜反射信號(hào)到達(dá)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(huì)間隔一定距離。裸露及懸空海底電纜側(cè)掃影像如圖4所示。
圖4 測(cè)掃聲吶掃測(cè)的裸露及懸空海底電纜
⒊淺地層剖面儀
淺地層剖面探測(cè)是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)海底淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)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(duì)海底沉積物結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進(jìn)行連續(xù)探測(cè)，從而獲得較為直觀的海底淺部地層結(jié)構(gòu)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(shí)并確定海底電纜埋深的方法是：當(dāng)海底電纜敷設(shè)于海底泥面以下時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)和周圍介質(zhì)的性質(zhì)相差很大，探測(cè)時(shí)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(dú)的拋物線形狀。當(dāng)沿海底電纜路由方向迂回測(cè)量后，在斷面圖上找到每個(gè)拋物線頂點(diǎn)并連線，生成的折線即為敷設(shè)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(diǎn)與海床面的高差值，此高差值與多波束系統(tǒng)測(cè)量所得電纜溝深度之和即為海底電纜的相對(duì)埋深。如圖6所示為淺地層剖面儀探測(cè)所得的2種形態(tài)的海底電纜。
圖6 淺地層剖面法探測(cè)的裸露海底電纜及有埋深的海底電纜
二、工程應(yīng)用實(shí)例
粵東某海上風(fēng)電輸出海底電纜采用2回3×1000+2×48C芯光電復(fù)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(shè)計(jì)路由長(zhǎng)度為31.5km。海底電纜路由敷設(shè)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(shè)作業(yè)采取敷埋同步方式，通過操作控制敷設(shè)犁具犁把的深度，使犁具頭部嵌入泥土中，用高壓水槍對(duì)海底周圍的泥沙進(jìn)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(shè)計(jì)路徑緩慢移動(dòng)航行，完成海底電纜的敷設(shè)工作。為檢測(cè)海底電纜敷設(shè)施工質(zhì)量，采用包括多波束系統(tǒng)掃測(cè)法、側(cè)掃聲納掃測(cè)法、淺地層剖面探測(cè)法，對(duì)敷設(shè)的海底電纜進(jìn)行埋深及路由檢測(cè)。投入設(shè)備及精度指標(biāo)見表2所列。
測(cè)線布設(shè)：多波束及側(cè)掃聲吶掃測(cè)測(cè)線沿海底電纜路由布設(shè)，在路由左右兩側(cè)10m、25m布設(shè)平行測(cè)線;淺地層剖面儀探測(cè)測(cè)線垂直設(shè)計(jì)的海底電纜路由布設(shè)，路由往兩側(cè)各延伸50m，按25m的間隔布設(shè)平行測(cè)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(cè)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(dá)8mm，多波束點(diǎn)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(shè)痕跡。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，海底電纜敷設(shè)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(zhǔn)確地判斷海底電纜敷設(shè)痕跡。本項(xiàng)目檢測(cè)工作是在海底電纜敷設(shè)后馬上開展，大部分海纜敷設(shè)過程中沖刷的痕跡還未回填，在工程實(shí)踐中對(duì)海底電纜路徑實(shí)現(xiàn)了高速有效的判讀識(shí)別和定位。多波束所掃側(cè)出的海底電纜敷設(shè)電纜溝如圖7所示。
圖7 多波束系統(tǒng)掃測(cè)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(shè)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(duì)上述4種海底電纜形態(tài)敷設(shè)后的海底電纜埋深值，采用3種探測(cè)技術(shù)方法綜合分析。
⑴對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)分析電纜敷設(shè)痕跡的深度，2種技術(shù)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(shè)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(cè)掃聲吶法、多波束系統(tǒng)相互判斷和分析。根據(jù)側(cè)掃聲吶法成像原理可知，海底電纜懸空于海底面，側(cè)掃聲吶法掃測(cè)的懸空海底電纜會(huì)在聲波到達(dá)地物的另一面產(chǎn)生陰影，通過量算陰影的長(zhǎng)度，可以計(jì)算分析出海底電纜相對(duì)海底面懸空的高度，本項(xiàng)目側(cè)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(shè)施工檢測(cè)中，共完成多波束系統(tǒng)掃測(cè)測(cè)線261km，側(cè)掃聲吶法掃測(cè)測(cè)線318km，淺地層剖面探測(cè)測(cè)線261km。
利用3種檢測(cè)技術(shù)高速有效地確定了海底電纜敷設(shè)路徑，檢測(cè)結(jié)果表明，敷設(shè)路徑與設(shè)計(jì)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(yàn)收規(guī)范的要求。3種檢測(cè)方法綜合檢測(cè)快速判定敷設(shè)施工過程中的裸露、懸空等異常情況，反饋給項(xiàng)目各相關(guān)方及時(shí)消缺，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)工程建設(shè)的目的。
三、結(jié)語(yǔ)
綜合采用多波束系統(tǒng)掃測(cè)法、側(cè)掃聲納掃測(cè)法、淺地層剖面探測(cè)法對(duì)海上風(fēng)電海底電纜敷設(shè)進(jìn)行跟隨式檢測(cè)，能在工程施工階段快速、準(zhǔn)確地對(duì)敷設(shè)質(zhì)量進(jìn)行判定，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工缺陷與隱患，為投運(yùn)前精確消缺提供數(shù)據(jù)支撐。目前，工程應(yīng)用案例的海上風(fēng)電工程已一次性成功并網(wǎng)送電，證明3種檢測(cè)方法綜合應(yīng)用對(duì)海底電纜敷設(shè)時(shí)的質(zhì)量控制是行之有效的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電建設(shè)已進(jìn)入高潮期，聲學(xué)檢測(cè)作為一種成熟、可靠的質(zhì)量檢測(cè)手段，將在海上風(fēng)電工程建設(shè)質(zhì)量控制中得到更廣泛應(yīng)用。【作者簡(jiǎn)介】 文/黃玉林 李衛(wèi)軍，分別來自中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司、廣東科諾勘測(cè)工程有限公司。第一作者黃玉林，1981年出生，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力勘測(cè)設(shè)計(jì)等工作。文章來自《電力勘測(cè)設(shè)計(jì)》(2023年增刊1)，參考文章略。
