海上风电场海缆登陆施工方案技术总结

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　　与陆上风电场相比，海上风电场具有不占用土地资源、基本不受地形地貌影响、风能资源丰富、年利用小时数更高、风电机组单机容量更大、适宜大规模开发等优点，最近幾年得到蓬勃发展，促进了风电机组、船机设备、海底电力电缆（以下简称“海缆”）等相关产业加工制造与施工技术的进步。
　　海上升压站与陆上集控中心之间一般采用220kV/110kV光电复合缆连接，根据风电场发电容量要求的不同，有单回路和双回路两类连接方式。海缆登陆位置的选择需综合考虑海底地质地貌、海水深度及潮位和潮差、海水流速和流向、生态保护等因素。各海上风电场海缆登陆段长度差异较大，大多数登陆段只有几百米，但如江苏东台海上风电场的登陆段则长达4.5km，登陆段施工成为海缆敷设的重点和难点。
　　深水区的海缆施工工艺已经很成熟，但在浅滩区由于涉及多种施工方式转换，风险较高，施工难度大。尤其是长距离海缆登陆成为海上风电场施工的关键工序。本文对各种海缆登陆施工方案进行了归纳总结，指出不同施工方案的关键控制要点。另外，还对相关工序质量控制点进行了阐述。
　　海缆登陆浅滩方案概述
　　海缆规格有单芯和三芯之分，为减少路由占地和施工成本，目前，海上风电场项目使用最多的是三芯交联聚乙烯绝缘光电复合海缆，海缆导体截面积常用规格是（3×500）mm2，设计参数见表1。
　　海缆敷设需要的船机设备主要有敷缆船、拖轮、锚艇、水陆两栖挖掘机、布缆机、绞磨机、发电机、定向钻机等。由于220kV海缆的单位重量和直径均较大，海缆敷设船应配置电动转盘才能有效消除海缆应力，以及避免敷设过程中产生打扭、钢丝铠装松散呈灯笼状等质量问题。
　　浅滩向陆域水深逐渐变小，敷缆船无法靠岸施工，浅水区域海缆敷设可采用浮运法，其主要有以下几种方式：
　　（1）敷缆船冲滩至一定位置坐滩，牵拉电缆头浮运登陆，待登陆段海缆牵拉完成后，敷缆船向海上升压站方向敷设。浅滩和陆域海缆采用挖掘机挖沟敷埋。
　　（2）从海上升压站一侧向陆域方向敷设，大部分荷载卸除后船舶吃水变小，轻载冲滩降低了海缆登陆难度。由于缆头压在缆盘内，至一定位置后把缆盘内剩余的海缆呈s形抛放在滩涂上，露出电缆头，便于牵拉。在低潮露滩时分段绑扎浮漂（包括泡沫浮子或汽车充气内胎），高潮电缆浮起来时用钢丝绳牵拉电缆头，利用多个潮差完成登陆。
　　（3）在近海合适位置将部分海缆倒驳至另外一艘辅助敷缆船上，主敷缆船向海上敷设;辅助敷缆船轻载冲滩，其余同（2）。
　　（4）在只有一艘敷缆船且装缆非常多的情况下，由于敷缆船吃水太深，直接冲滩距离岸边太远，可采用如下方式：敷缆船首先到达与设计路由距离90m左右的指定位置，比如KP10，平行路由走船将电缆抛放在泥面的指定位置，比如KP5，敷缆船转向回归至设计路由向海上方向下犁敷埋剩余海缆。敷缆船再回到KP10将抛放的海缆回收到船上，至KP5沿设计路由下犁敷埋冲滩至LP2.5，提起埋设犁将海缆呈s形抛放在滩涂上，其余同（2），如图1所示。为确保敷设路由的准确性，一般采用沿设计路由先抛牵引钢丝绳，船身垂直路由以5m/min左右的速度前进。
　　在潮差较小的海域，如广东沿海，落潮时不露滩，低潮时无法绑扎浮漂，海缆需被绑好浮漂后下放到海面上。为防止水流将海缆冲走产生扭曲重叠，在每个转弯点沉放铁锚固定海缆，或者用已抛锚的锚艇牵拉定位。待全部海缆从敷缆船上下放至海面后，再用钢丝绳牵拉电缆头登陆。海缆登陆陆域方案概述
　　根据登陆段长度、地质、地形等因素，海缆登陆陆域主要有浮运法和支架法两种，其中支架法可细分为v型托架法、排架辊轮法。
　　浮运法，顾名思义是利用水的浮力牵拉海缆，适用于高潮时能被海水淹没的地区，可以利用既有河道或电缆沟，也可以开挖临时沟槽。多数情况下用挖掘机开挖沟槽——涨潮时海水灌入沟槽内，在海缆上间隔绑扎浮漂，使用钢丝绳牵拉海缆登陆。
　　对于浮运法牵引力的计算，采用以下公式：
　　式中，F100为100m海缆的牵引力，单位kN;0.5为安全系数：s为每百米海缆汽车内胎（泡沫浮子）迎水面积，单位m2;p为水密度，其值为100kg·s2/m4;c为水流系数，取值为1.29;v为绞磨机最大牵引速度，其值为0.5m/s。
　　支架法是预先在海缆路由上间隔设置v型托架或排架，海缆在辊轮或v型托架上牵拉前行。对于岩石地质、陆地高差较大、养殖区域遍布滩涂等不适用浮运法的地区，均可使用支架法。
　　浮运法施工控制要点
　　采用浮运法时，现场施工应重视沟槽开挖防坍塌、浮漂间距、甩缆等几个控制要点。
　　使用挖掘机开挖沟槽，对于淤泥质或砂质滩涂，根据经验沟槽底宽应在2m以上，两侧边坡坡比大于1：5。开挖的土方应远离边坡口堆放，防止沟槽回淤抬高沟底高程。
　　海上水流越贴近泥面，流速越小，可适当拉大浮球间距，防止海缆离开泥面。但浮漂间距也不能太大，以防被泥沙掩埋，最好处于悬浮状态。为此，整个浮运施工应在3天内完成。广东阳江某海上风电场的经验数值如下：Ф50L=70的圆柱形浮球浮力为1370N，海缆在水中的重量为70kg/m，浮球中心间距为180cm。同时考虑牵拉时阻力的影响，选用100kN以上的绞磨机。浮漂尽量紧贴电缆绑扎，拆除时为加快进度使用刀具割除。
　　海缆在离开船舷、尚未入水时绑扎浮漂，敷缆船在浅水区呈s形下放海缆。为此，应在岸边提前投放两根牵引钢丝绳，钢丝绳夹角大于120度。钢丝绳交替收放，敷缆船呈s形前进甩缆。甩缆过程中的转折点必须用铁锚或锚艇固定，否则前方浮运牵拉会使转折点位置发生移动。甩s弯的转折点10m左右可不绑扎浮漂。
　　对于浅滩上已摆放海缆的区域，设置警戒船24小时看护，严禁各类船舶进入。为便于标识出电缆在水下的具体位置，应间隔50m左右设置一个小浮球。 　　支架法施工控制要点
　　采用支架法时，现场施工应重视辊轮与布缆机设置间距、托架间距、平台搭设等控制要点。
　　支架法包括排架+辊轮模式和v型托架模式，二者本质是相同的，都能减少牵拉过程中的摩擦阻力，防止破坏电缆外皮层。为确定支架的材料尺寸、间距、入泥深度等具体数值，应根据地质、水文、荷载等参数进行承载力计算。
　　江苏东台某海上风电场海缆登陆段排架+辊轮模式设计参数如下：使用中48普通无缝钢管搭设排架，为了提高稳定性，设置排架距离地面较近。排架上每隔3m左右设置一个合成树脂滑轮，海缆从滑轮内拖行。在海缆牵拉过程中需安排人员进行巡线，对外皮层破损的地方及时进行捆扎，防止破损范围扩大，因此，在排架一侧铺设用于人员通行的竹笆片。
　　布缆机的设置间距不宜超过1km，一般在转弯点设置一台。为防止各布缆机启停不同步造成海缆受力过大，在转折点另外搭设较大平台使海缆呈Ω形，即每台布缆机相对独立进行牵拉。
　　江苏东台另一个海上风电场海缆登陆段v型托架模式设计参数如下：采用Ф140×3镀锌钢管上插托架。钢管長度3m，入泥深度2m，每排2根，排距3rno为防止海缆跳出v型托架，每隔一段距离设置一个H型托架。转弯处H型托架以较小间距设置，并打设斜钢管撑住托架，防止其侧向受力后倾倒。牵拉过程中安排人员沿着路由不停巡查，发现海缆跳出托架、辊轮卡死不转动、辊轮脱落、支架倾倒等问题，全线立即停止牵拉并进行处理。
　　在海缆未进入布缆机之前，一般采用绞磨机牵拉钢丝绳，牵引过程中海缆会缓慢旋转释放应力，因此，钢丝绳与牵拉网套之间应设置万向节。为防止电缆头碰到托架和辊轮，挖掘机提起电缆头在托架一侧跟随电缆前进。海缆进入布缆机后，若牵拉不动，则使用绞磨机侧拉海缆辅助拖行。
　　转弯点需设置绞磨机、布缆机、发电机等设备，如果该位置有水或者是烂泥塘，搭设常规平台费时费力。可预先定制钢浮箱，结构尺寸以摆放上述设备后能够浮起来为宜。浮箱四角插入钢管进行固定。进出场使用挖掘机拖行时，可利用浮箱作为物资运输载体，省时省力。浮箱装上发动机和螺旋桨即为简易驳船，在风浪不大的情况下可用于物资转运。
　　海缆登陆相关工序施工技术和质量控制要点
　　一、定向钻孔施工技术要点
　　海缆登陆段若穿越河道或海堤，一般采用定向钻钻孔工艺。根据施工经验，钻机牵引力应大于800kN，否则会在扩孔时产生塌孔，导致钻头拉不出来、管道回拖到一半时卡住致使管道报废等问题。长度超过200m的钻孔应在出口端用气动锤配合管道回拖，气动锤的冲击力应大于10000KN。气动锤的锤头直接插入钢管管口很容易撑开钢管，应配备相应的过渡装置。
　　为减少海缆通过管道的阻力，防止磨损海缆外皮层，在海缆上每间距不超过3m安装一个减阻滑轮，在管道出口处卸下减阻滑轮，积攒到一定数量后将滑轮运输到进口处循环使用。为防止减阻滑轮滑动，在减阻滑轮与海缆间垫橡胶胶皮。减阻滑轮最终会有一部分永久留在管道内，定制减阻滑轮数量时应考虑到这部分的损耗。
　　在淤泥质地区开挖钻孔进出口工作基坑时，开挖的土方应倒运到远处，堆积在基坑周边会造成基坑底部淤泥上涌。由于淤泥流动性大，无法形成深基坑，应尽量加长管道长度，提高管口高程防止淤积。
　　每节钢管的管口应打磨成坡口进行填焊，对焊缝进行UT探伤，其结果应达到设计要求的II级以上标准。钢管回拖前应在内部预先安装一根海缆牵拉钢丝绳，两端焊接锥形管予以封堵。海缆牵拉前应进行通球试验（用一段长度5m以上的220kV废弃海缆进行通球试验更接近实际敷缆状态），防止因钢管变形导致海缆无法通过。敷缆完成后，为防止泥沙淤积到管内造成将来检修时海缆无法抽拉，管口应用洛克赛克或沙袋进行可靠封堵。海缆与管口的接触部位可连续安装多个减阻滑轮，防止管道与海缆发生相对移位时，管口锐角磨损海缆。
　　二、海缆挖沟敷埋质量控制
　　在淤泥质滩涂或沙滩上开挖的沟槽极易坍塌，为此，应在低潮期间安排多台挖掘机同时施工——前方开挖沟槽，后方将电缆放入沟内及时回填。电缆应使用吊带两点吊放，禁止使用挖斗直接接触电缆。余量较多且集中时，应平顺展开敷埋，禁止集中堆放在一处造成海缆交叉重叠。
　　如果海缆路由处于河道一侧，在埋设后应采取护岸措施，比如打木桩堆沙袋、混凝土护坡等，防止水流长期侵蚀造成河岸坍塌使海缆裸露出来。
　　浅滩区海缆绑扎浮漂后，由于受涨落潮水流或牵拉过程中钢丝绳断裂影响，失控的海缆发生漂移纠缠在一起会产生弯折打扭。为此，应增加水陆两用挖掘机进行定位控制，同时可辅助海缆牵拉作业。
　　浅滩区域海缆敷设完成后，由于海缆上方沙土不密实，在涨落潮时极易被水流冲刷形成冲沟，使海缆暴露出来。为此，应确保路由上土方回填略高于原始滩涂面。施工完成后定期巡查，发现冲沟及时回填，必要时对冲沟进行人工改道。
　　三、警示标志的设置
　　登陆段海缆警示标志的重要性不言而喻。为了准确标示出实际海缆路由，在沟槽回填时，每隔20～30m左右插一根竹竿作为临时标志。警示桩间距不宜超过50m，且在甩s弯留余量的地方进行加密。警示桩的材质建议采用预制混凝土桩，或采用中间灌混凝土的玻璃钢方桩。海缆路由临近交通要道显眼位置应设置告示牌，把工程海缆路由坐标、带电危险性、破坏海缆需承担的相关法律后果向公众告知。海边空气中氯离子含量高对金属的腐蚀性强，告示牌应使用316L不锈钢材质，正面避开当地常年主风向。
　　结语
　　海上风电场设计寿命长达25年以上，海缆作为风电场电力输送、远程控制的唯一通道，其施工质量至关重要。在海缆登陆施工方案的选择上应因地制宜，切忌生搬硬套。作为危险性较大分部分项工程，海缆施工方案还应根据住建部37号文进行专家论证，确保方案的科学严谨和可操作性。
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