海洋论坛▏地形地貌检测在琼州海峡500kV海底电缆运维中的应用
随着海洋工程技术的进步，海洋风电建设及海岛资源开发有了大规模发展，海底电缆的应用也越来越广泛。但是海底电缆铺设在海床上，运维手段非常单一。海底电缆检测是海底电缆运维非常重要的手段之一，采用管线仪TSS 350对海底电缆进行检测的方法得到了广泛应用，但是TSS 350需搭载在水下机器人上，作业时需要动力定位船只，动遣及检测一次费用成本非常高；而且在通常情况下，TSS 350检测需要海底电缆停电，并加载一定频率的放音信号。实际上采用侧扫声呐、多波束等地形地貌检测设备同样可以实现海底电缆悬空、裸露段的探测、海底电缆机械保护外观的检测等，检测对船只要求低，采用普通渔船即可施工作业，费用低；使用声波可以进行大面积扫测检测，效率高；更重要的是无需海底电缆停电，大大提高了海底电缆的可用率及电网的稳定。
本文主要论述了利用侧扫声呐、多波束等地形地貌检测设备的原理以及其在海南联网系统琼州海峡500 kV海底电缆运行维护中的效果。
一、琼州海峡500 kV 海底电缆简介
海南联网系统琼州海峡500 kV海底电缆是我国首个大容量、长距离、超高压海底电缆，是海南电网与南方主网的唯一联络通道，对海南自由贸易区的建设及发展具有极大的政治意义和经济意义。为了进一步提高海南供电可靠性，海南联网二回海底电缆也正在施工中。海底电缆横跨琼州海峡，北起广东省徐闻县登楼角，南至海南省澄迈县玉包角。海底电缆路由长度约31km。一回联网工程3根海底电缆均为自容式充油海底电缆，采用铜导体，铜铠装。该海底电缆路由示意图如图1所示。
图1 琼州海峡500 kV海底电缆路由示意图
海底电缆故障主要原因为外力破坏，因此为了防止事故发生，工程建设初期采取了一系列机械保护措施，如冲埋保护、抛石保护、铸铁套管保护等，如图2所示。
a.海底电缆冲埋保护 b.海底电缆抛石保护
图2 海底电缆典型机械保护示意图
根据地形和地貌特征，海底电缆路由从北向南，分别通过琼州海峡西段的北部堆积区、北部侵蚀－堆积区、中央深槽、南部隆起带和南部近岸侵蚀－堆积区共5个一级地貌单元，二级地貌单元包括小沙波、沙波、沙地沙丘、冲刷槽、冲刷脊和球状突起等，人工地貌包括桩网、锚沟等，地势情况相当复杂。
另外，由于海底电缆路由处于琼州海峡的西部比较狭窄的跨海断面上，整个琼州海峡呈两边宽中间窄的喇叭状，因此，受到海峡的狭管效应作用，潮流流速较大，且多呈横流，垂直于海底电缆方向。复杂的地势加上横向高速流，海底电缆机械保护极易被冲刷，导致裸露、悬空段出现，极大的危及海底电缆安全。因此有必要采取相应措施，对海底电缆路由区域地形地貌进行检测，了解保护状况，掌握薄弱环节，制定有针对性的运维策略，确保海底电缆的安全。海底电缆路由走廊地形如图3所示。
图3 琼州海峡500 kV海底电缆路由走廊地形示意图
二、侧扫声呐检海底电缆路由地貌检测中的应用
利用侧扫声呐检测系统对海底电缆路由区域进行地形地貌检测，可以获取海底电缆路由声学影像，对影像进行分析，辨识海底电缆裸露和悬空情况，确定裸露段、悬空段的长度、对应的水深、地形地貌等，能够获取海底电缆上方石坝的外观状态，是否存在塌散或变形，能够发现海底电缆路由残存海床的锚具、锚链、缆绳须进行位置坐标检测和着床姿态检测。
侧扫声呐检测时，其横切面几何关系如图4所示，侧扫声呐距海底高度为h，检测时波束以宽度△θ向航行侧面发生声波能量，波束照射到内侧斜距为Rmin，照射到内侧斜距为Rmax，海底形成的测绘带宽度为△d，最内侧及最外侧波束夹角分别为θ1、θ2，则可以得到如下关系：
图4 侧扫声呐检测几何关系示意图
按照上述原理，可以明显探测出海床上的目标及其尺寸，从事可以检测出突出的海底电缆、铸铁套管、抛石坝的形状等。
当声波信号遇到裸露的海底电缆时，如图5所示，图中船及拖鱼航向垂直纸面，与海底电缆保持平行，金属的海底电缆反射波较强，因此会形成以高亮反射区，同时在海底电缆后侧由于被遮挡，声波信号无法达到，则会形成一明显遮挡阴影区，称之为声影区。检测时扫测到此类图像，即表明为此处海底电缆存在裸露。
图5 裸露段检测示意图
同样，当海底电缆悬空时，检测原理如图6所示，检测图形依次应是海底电缆高亮区、海床反射区，然后再是被遮挡的声影区。
图6 悬空段检测示意图
现场检测采用的为EdgeTech 4200侧扫声呐，检测过程中，检测船只拖曳着拖鱼沿着测线前行，拖鱼左右弦各有一个声呐阵列，分别向两侧海底发射高频扇形波束，信号为持续的短促声脉冲，不断向前传播，遇到物体发生反射，反射波按照入射波路径返回换能器并被接收，被转化为电信号形成电脉冲并通过脐带缆传递至船上的甲板单元，经过采集计算机及后处理计算机信号处理后，形成探测图形显示在屏幕上，如图7所示。
图7 侧扫声呐检测基本构架示意图
检测时EdgeTech 4200 MP参数设置如下：
频率选择：100/400kHz双频。
脉冲类型：振幅和相位加权的全频激发调频脉冲。
脉冲长度：100kHz时为20ms，400kHz时为10ms。
工作范围：100kHz时，每侧最大500m；400kHz时，每侧最大150m。
横向分辨率：100kHz时为8cm，400kHz时为2cm。
纵向分辨率：100kHz时200m范围内为2.5m，400kHz时100m范围内为0.5m。
侧扫声呐检测设备对船只要求不高，普通渔船即可完成作业，在海底电缆带电时即可进行，无需停电终端负荷输送。检测得到的典型结果如图8，可得出如下结论：
⑴图8（a）为冲埋保护区域，可见细长的电缆路由，回波较强，初步判断海底电缆裸露；
⑵图8（b）为铸铁套管保护区段，铸铁套管外观形态较好；
⑶图8（c）、图8（d）均为抛石保护段，其中图（c）抛石坝外观规则，保持效果较好，图8（d）则清晰表明该处石坝受海水冲刷或则抛石不规则造成与设计形状出入较大，整体呈散塌状；
⑷图8（e）、图8（f）则是在海底电缆路由区域上发现的锚具绳索、网绳等。
图8 侧扫声呐检测海底电缆路由区地貌效果图
三、多波束检测在海底电缆路由地形检测中的应用
多波束测深系统，又称为多波束测深仪、条带测深仪或多波束测深声呐等。其工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，如图9，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射“脚印”（footprint）。此外，它的接收换能器也是特别设计的，这种接收换能器只能接收某些特别方向（垂直方向）的声信号，类似于透过一个多孔的纸板看东西。这样一来，不同地点的回波信号就像是通过不同的“孔”进入接收换能器一样。再用计算机来处理这些数据，就能得到与航线垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值。随着测量船的行驶，可以迅速测出与航迹平行的几千米宽的一条带状海域内各点的深度，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。
图9 多波束扫测原理简图
现场检测采用的为Soinc 2024型多波束测深系统，检测过程中，多波束换能器固定安装在船侧底部，发射换能器向下发射多束声波信号，接收换能器接收信号通过SIM盒传送给采集计算机Qinsy软件，同时采集计算机获取检测船只上姿态传感器、GPS、罗经等数据信息。另外，为了取得更好的检测效果及精度，需考虑在不同水深处因介质变化造成声波折射，使声速变化，在整个检测过程中，需实时通过潮位测量设备测量潮位变化；同时在检测检测及过程中使用声速剖面仪测量声速，以便对采集的数据进行修正。现场外业作业数据采集完毕， 通过Caris数据处理软件对Qinsy采集的数据及潮位、声速等，进行处理分析，得到海底电缆路由区域的地形图。
图10 多波束检测基本构架示意图
多波束检测设备对船只要求不高，唯一要求是能顾焊接或者进行螺栓打孔，保持多波束探头稳固，普通渔船即可完成作业，同样在海底电缆带电时即可进行，无需停电终端负荷输送。多波束进行海底电缆路由区域地形地貌检测的基本流程如下：
图11 多波束检测流程示意图
⑴整体地形状况分析
多波束检测可以得到海底电缆路由区域整体地形特点，并形成三维图形，直观的反应出路由特地，有误长距离段悬空、裸露，并可以直观检查抛石坝外观状况。
经过地形测量，可以得到海底电缆路由区域地形整体情况如图12所示。
同样可以检测到抛石段的整体情况，得到三维立体图形，可以直观的的查看抛石坝是否坍塌，如图13所示。
图12 琼州海峡海底电缆路由区域地形整体效果图
图13 琼州海峡海底电缆路由区域抛石坝三维效果图
⑵地形冲淤变化宏观分析
为了进一步详细分析路由区的最新的冲淤情况，根据2013年、2015年和2017年海底电缆检测时的测量成果，通过Kriging插值方法，生成不同年代的路由区的DEM模型，在此基础上绘制出3个年份之间的路由区海床等高线变化图，进行分析对比，从而在宏观上研究电缆路由海床的稳定性，选取变化较大的区段如图14所示。
图14 海底电缆路由地形冲刷宏观分析对比
从图14中可以看出，海缆路由长度大致为2.2km，水深大致20～50m区段等高线整体北移，说明该区段受海流等因素影响，导致海泥沙被冲刷和搬运，地形稳定性欠佳，存在较严重的冲刷现象，如果该趋势不得到控制，容易造成海缆裸露与悬空，影响海缆的使用寿命，及加大锚害的危险性，建议今后增加监测频率，进一步了解与掌握该区段的地形变化趋势。
⑶地形冲淤变化微观分析
为了进一步详细分析路由区的最新的冲淤情况，同样通过Kriging插值方法，生成不同年代的路由区的DEM模型，以2017年测量成果为参考，采用2015年测量的高程数据与2017年测量高程数据对比分析，从而研究电缆路由微观海床的稳定性及冲淤程度，并对重点区域着重分析，了解路由海底地形的稳定性。选取冲淤较大的区段如下图15所示。
图15 海底电缆路由地形冲刷微观分析对比
由图15分析可得知，该区段长度大致为7.0km，分析上图得知，2015-2017年期间，在9.1KP至7.6KP区段，水深变化为16米至21米，海缆路由大部分处于被冲刷状态，图中黄色区域冲刷幅度均值大致为0.7米，图中淡绿色区域被冲刷幅度均值大致为1.2米，其中KP9.6至KP8.6段出现淤积现象；北坐标KP10.6至KP10.1区段，水深变化为20米至30米，海缆路由大部分处于淤积状态，淤积幅度小于1米；KP12.3至KP10.6区段，水深变化范围15米至80米，海缆路由区域冲刷与淤积现象较复杂，大部分区域冲刷幅度小于1米，个别地段冲刷达3.1米；KP12.6至KP12.3区段出现淤积现象，最大淤
由图15分析可得知，该区段长度大致为7.0 km。分析该图可知，2015-2017年期间，其中S1区段长约1.5km，水深变化为16～21m，海缆路由大部分处于被冲刷状态。图中黄色区域冲刷幅度均值大致为0.7m，图中淡绿色区域被冲刷幅度均值大致为1.2m，S2区段长约1km，以淤积为主，最大淤积厚度约1m；S3 区段长约0.4km，水深变化为20～30m，海缆路由大部分处于淤积状态，淤积幅度小于1m；S4区段长约1.7km，水深变化范围15～80m，海缆路由区域冲刷与淤积现象较复杂，大部分区域冲刷幅度小于1m，个别地段冲刷达3.1m；S5区段长约0.8km，以淤积为主，最大淤积厚度达2.6m，局部有冲刷；S6区段长约1.2km，水深变化范围70～90m，该区段整体处于冲刷，冲刷幅度从1～5m 不等，个别冲刷可达6.1m。淤积提高了海底电缆的保护水平，但对于冲刷区段，易造成海底电缆裸露、悬空或者保护不达标，需引起重视，加强监测，必要时做好防冲刷措施。
⑷沙波稳定性分析
根据调查研究发现，海底电缆路由范围内发育有大量的海底沙波，根据本次检测的成果，海缆路由区陡坡和槽底的地形起伏多变，有冲刷沟槽和丘状突起分布，并存在大面积的鱼鳞状冲刷坑和沙波地形，地形横截剖面呈锯齿状；沙波基本在整个路由都出现，脊部大体上呈南北向，与琼州海峡的潮流方向（N～E）基本相垂直；形状大小、长度、波高呈从北往南逐渐变大的趋势。地形检测结果还可以为海底电缆路由区域沙波、陡坡等地貌作为重点分析，重点对其移动趋势、冲淤情形加以分析。下面选取变化较大的沙波，如图16所示进行分析。
图16 沙波变化微地貌分析对比
该处沙波呈北偏西至南偏东方向，横跨海底电缆A相，由上表测量数据对比分析可见，沙波坡顶（-36.5m等高线）存在明显冲刷，中间被掏空的程度加剧，应注意监测海底电缆附近的地形地貌冲刷现象，防止沙波变化造成的悬空。
四、结论
使用侧扫声呐及多波束检测设备可以有效的对海底电缆进行检测。侧扫声呐检测可以直观扫测出海底电缆裸露、悬空，抛石坝及铸铁套管的保护情况。多波束检测可以整体查看海底电缆路由区域的地形地貌概况、抛石坝的整体状况，可以根据多次检测结果分析出海底电缆路由区域的冲刷情况以及沙波的变化情况，提前预判海底电缆悬空、裸露的发生。可见使用侧扫声呐及多波束检测系统对海底电缆路由区域进行地形地貌检测，在海底电缆运维过程中具有一定意义，可以提前发现及预判异常，以便于采取措施消除海底电缆的裸露、悬空状况，或者抑制冲刷的继续防止裸露及悬空的产生。
另外，使用侧扫声呐及多波束检测无需搭载在水下机器人上，无需调用动力定位船只，使用普通渔船即可完成全部外业检测作业，性价比较高；同时，该种检测方式是发射声波信号进行扫测，相对于电磁检测基视频摄像头检测方式，可以实现大面积扫测，效率大大提高；另外，地形地貌在海底电缆带电情况下即可进行检测作业，不受调度停电档期影响，不影响电量输送。
唯一不足是，通过地形地貌检测，发现的悬空、裸露等数据信息精度不高，在实际的运维过程中，建议先采用地形地貌方式进行全路由扫测，发现风险点后，再使用水下机器人下水进行风险点重点检测及确认，将会大大提高检测效率，节约检测成本。
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【作者简介】文章作者/黄小卫 郭强 张维佳 吴聪 蔡驰 李晓骏 陈航伟，均来自中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局；第一作者黄小卫，1985年出生，男，高级工程师，主要从事海底电缆运行维护方面工作；文章来自《海洋技术学报》（2019年第5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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