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海上风电勘测中的物探技术

近年来,全球海上风电实现了快速发展,全球海上风电2017 年总装机容量达50GW以上,其中我国新增19.66GW,而且建设速度还在不断加快。广东省海上风电建设也正在如火如荼的进行中,自2009年珠海桂山海上风电示范项目启动以来,先后启动了阳江沙扒、揭阳金海湾、湛江外罗、汕头勒门等十几个海上风电项目。

海上风电 (4).jpg

海上风电的勘测主要集中在项目的可行性研究阶段,用来查明场址区地形、地质情况及可能影响建设的障碍物信息等,为后续风机基础选型、风机位置排布等提供基础资料。海洋物探技术是海上风电勘测中重要的方法之一,其主要作用有三个方面一是测量海底地形和地貌;二是探测海底底质及海底以下地层和构造等;三是查明海底管线及障碍物。应用于海上风电勘测的物探技术按其原理主要有声学探测技术、磁法探测技术和电磁感应探测技术等。

一、声学探测技术


声学探测技术利用声波在海洋中传播的特点和规律来探测海底的地形、地貌、海底底质及海底以下地层分布情况等信息。目前主要技术方法有多波束测深、侧扫声纳探测、浅地层剖面探测和中地层剖面探测。各方法的主要特点见表1

声学探测技术分类


探测方法

换能器工作主频

地层穿透能力

多波束测深

200400kHz

无穿透力

侧扫声纳

100400kHz

基本无穿透力

浅地层剖面

500Hz15kHz

海底以下50m

中地层剖面

200Hz5kHz

海底以下150m

⒈多波束测深技术

多波束测深技术是利用声基阵向与航向垂直的海底发射声波束,同时获得几十个甚至上百个采样点的水深数据,与导航定位及姿态数据相结合,绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。自上世纪60年代多波束测深技术问世以来,技术不断发展,目前已经出现了三维多波束测深技术和浅水区加载在无人船上的多波束测深技术。

多波束测深技术因具有测量范围大、速度快、精度和效率高等优点,已经取代单波束测深,是海上风电勘测中主要的地形测量方法。目前在海上风电中使用的多波束测深系统为浅水型,测线布置间距一般为风电场址区水深的23倍,以确保测线间多波束条带能达到至少10%以上的重叠度,使数据质量达到要求。工作时将多波束测深探头安装于噪声低且不容易产生气泡的一侧船舷,其在水下的安装深度应大于勘测船的最大吃水深度姿态传感器安装在船的驾驶室,位于船的中心线上,并指向船头,安装必须底部稳固和水平,不会因为船上作业人员走动影响地板晃动而干扰其工作光纤罗经安装位置与姿态传感器相同,安装后罗经的读数零点指向船艏并与船的艏艉线方向一致,同时还要避免船上的电磁场干扰。在目前海上风电场的水深条件下,代表性多波束测深设备的主要技术指标有:

①最大量程: 500m;

②量程分辨率: 1.25cm;

③波束大小: 0.5°×1°

④工作频率: 200400kHz20多个频率值可选

⑤波束数目: 256 @等角方布,1300@等距分布。

利用多波束测深对风电场址区海域实现全覆盖立体测深,探测效果参见图1,可以得到不同比例尺的水深图最大比例尺可达1200),满足不同阶段的设计及施工需求。

国产多波束三维效果 (2).jpg

多波束测深三维地形效果图

⒉侧扫声纳探测技术

侧扫声纳亦称“旁侧声纳”或“海底地貌仪”,是利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的技术。侧扫声纳探测也是海上风电勘测中的常用方法,工作时其拖鱼采用船侧或船尾拖拽方式,保证侧扫声纳在海水中姿态自由且不受尾流影响,测量时船舶速度一般为35节,拖鱼入水为56m,拐弯采用大的拐弯半径,避免小半径拐弯造成拖鱼触底。

侧扫声纳探测用来提供整个风电场址区的地貌图像,通过这些海底声纳影像来发现水下物体,参见图2。从而判断海底障碍物的位置和类型,对具有较大起伏的障碍物,还可以通过影区的长度估算其高度。此外,还可以根据海底声纳影像灰度强弱变化来判断海底底质变化,识别海底形态(如沙波、海沟等等,参见图3

侧扫声呐图像 (2).jpg

海底沉船侧扫声纳影像

侧扫声呐图像 (2).jpg

海底礁石侧扫声纳影像

目前代表性的侧扫声纳设备主要技术指标有:

①工作频率: 100kHz/400kHz双频可选

②最大量程: 100kHz时每侧500m400kHz时每侧150m;

③脉冲长度: 100kHz时为20ms400kHz时为10ms;

④横向分辨率: 100kHz时为8cm400kHz时为2cm;

⑤纵向分辨率: 100kHz200m范围内为2.5m400kHz100m范围内为0.5m

⒊地层剖面探测技术

声波在地层波阻抗差异界面或者构造界面会发生反射、折射和透射现象,地层剖面探测技术通过接收反射回来的回波信号对地层进行探测。海底有很多分界面,假设分界面内岩层的密度和声波的传播速度分别为ρivi,声波在不同界面上会发射反射和透射,每个层的反射声波均会被接收,其反射信号的强度和地层的反射系数R有关,见式:

R=(ρ2v2ρ1v1/(ρ2v2ρ1v1  ⑴

地层的反射系数越大,发射强度越强,则反射信号也越强,探测深度也越大,反之信号越弱。海上风电中应用的地层剖面探测技术按其探测目的和深度不同分为浅地层剖面探测和中地层剖面探测。地层剖面探测深度不仅与工作频率和发射能量有关,还与海底地层的地质类型有关,不同发射能量对各类海底地层的穿透能力见图4

浅剖.jpg

不同发射能量对各类海底地层的穿透深度

⑴浅地层剖面探测技术

浅地层剖面仪工作频率主要有3.5kHz14kHz。工作前将仪器与显示器、电源、换能器探头和GPS导航连接,并将发射探头固定在船一侧或者后置拖筏上,置探头于水下1. 01.5m。工作时换能器探头不断发射声脉冲并接受海底地层反射的回波,导航定位计算机实时给出每一个回波接收时探头所在位置的坐标并与回波信号一起记录在计算机磁盘,另外,现场操作员还可以选定一个时间间隔在剖面图上打标,标明坐标、时间等信息以方便后续处理。工作过程中应使船速保持在24节之间沿测线匀速行驶,根据测得的水深和水下地质情况适时调节增益或TVG,在接近重点探测目标和发现异常时还应适当减速,以达到最佳勘探效果。目前,代表性的浅地层剖面仪的主要技术指标有:

①换能器频率: 3.5kHz/14kHz;

②垂向分辨率优于10cm;

③输出功率: 5kW(最大);

④电源: 220VAC50Hz

3.5kHz工作频率主要用来探测海底表层约20m的地层剖面,其分辨率可达10cm,用来了解风电场区和海底电缆路由的海底浅地层分布情况(5)、浅层灾害地质情况(如浅层气、浅埋基岩、滑坡等和被淤积物覆盖的大型障碍物(如沉船、礁石等)等,见图6

浅剖 (1).jpg

浅地层剖面探测的浅埋基岩

浅剖 (2).jpg

海底沉船在浅地层剖面上产生的异常

14kHz工作频率的浅地层剖面仪也被称为海底管线仪,其分辨率比3.5kHz工作频率更高,但地层穿透能力明显下降至海底以下5m内。海底管线仪主要目前是探查海上风电场址区和海底电缆路由通道内的海底管线或线状障碍物,工作时测线需垂直海底管线路由或线状障碍物的走向布置,通过目标体在浅地层剖面上产生的绕射波来定位其探测点的位置和埋深,参见图7

管线扫测.jpg

海底电缆在浅地层剖面上产生的异常

⑵中地层剖面探测技术

中地层剖面仪由声发射基阵、声接收基阵、能量发射单元、控制处理单元等组成。在实际工作时,采用拖曳走航式的工作方式,将工作站和能量发射单元选择较牢固的船体部分进行安装,并对每一个接口进行检查特别是水下接口,确保连接正确、符合工作要求将各接口已连接好的电火花震源(BOOMER震源探头拖筏用缆绳悬挂于侧舷,投入水中后拖在船后20m左右将水听器链悬挂于船的另一侧舷,选择入水深度一般为0.81.5m,后拖20m,工作示意如图8所示。

电火花.jpg

中地层剖面探测工作示意图

目前代表性的中地层剖面仪主要技术指标有:

①能量输出: 502400J可选

②垂向分辨率1m;

③充电速率: 1500J/s;

④电源: 200240VAC4565Hz3.0KVA3pin接头

20单元拖曳式水听器阵:167dB(信噪比)

按目前海上风机基础类型的要求,中地层剖面探测用来查明海底以下100m(或探测至基岩面)地层情况,提供探测深度范围内的覆盖层厚度、基岩面起伏及埋深、地质构造的分布及不良地质现象等,参见图9

电火花图片.jpg

中地层剖面探测的地层及基岩面起伏

二、磁法探测技术


磁法探测是基于海底障碍物与周边物质的磁性差异来探测目标体的技术,借助海洋磁力仪,通过测量不同磁化强度的目标体在地磁场中所引起的磁场变化(即磁异常)位置和分布规律,来确定所探测目标体的类型及位置等信息。

⒈海底铁磁性目标物探测

通过表2可知铁磁性材料相对于其它材料来说其磁化率最强,而且相差几个数量级,而磁化率对磁场的影响最强,因此海底探测目标物中铁磁性材料是磁力仪辨识目标物与其周围物体的一个应用前提。

常见物质磁化率统计

磁性物质

磁化率(SI)

江水

104

淤泥

104

沉积物

103

常见钢铁

512


磁法探测技术应用于海上风电勘测中海底磁性障碍物的排查,海底磁性障碍物主要有海底金属管道(10)、沉船、战争遗留炮弹、船锚及锚链等。用于探测类似于海底金属管道等线状障碍物时,测线布置需垂直于管道的路由用于探测类似于沉船等孤立障碍物时,需对可疑目标布置网格状测线。目前代表性的海洋磁力仪主要技术指标有:

①传感器灵敏度0.01nT;

②计数器灵敏度0.001nT;

③采样率0.14Hz;

④绝对精度0.2nT,分辨率0.001nT;

⑤功耗最大3W,待机1W

⒉海底电缆探测

海底电缆属于海底金属管线,但由于其本身带电,会在电缆周围产生电磁场,具有其自身的特殊性。影响海底电缆探测中磁场大小的因素有铁磁物质的规模和埋深、海底电缆走向、横截面积等。根据电磁学原理可知,通电导体会在其周围产生磁场,电流越大,磁场越强,而运行海底的电缆可以看作一个无限长载流导体,其超大电流是磁力仪识别海底电缆的另一关键因素。海底电缆在磁力仪上引起的磁场变化如图11所示,根据这种异常曲线就可以绘制海底电缆的走向,根据海底电缆各个参数与磁场之间的关系估算海底电缆的埋深等信息。

磁力仪 (2).jpg

11 海底电缆的磁场感应曲线

从原理上看,海洋磁力仪可以根据海底电缆中携带的磁性材料感应出磁场,从而判断海底有无海底电缆。但是实际操作时还存在很多问题,下面以运行电缆模型为例进行说明,海底电缆未运行时,其本身的磁性材料产生一个磁场,当海底电缆处于运行状态时,会产生附加磁场,则总的磁场为两个磁场的叠加:

磁力仪 (3).jpg

式中H为总磁场;H0为电缆金属自身磁场;Hc为运行电缆中的电流产生的磁场;μ0为电缆金属磁化率;S为海底电缆的横截面积;D为中心埋深;Ms为有效磁化强度;is为有效磁化倾角;A为观测剖面的磁方位角;I为地磁倾角;i为电流强度。

从公式⑵可以看出,影响总磁场的因素有很多,在能观测到磁场的前提下,能确定电缆的路由。但是,当埋深较深、电流微弱、磁性材料少,特别是测量船或者磁力仪离海底较远,并且其位置随着海浪或上或下,无法精确定位,海底磁噪声比较强的前提下,采用磁力仪探测海底电缆可能会失效。海水对于磁场是一个强衰减体,随着磁力仪离海底距离的增加,感应磁场会越来越微弱,因此,为了保证探测效果,需保证磁力仪在距离海底较近的区域测量。另外,船的航速也是决定是否能感应到海底电缆存在的因素之一,因此需要综合考虑效率和效果。

目前单个磁力仪的观测无法计算出海底电缆的埋深信息,利用磁法探测磁性目标体的埋深需要多个磁传感器组成梯度磁力仪贴近海底观测,在深水区,甚至可以将磁传感器安装于ROV 上用来采集磁场梯度信息。

三、其他物探技术

图片

海上风电勘测中还会用到其他物探技术,比如在场址区遇到有海底光缆经过时,由于海底光缆直径很小,海底管线仪和磁力仪都难以准确探测,这时候就可以使用电磁感应类的物探技术。电磁感应类的物探技术需待测海底光(电)缆本身带有一定频率的交变电流信号或事先加载一定频率的交变电流信号,通过移动感应线圈接收电磁感应信号的强度来计算判断海底光(电)缆的路由和埋深。

由电磁感应法探测海底光(电)缆的原理,探头线圈所产生的感应电动势大小与穿过它的磁通量成正比,因此,当探头平行于地面且位于电缆正上方时,接收信号最小,从而确定埋缆点的位置,见图12。

磁力仪 (1).jpg

12 带电电缆异常形态

以上是单个感应线圈测量海底光(电)缆的路由,当采用多个感应线圈时,可实现海底光(电)缆的路由追踪和埋深探测。当使用两组线圈进行探测时,分别利用两个线圈组的感应电动势比值来计算夹角φ1φ2(图13),再根据两组线圈的距离、线圈高度和几何关系计算得到电缆的埋深。

随着海洋物探技术的发展,更多新技术将被用于海上风电的勘测。合成孔径声纳技术的研究始于上世纪60年代,近年来设备研发取得较大进展,开始出现可使用的商业化设备。合成孔径声纳在侧扫方式下工作,不仅能扫侧海底面的状况,还具有一定的穿透能力,分辨率高且与距离无关,可以用于海底表层地层的高分辨率三维成像。该技术可用于海上风电场址区沉底、掩埋或悬浮的小型独立障碍物的全覆盖排查,如海底未爆炸弹、小型礁石等。

磁力仪 (1).jpg

13 利用线圈组探测电缆埋深示意图

四、结 论

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物探技术是海上风电勘测中的重要技术,为海上风电场址区提供全覆盖的地形、地貌、海底障碍物位置以及海底地层分布等基础资料。本文结合中国能建广东院在海上风电和海底电缆勘测等工程中的实践经验,总结了物探技术在海上风电勘测中的应用条件和效果,得到了如下结论。

1

多波束测深可以高效率地完成场址区全覆盖的地形测量,一次全覆盖的测量能绘制高分辨率的地形图,足以满足海上风电各阶段的需求。

2

侧扫声纳探测可以高效率地完成场址区全覆盖的地貌扫侧,对其中发现的障碍物异常点应采用其他物探方法进行综合解释,如浅地层剖面探测、磁法探测等。同样,对其他物探方法发现的海底障碍物异常点,也要进行相互验证,以便得到更加准确的结论。

3

地层剖面探测虽然没有横波、面波的干扰,但多次反射严重,特别是海底表面的多次反射波,虽然压制方法有很多,但容易损坏有效波,资料解释时需要注意辨别。

4

海洋磁力仪用来进行海底电缆探测时,由于电缆的埋深、横截面、磁性强弱、磁性材料大小、电流强度等对探测效果影响很大,可能会导致海洋磁力仪探测失效。

5

随着海上风电建设阶段的推进,在有需要时可针对风机基础位置进行物探测线的加密探测,为施工提供更加详细的基础资料。

6

海洋物探技术仍不断在发展和进步,未来将有更多新的技术在海上风电勘测中应用。



本文标签:海上风电

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