随着国内人力成本的逐步提升，在通信工程中人工牵引光缆、光缆接头熔接等工作的费用已越来越高，通过机械化设备替代人工进行高效、安全的通信建设将是未来中国光网络建设所需的发展方向。目前国内通信干线大量采用的气流法敷设光缆技术以及某些城市城域网、接入网所采用的气吹微管微缆技术即是一种敷设速率高、单次敷设距离长的技术，其原理是通过气吹机的机械推力和空压机的高压气流使光缆在管道中前进。本文介绍的水流法敷设光缆技术原理与气流法相似，仅是将空压机替换为水压机，从而利用高压水流使光缆以悬浮状态向前输送。水流法敷设光缆可比气吹方式单次敷设距离更长，节约更多工地转移耗费时间以及接头熔接成本等。在某些适用场景下，水流法敷设光缆是比气吹法布放更为高效和经济的施工模式。
一、 技术原理
水流法敷设设备可采用与气吹法相同的吹缆机(图1)，但水流对光缆的浮力与气流相比更大，水压机提供高速水流在光缆表面形成向前拖曳力，与气吹机对光缆的机械推力共同作用使光缆前进。光缆端头可加装与管道内径相近的伞状端帽，水流作用在伞状端帽上产生向前拉力，起到额外增加机械作用力与节约水流量的效果(使用伞状端帽敷设1km光缆需0.6m³水，而不加伞状端帽敷设1km光缆则需1.5m³水)。在有湖、河等水源的地区采用此施工方式可明显提高光缆敷设效率。与气吹法敷设不同的是，水流敷设对管道坡度要求较高，
由于水的重力影响，管道海拔每升高10m会导致管中水压降低1bar，但若采取从地势高向地势低的地方敷设，水的重力作用会使单次敷设距离更长。而在低于0℃施工环境下也应避免使用水敷设法，否则管道中残留水结冰后可能损伤光缆(图2)。
水的密度较空气大，光缆在水中所受浮力作用效果比气吹法敷设时更为明显，而光缆所受管道内壁摩擦阻力也相应更小。
管道中光缆其等效重力Fn=W·l—ρ水πD²/4·l·g，光缆受管壁摩擦阻力Ff=μ·Fn。
W——光缆单位长度重力，l——光缆长度，ρ水——水的密度，D——光缆外径，μ——管壁摩擦系数。
由此公式可以发现，当光缆密度大于水的密度时，水的浮力可降低光缆等效重力Fn，从而减小光缆与管道之间的摩擦阻力Ff。同时水可起润滑作用，降低管壁摩擦系数μ，从而产生高于人工牵引和气吹法的单次敷设距离。当单位长度内光缆重量与水的重量相当时，光缆可在水中处于悬浮状态而与管道内壁几乎无摩擦阻力，单次敷设距离可达最大。而当光缆密度小于水的密度时，其浮力可能使光缆与管道上壁摩擦，反而会使光缆所受阻力增加。以长飞GYTA规格参数为例(表1)，光缆密度均略大于水的密度。
二、 技术优势
鉴于水流法敷设光缆的技术原理，与传统人工布放方式或使用高压气流的气流法敷设方式相比，水敷缆技术有其更为高效和安全的应用优势。现阶段国内光网络通信建设绝大部分选用在HDPE或PVC管道中布放光缆，大中型城市由于城市规划而几乎不再采用直埋或架空方式敷设，故管道光缆布放技术的更新与优化显得更为重要。水敷缆技术在某些施工场景下是一种对气吹敷设光缆技术的升级，现有传统气吹施工企业的设备和技术经验亦可适用于水敷缆施工，在施工现场可根据环境灵活选择气吹法或水敷法进行布放。
1、敷设效率高
由于空气密度较小，对光缆浮力有限，大芯数的光缆进行气吹施工时气流无法拖浮起光缆，光缆在管道中摩擦阻力较大，气吹敷设效果较差。而使用水敷缆方式时光缆在管道中大部分处于悬浮状态，与管道内壁接触面积小，所受摩擦反向阻力小。与气吹法光缆前进状态不同，气吹布放时光缆沿气流方向前进，在管道有起伏转弯处时光缆均会与管壁发生摩擦，从而造成较大的阻力妨碍其前进，而采取水流法敷设光缆时，水流可在管道和光缆之间产生一定的缓冲，使光缆与管壁摩擦力减小，光缆在管道中更易过弯，损失能量小故而最大敷设距离更长。依目前施工数据统计，水敷缆方式单次敷设距离至少可为同等条件下气吹法布放长度的两倍。在管道条件良好和水源充足的区域，水敷缆单次布放距离可达到3-10km，极大的降低了施工设备转运所耗费的时间，增大单日施工总量，加快工程进度。且在野外施工环境中，水压机比空压机体积、重量小，具有更易于转运和施工的优势。
2、施工成本低
单位空间内形成相同压力所需水比空气的体积小，产生同样水压所需能量比产生相同气压要少，作为水敷缆动力源之一的水压机比气吹方式使用的空压机要省油，节约了施工成本。同时水流法敷设无需气吹施工中为保证管道中温湿度而采用的水分离器、冷却器等设备，节省了设备成本。而技术工人采用设备进行高速、长距离光缆敷设比传统人工布放节省更多人力成本。通过水敷法单次长距离敷设光缆可增加光缆单盘配盘长度，减少光缆接头接续工作量，即可节省通信工程中光缆接续的人工费，也可减少信号接头损耗，提高链路通信质量。
3、施工安全性高
气吹敷设时由于空压机工作原理，其输出的高压空气会高于环境温度约20℃，对管道抗压和抗老化等性能提出很高要求，高温环境下管道可能出现爆裂现象。光缆在管道转弯、起伏处高速前进时也会由于摩擦产生高温，高分子材料管道在温度升高时会发生一定软化，从而导致管壁摩擦系数增加。而采用水流法敷设时即可将管道爆裂几率将至最低，也可降低光缆光学与力学性能在高温下损耗的风险。水作为一种清洁能源，在光缆输送过程中不会产生任何破坏施工现场环境的污染物。光缆随管道中水流悬浮前进，与传统人工布放过程中的野蛮施工现象相比，其安全系数有很大提高，即使在光缆前端加装伞状端帽，其径向拉力也是沿光缆均匀分布且基本处于恒定，短期拉力不会出现较大的峰值。水流在通过管道时会排出管道内积存的杂物，光缆不会由于前端遇阻、后端推送力过大而产生折弯风险。
4、管道利用率高
在使用气流法布放时须注意光缆在管道中的占空比大小，因为当管道占空比较大时，气流难以在光缆与管道之间间隙前进，且容易形成反向气阻，但管道占空比较小时，光缆又会在管道中呈螺旋扭曲状，不仅会使光缆所受摩擦阻力增大，且有导致光缆前后速度不一致而在管道中折断的风险。水流法敷设光缆对光缆占空比的限制要小很多，因为与气流相比，水流单位体积重量较大故相同速度下水流的动能更高，在狭小缝隙内仍可向前流动。当占空比较小时光缆在水流中输送更为稳定，不会产生像气吹法那样在管道中抖动、扭曲的现象。故在现有管道中进行水流法光缆敷设时，其可实现的最大芯数高于气吹法或人工敷设等其他施工方式，能起到提高管道资源利用效率的效果。
5、维护、升级快捷
在长途干线等长距离路由场景下，如涉及维护或升级业务须更换光缆，采取人工牵引方式难度极大。而在气流法和水流法两种可行方法中，通过水流法移除已有光缆的施工效率更高。
三、 技术应用
2009年我国川气东送管道工程浙江湖州段已成功应用水流法敷设光缆技术，该工程是为监测管道天然气输送情况而进行光缆敷设，在布放天然气管道时即同沟布放了通信管道。施工地点为浙江省湖州水网地区，现场有充足水源供调用。该项目共敷设光缆7公里，施工段管道由于地质原因影响，管道有较多转弯及过河塘状况，采用定向钻开掘的管道也无法保证起伏弧度和转弯半径等满足气吹法敷设光缆施工条件。在这种情况下，施工方采取了水流法敷设光缆的创新技术，在管道条件复杂的情况下完成了单次最长距离1640米的光缆敷设。该工程的竣工及验收标志着水流法敷设光缆技术可为国内水源丰富地区通信建设所用，是一种施工效率高且能适用于管道条件较差情况下的新型施工方法(图3)。
小结
水流法敷设光缆技术是一项高效、节能、安全性高的光缆布放工艺，在施工场景合适的情况下，水敷法能取得远胜于气吹法的敷设效果。在骨干网、城域网以及接入网层面，水敷缆技术均能在复杂管道情况下完成光缆布放，解决困难施工场景下的光缆敷设难题。鉴于此技术与气流法敷设原理相似，目前国内气吹施工队伍即能快速掌握并应用水敷法技术，施工和设计人员应根据实际施工环境特点，针对性选择光缆布放形式。
作者：刘畅
来源：51CTO