海上風電深水測風塔基礎設計施工技術研究

鄭喜平

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

我國海岸線悠長，具備豐富的海上風能資源條件，尤其廣東、福建、江蘇等沿海地區(qū)風能開發(fā)前景非常廣闊。近年來，隨著國家大量政策的出臺及“3060”雙碳目標的提出，清潔能源的開發(fā)利用已成為時代的趨勢，其中海上風能的開發(fā)更是發(fā)展迅速，已逐漸走向深遠海域。

風資源評估對風電場的選址、前期建設起著關鍵性的作用。測風塔作為獲取第一手風能資料的結構，在前期風場選址中起著舉足輕重的作用[1]。本文以廣東陽江青州三風場測風塔建造為例，總結近海深水海域測風塔設計、建造經(jīng)驗，以期為將來海上風電場的建設積累實踐經(jīng)驗[2]。

2 工程概況

2.1 概況

電陽江青洲三海上風電場項目工程場址位于廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮(zhèn)南部海域，項目場址面積81.03 km2，規(guī)劃裝機容量500 MW[3]。建設1座海上自立型測風塔(海平面以上110 m)，距離陸地最近距離約55 km。

2.2 水文地質情況

2.2.1 地質條件

勘測期間場區(qū)內水深約為41～46 m，地形整體上呈西北高、東南低的形態(tài)分布。華電陽江青洲三海上風電場項目測風塔選址位于前期地質鉆孔YJK06孔位置。

YJK06鉆孔主要設計參數(shù):層底深100.45 m；深度為10.2 m位置以上土層為流塑-軟可塑，以下部分為可塑-密實，浮重度6～9.7 kN/m3，砂土內摩擦角介于26°～36°；深度在56 m以下土層部分:可塑層與中砂層交替布置，層厚分別約2～7 m，極限端阻力標準值為1 900～8 550 kPa。

2.2.2 水文條件

(1)水深及設計水位

場址所在海域位于近海-44 m等深線外，此處波高較大且衰減緩慢。極端高水位和極端低水位分別為354 cm和-142 cm，設計高、低水位分別為224 cm和-77 cm，均為國家85高程基準下的水位。

(2)設計風速

10 m處25年一遇、5年一遇和2年一遇10 min平均風速分別為44.6 m/s、34.5 m/s和27.7 m/s；110 m處的25年一遇、5年一遇和2年一遇10 min平均風速分別為50.1 m/s、38.8 m/s和31.1 m/s。

(3)潮流

該海域潮流性質屬不規(guī)則半日潮流區(qū)[4]。潮流是風電場附近岸段水流的主要成分，總體是NE走向。漲潮流向NE，落潮流向SW或S。

根據(jù)海港水文規(guī)范，海流可能最大流速見表1。

表1 流速

3 測風塔基礎形式選擇

傳統(tǒng)風場測風塔基礎形式有:單樁、三樁三角形、四樁四邊形桁架結構以及漂浮式。

單樁式鋼管直徑大，適用于淺水灘涂海區(qū)；三角桁架式較為穩(wěn)定，塔架受水流荷載作用較小，適用于水深在30 m左右較深海域；四邊形桁架式較為穩(wěn)定，適用于30 m以上較深海域，塔架亦選用桁架結構對接；漂浮式適用于深海海域[5]。本項目風場水深40 m以上，離岸距離超50 km，屬近海深水海區(qū)，風大浪高，需采用四樁基礎結構，而其主要結構又有坐底式和高樁式，經(jīng)過綜合分析，最終確定采用先樁法鋼桁架高樁基礎形式。

3.1 先樁法水上鋼桁架高樁基礎形式

該種基礎形式主要由4根鋼管樁及上部鋼桁架結構組成，先打樁，再安裝鋼桁架，結構如圖1所示。

圖1 先樁法水上鋼桁架測風塔立面布置

優(yōu)點:結構簡單，建造周期短，基礎施工工期可控，可利用 “鐵建樁01”打樁船施工，無需大型浮吊。施工成本可控。

缺點:(1)基樁懸臂較長，基礎結構水平剛度低，整體韌性差，抗臺風能力低。(2)樁直徑大，樁長超100 m，如何保證打樁的精度和樁頂端插桶聯(lián)結部位灌漿質量是難點。

3.2 后樁法坐底導管架低樁基礎形式

該種基礎形式主要由坐底式導管架及四根直立式鋼管樁組成，先安裝導管架，后插打樁。結構形式如圖2所示[6]。

圖2 后樁法坐底式鋼桁架測風塔立面布置

優(yōu)點:結構水平剛度強，整體韌性高，抗臺風能力強，安全儲備高?；鶚稑稄叫。瑯堕L短。

缺點:工程量大，建造周期長；鋼桁架重量大、體積大需要大型起重船浮吊安裝。成本較大。

此外，導管架與鋼管樁連接部分需要采用水下高壓灌漿，施工難度較大，成本高，質量不易控制，風險大。鋼管樁需要配套超長水下送樁器輔助沉樁，易偏心，施工難度大。

4 基礎結構設計優(yōu)化要點

根據(jù)分析，項目團隊采用了第一種基礎形式；同時進行了兩項結構優(yōu)化措施，一是增加單樁的剛度，二是改進鎖樁、夾樁體系實現(xiàn)快速安裝。

考慮可預計的不利工況下，單樁完成沉樁后，在無法完成夾樁情形下，通過增加單樁剛度，防范鋼管樁發(fā)生過大變形或疲勞破壞。

改變傳統(tǒng)臨時桁架梁夾樁體系為結構桁架本體快速夾樁體系，使結構整體受力。并確保在一定的風浪條件下，夾樁結構體發(fā)揮出拉壓效果，抵抗一定的水平力，結構僅發(fā)生可控的晃動；在后續(xù)樁端孔內灌漿作業(yè)時，確保順利進行和后續(xù)灌漿料強度正常增長[7]。

4.1 增加單樁的剛度

原鋼管樁設計壁厚為3 cm，通過增加樁壁厚度以及部分階段樁內壁焊接加強筋的方式，進而增強單樁抗彎抗屈曲強度。通過SACS軟件建模計算，沉樁完成后單樁無側向支撐下可以承受5年一遇(14級強風、5 m浪高)的環(huán)境荷載，樁最大UC值為0.95，樁頂最大位移502 mm，泥面處位移44 mm。樁基結構優(yōu)化見圖3。

圖3 先樁法測風塔鋼管樁及鎖樁結構優(yōu)化布置

4.2 快速鎖樁結構體系優(yōu)化

沉樁結束后，傳統(tǒng)方案是及時進行臨時結構夾樁，如圖4所示。但考慮本施工海域海況施工條件惡劣，采用臨時鋼桁架存在如下問題:

圖4 傳統(tǒng)夾樁鋼桁架布置

(1)結構體系重量達到120 t，結構制造周期長，且部件不成整體，現(xiàn)場安裝工藝贅長。

(2)現(xiàn)場施工周期長，現(xiàn)場安裝焊接工程量大。首先必須在窗口期內，通過框架簡單固定4個樁頭，再焊接樁頭吊架，然后焊接鋼桁架，最后割除樁頭吊架體，施工繁瑣[8]。

(3)安全風險高，施工臨空、臨海、臨邊作業(yè)，施工極其困難。在未來可能不利海況下，因為海浪拍打，結構整體變成龐大的阻力體系。在外力作用下，結構更易被破壞。

◎在醫(yī)院的學科人才規(guī)劃中，始終把握“一不斷層、二不犯擠”的原則，同時醫(yī)院管理“想員工之所想”，讓他們在醫(yī)院找到施展自己才能的平臺！

通過以上分析，我們認為如果采用傳統(tǒng)做法，在深水海域特定的條件下，施工風險極大。

通過深化研究，我們優(yōu)化了高樁結構施工思路:4根樁基打樁和鋼桁架安裝在一個窗口期內完成，時間持續(xù)3 d，焊接和灌漿作業(yè)在第二個窗口期內完成(大約3 d)?？傮w工期內，海上施工條件不超過5年一遇的荷載工況。灌漿材料達到28 d后，結構受力可承受10年一遇的荷載工況。

夾樁采用鋼桁架本體，沉樁結束后，安裝鋼桁架，在桁架體下橫梁管上預先安置帶鎖樁筋板的哈弗接頭，便于梭動和快速貼近樁頭。同時依托結構本體設計制作了人行通道和焊接作業(yè)平臺。結構設計見圖5。

圖5 哈弗接頭、鎖樁筋板及作業(yè)平臺布置

5 高樁鋼桁架測風塔基礎施工技術

5.1 施工準備

測風塔基礎施工需考慮近海海域的風、浪、潮等條件，選好施工窗口期，做好施工準備，包括海況調查、施工裝備調遣、通航評估、航標設置、鋼結構加工、有經(jīng)驗作業(yè)隊伍選擇、方案交底等[9]。

5.1.1 主要船機設備

根據(jù)樁型、樁徑、樁長、持力層埋藏深度及水深條件，選用“鐵建樁01”打樁船。該船主要性能參數(shù)為:總長77.8 m，型寬28 m，型深5.6 m。

樁架高度108 m，打樁樁長90 m＋水深，起吊能力320 t。樁錘選用S600型液壓錘，4 000 HP拖輪負責拖船就位。

采用GRLWEAP軟件進行打樁分析。通過打樁分析結果，600 kJ錘能夠滿足打樁要求，整體貫入度較高，樁身能量在540 kJ的情況下，樁身最大壓應力為180 MPa，滿足強度設計要求。

5.1.2 船舶站位

依據(jù)區(qū)域的潮流情況，施工期間，打樁船橫流拋8口錨及前后穿心錨，同時根據(jù)現(xiàn)場海流方向及風向情況進行船位設計。

5.2 總體施工流程

打樁船就位→運輸駁靠駁→鋼管樁沉樁→樁頂標高測量→鋼桁架解綁、吊裝→調平→灌漿。

5.3 沉樁施工

(1)施工流程:發(fā)動樁船主機→向方駁移船時同時上吊錘和替打，俯下架子放大小吊鉤→打樁船移船靠方駁放吊樁扣到方駁上→水平起吊樁并向沉樁區(qū)域移船→移船中豎直架子放小鉤，起大鉤立進龍口套入替打帽→在測量人員指揮下進行定位→下樁入土2～3 m時暫停下，進一步校核樁位→繼續(xù)下樁解扣及抱樁器等→壓錘→開錘施打→滿足設計要求后停錘→起錘→移船。

(2)打樁順序

本工程由于地處外海，海況惡劣，4根鋼管樁均采用俯樁沉樁法，前后駐位4次，按逆時針順序1＃、2＃、3＃、4＃方式沉樁。具體如圖 6 所示。

圖6 打樁順序

5.3.1 吊樁

“鐵建樁01”沉樁過程中的吊運采用雙鉤四點起吊。每根樁上共設置吊耳4只，翻身鉤一個，1號吊樁頭、2號吊樁尖，單吊起吊能力為200 t。

5.3.2 翻樁

利用打樁船“鐵建樁 01”上一臺 TRIBLE SPS855及一套SEASTAR HP設備實現(xiàn)打樁定位功能，一臺TRIBLE SPS461設備實現(xiàn)定向功能來進行GPS定位功能，其中1號吊上升，2號吊緩慢下降，實現(xiàn)翻身(見圖7)。

圖7 翻樁示意

5.3.3 壓錘沉樁

調整垂直度到位后，鋼管樁開始自沉，自沉結束后開錘沉樁至設計標高，并校核貫入度；項目距離岸線較遠，且為無掩護區(qū)域，施工范圍較廣，對GPS性能要求高[10]。

5.4 鋼桁架安裝

鋼管樁沉樁結束后，立即開始鋼桁架安裝，力爭在一個有效窗口期內全部完成?，F(xiàn)場安裝見圖8。

圖8 鋼桁架現(xiàn)場安裝

安裝精度控制措施:

(1)施工時首先將鋼桁架插尖長的腿先行對位，然后次腿，最后最短的腿就位，在下平聯(lián)管與樁頭接觸面，按照就高不就低原則，墊薄鋼板找平。

(2)在樁頂和桁架下水平撐中間焊接吊耳，方便使用葫蘆牽引，快速精準調節(jié)鋼桁架和樁對位。

(3)固定并焊接鎖樁筋板和哈弗接頭，完成第一次鋼桁架與基樁的整體聯(lián)接，避免由于風浪影響造成過大晃動和擾動，進而影響灌漿料灌漿質量以及后續(xù)強度增長。

5.5 灌漿作業(yè)

為確保灌漿作業(yè)安全、便捷，在鋼桁架上專門設計了灌漿作業(yè)平臺。鋼桁架安裝后，進行注漿施工，在施工后的基礎鋼平臺上配置一套0.35 m3滾筒攪拌機制備，利用導管入模。導管架與鋼管樁灌漿連接要求灌漿料具有高強度、高抗疲勞性的特點，并能滿足水下灌漿的要求[11]。

作業(yè)流程:灌漿料倒入攪拌機攪拌→合格后，向連接段的環(huán)腔內進行注漿→振搗，排除空氣→重復以上步驟，當漿液灌滿樁頂填充部位后，停止灌漿→孔口封蓋，灑水養(yǎng)護→做好灌注壓力和灌漿量的記錄。

連接段灌漿結束后，待灌漿達齡期后，進行測風塔上部塔架的安裝。

6 結論

近海海域施工窗口期短，不連續(xù)，需要專業(yè)的大型船機，本項目從施工安全性、成本以及施工經(jīng)驗成熟度方面考慮，創(chuàng)新采用高樁桁架方案，節(jié)省了鋼材用量。在短時間內完成測風塔的建設任務，充分發(fā)揮綠色施工對促進可持續(xù)發(fā)展的作用[12]，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟、市場品牌效益，并總結了以下經(jīng)驗，為近海深水測風塔施工提供了一定的參考價值。

(1)下部結構改“穿靴子”為“戴帽子”，即采用高樁承臺式結構作為基礎，縮短了窗口期，大幅降低了成本。

(2)沉樁采用俯打的方式進行，按逆時針繞測風塔中心完成沉樁，安全、高效。

(3)采用哈弗結構完成下部結構固定，降低了施工難度，保障了灌漿質量。