陳進(jìn)河,楊浩淼,李 智,吳加文

(長(zhǎng)江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司,福建 福州 350309)

海上風(fēng)能資源儲(chǔ)量巨大，世界各國(guó)正在紛紛發(fā)展海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)[1-2]。我國(guó)海上風(fēng)電規(guī)劃總量超過8 000萬(wàn)kW，重點(diǎn)布局在福建、廣東、江蘇、浙江等地，開發(fā)前景廣闊[3-4]。福建海域受臺(tái)灣海峽“狹管效應(yīng)”影響，海平面以上90 m高度處平均風(fēng)速達(dá)8.5～10 m/s，是我國(guó)海上風(fēng)能資源最豐富的地區(qū)。風(fēng)能資源的測(cè)量與評(píng)估作為風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)建設(shè)的重要技術(shù)支撐，影響著整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益[5]。因此，有必要在工程建設(shè)場(chǎng)地進(jìn)行海上測(cè)風(fēng)塔建設(shè)，獲取準(zhǔn)確的風(fēng)資源數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)。

長(zhǎng)樂外海地處臺(tái)灣海峽，地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地多為丘陵、海岸階地地貌，局部有海溝，地形起伏大。場(chǎng)址區(qū)海況惡劣，常年盛行東北季風(fēng)，風(fēng)力時(shí)常超過6級(jí)，流速超過2 m/s，外海涌浪是近海的3～4倍、波浪有效波高是近海的1.5～3倍，且施工窗口期短，在每年10月至次年的4月，基本無(wú)施工窗口期[6]，其余月份存在施工安全的窗口期，但不連續(xù)。長(zhǎng)樂外海海域規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)址離岸距離超過25 km，水深超過40 m，在規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)址內(nèi)建設(shè)測(cè)風(fēng)塔，無(wú)成熟設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)可借鑒，施工難度極大。本文結(jié)合前期測(cè)風(fēng)塔建設(shè)失敗教訓(xùn)，總結(jié)長(zhǎng)樂外海測(cè)風(fēng)塔成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以期為將來海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也可為海上樁基施工提供參考。

1 前期測(cè)風(fēng)塔建設(shè)分析

2017年4月，在長(zhǎng)樂外海海域開展自立式測(cè)風(fēng)塔建設(shè)，測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，即鋼管樁+水上導(dǎo)管架基礎(chǔ)，鋼管樁長(zhǎng)度為125 m、單根樁重為170 t，導(dǎo)管架高度為10 m，重量約200 t。在施工海域完成測(cè)風(fēng)塔4根鋼管樁沉樁作業(yè)和夾樁后，受風(fēng)浪影響，船機(jī)被迫撤離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一段時(shí)間后，現(xiàn)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)、鋼管樁發(fā)生傾倒破壞。

分析原因，一方面，外海海域波浪力作用強(qiáng)烈，成樁后樁頂若未約束自由擺動(dòng)幅度可超過1 m。因樁頂臨時(shí)夾樁措施失效，群樁未形成整體結(jié)構(gòu)，造成單樁疲勞破壞。另一方面，作業(yè)船的船舶型深及吃水深度淺，抗涌浪能力弱，在外海海域無(wú)法形成連續(xù)施工作業(yè)。綜上，近海區(qū)域海上風(fēng)電、橋梁等設(shè)計(jì)和施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，無(wú)法照搬至外海海域海上風(fēng)電建設(shè)，需要加強(qiáng)對(duì)深遠(yuǎn)海的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行設(shè)計(jì)方案、施工技術(shù)的探討與論證。

2 項(xiàng)目概況

2.1 新建測(cè)風(fēng)塔位置

新建海上測(cè)風(fēng)塔位于福州市長(zhǎng)樂區(qū)東南方外海海域，離岸距離為29.5 km，水深超過40 m，測(cè)風(fēng)塔位置見圖1。

圖1 測(cè)風(fēng)塔位置示意

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1地質(zhì)條件

勘察報(bào)告顯示，場(chǎng)址泥面高程為-37.9 m，地貌類型為丘陵海岸地貌，場(chǎng)區(qū)覆蓋層厚度為85 m，主要以粘性土、砂土為主，淺部埋深22 m范圍內(nèi)均為淤泥質(zhì)土及淤泥混砂，呈流動(dòng)～流塑狀。勘察期間測(cè)風(fēng)塔位置水深在41～44 m范圍內(nèi)。

2.2.2水文條件

海洋水文資料，采用工程附近區(qū)域平潭海洋站的相關(guān)資料。

1) 氣象

福建沿?？傮w受季風(fēng)氣候影響，冬季風(fēng)向以北風(fēng)或偏北風(fēng)為主，平均風(fēng)力達(dá)5級(jí)左右；夏季風(fēng)向以南風(fēng)或偏南風(fēng)為主，平均風(fēng)力3級(jí)。夏、秋季臺(tái)風(fēng)多發(fā)，沿海地區(qū)地形復(fù)雜，風(fēng)況變化大，最大風(fēng)速一般在24 ～40 m/s左右，當(dāng)臺(tái)風(fēng)登陸或過境時(shí)，極大風(fēng)速可達(dá)60 m/s以上。

2) 潮汐

長(zhǎng)樂外海海域?qū)儆谡?guī)半日潮，平均潮差為4.24 m。以1985國(guó)家高程為基準(zhǔn)，極端高水位為4.56 m，極端低水位為-3.79 m。潮位基面關(guān)系見圖2。

3) 風(fēng)暴潮

根據(jù)福建沿海各潮位站實(shí)測(cè)潮位資料，將天文潮位和臺(tái)風(fēng)暴潮水位分離后得到各測(cè)站的臺(tái)風(fēng)暴潮增水情況，最大增水幅度達(dá)2.5 m以上，增幅大于1 m的經(jīng)常出現(xiàn)。

圖2 潮位基面關(guān)系示意

4) 潮流

受正規(guī)半日潮影響，本工程海域潮流為往復(fù)流。受海流、季節(jié)風(fēng)、地形影響，潮流顯得比較復(fù)雜。潮流可能最大流速為89 cm/s，流向?yàn)?00°。

5) 波浪

施工海域海浪大，全年有效波高平均值為1.09 m，最大值為5.51 m。全年以風(fēng)浪和涌浪兼有的混合浪居多，年頻率達(dá)86%，其中，以涌浪為主的波形占63%，以風(fēng)浪為主的波形占6%，風(fēng)浪和涌浪同高分不清主次的占17%，單一風(fēng)浪的情況不多，年頻率占13%；單一涌浪更為少見，年頻率不足1%。秋冬春三季以涌浪為主，夏季以單一風(fēng)浪為主。

2.2.3施工期間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2019年6月2日至6月10日基礎(chǔ)施工期間，利用作業(yè)船的探測(cè)設(shè)備，對(duì)施工海域的水文氣象進(jìn)行監(jiān)測(cè)。施工期間最大流速超過1.5 m/s，平均潮差為4.8 m，涌浪無(wú)規(guī)律可循。水下作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，施工海域隨水深不同呈多層旋轉(zhuǎn)流，海底流速大。利用工作母船的測(cè)風(fēng)儀，對(duì)距海面高度30 m處的風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，每4 h讀取1次數(shù)據(jù)。此外，通過作業(yè)船的水深探測(cè)儀對(duì)水深實(shí)時(shí)測(cè)量，每1 h讀取1次數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向及水深數(shù)據(jù)見表1。

表1 施工期間實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，施工海域流速、潮差均大于平潭海洋站的測(cè)量數(shù)據(jù)，且風(fēng)速、風(fēng)向波動(dòng)較大。此外，作業(yè)期間發(fā)現(xiàn)施工海域漲潮期或退潮期，常出現(xiàn)海面風(fēng)浪大但海底涌流小，或海面風(fēng)浪小但海底涌流大的狀況，僅平潮期風(fēng)浪流條件相對(duì)均衡，適合開展水下作業(yè)。但平潮期持續(xù)時(shí)間短、時(shí)間間隔長(zhǎng)，對(duì)施工效率影響大；由于水下存在多層旋轉(zhuǎn)流，給水下定位測(cè)量控制和潛水員水下施工帶來極大困難。

3 測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)形式選擇

目前海上風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)形式主要有樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、桶形基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)等[7-9]，不同的基礎(chǔ)形式適用于不同的水深(如表1所示)。

表1 不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式適用水深范圍

坐底式導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平剛度大、穩(wěn)定性好、施工便利、適于水深較深的海域[10]。根據(jù)場(chǎng)址的地質(zhì)條件、水深情況、施工難易程度及前期測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，選擇外側(cè)打樁的坐底式導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案(如圖3所示)。

圖3 外側(cè)打樁的坐底式導(dǎo)管架基礎(chǔ)示意

外側(cè)打樁方案通過導(dǎo)管架自身的柱套筒定位，無(wú)需設(shè)置水下打樁定位架，且樁長(zhǎng)較短，無(wú)需接樁。但海上窗口期有限，施工海域波浪較大，導(dǎo)管架自穩(wěn)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，且部分工序需水下作業(yè)，如水下送樁、水下灌漿。

新建海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用四樁導(dǎo)管架，鋼管樁直徑為1.6 m，長(zhǎng)度為73.9 m，重量為80 t/根，合計(jì)為320 t；導(dǎo)管架底部尺寸為22.7 m×22.7 m，上部平臺(tái)為10.2 m×10.2 m，高度為50.9 m，重量為380 t；鋼管樁與導(dǎo)管架連接段采用灌漿連接。

4 四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)

4.1 施工準(zhǔn)備

測(cè)風(fēng)塔施工的各項(xiàng)工序均需考慮外海海域的大風(fēng)、大霧、海浪等條件，應(yīng)做好施工前的準(zhǔn)備，包括適合測(cè)風(fēng)塔施工時(shí)段的調(diào)查、施工設(shè)備資源的投入、施工工藝的確定、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的認(rèn)識(shí)等。

4.1.1浮吊船拋錨就位

工作母船利用DGPS設(shè)備，在測(cè)風(fēng)塔建設(shè)位置附近進(jìn)行拋錨就位，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)海流方向及風(fēng)向情況進(jìn)行船位設(shè)計(jì)(如圖4所示)。

圖4 工作母船拋錨位置示意

4.1.2船機(jī)設(shè)備

導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工船舶設(shè)備包括工作母船為1700T全回轉(zhuǎn)浮吊船“德瀛”，拋錨船為“北海救131”，拖船為“東海救131”，運(yùn)輸駁船為“振新8”，警戒船為“新港拖6”。

浮吊船總長(zhǎng)為115 m、型寬為45 m、型深為9 m、滿載吃水10 m，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力。浮吊船主鉤起吊能力1 700 t，副鉤起吊能力200 t，起吊高度超過80 m，滿足此次吊裝作業(yè)。

4.2 基礎(chǔ)施工流程

浮吊船拋錨就位→地貌調(diào)查→導(dǎo)管架定位安裝→鋼管樁沉樁→水下灌漿→完成測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)安裝。鋼管樁采用液壓錘擊法沉樁。

4.3 樁基施工工藝

4.3.1導(dǎo)管架沉放

導(dǎo)管架安裝流程：運(yùn)輸駁船靠泊工作母船→主鉤連接導(dǎo)管架頂部平臺(tái)吊耳→拆除運(yùn)輸固定工裝→導(dǎo)管架起吊懸空→駁船駛出→導(dǎo)管架下沉→導(dǎo)管架坐底→施工測(cè)量→解鉤。

導(dǎo)管架6月4日07:00起吊，11:50坐底完成，整個(gè)安裝過程歷時(shí)近5 h。導(dǎo)管架下沉過程中，利用工作船自帶的定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管架中心位置和結(jié)構(gòu)自身姿態(tài)。安裝完成經(jīng)過測(cè)量，導(dǎo)管架定位中心距、方位角及導(dǎo)管架自身的水平度均滿足設(shè)計(jì)要求(如圖5所示)。

圖5 導(dǎo)管架完成坐底示意

4.3.2鋼管樁施工

施工流程：運(yùn)輸駁船靠泊工作母船→吊樁→鋼管樁反正→定位插樁→潛水員下水輔助插樁→鋼管樁套入導(dǎo)管架套筒→解鉤→插對(duì)角樁→錘擊沉樁→至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停錘→沉樁結(jié)束→進(jìn)行剩余鋼管樁插樁沉樁作業(yè)。施工區(qū)域風(fēng)浪較大，為防止導(dǎo)管架及鋼管樁傾覆，采取先對(duì)角插樁后沉樁，再進(jìn)行剩余2根鋼管樁插樁沉樁作業(yè)，即1#樁插樁→3#樁插樁→1#樁沉樁→3#樁沉樁→4#樁插樁→2#樁插樁→4#樁沉樁→2#樁沉樁，其中樁位編號(hào)見圖4。

6月4日18:40進(jìn)行1#樁插樁，6月6日05:50 鋼管樁沉樁全部完成，沉樁數(shù)據(jù)見表3所示。因水下定位插樁采取潛水員水下引導(dǎo)的方式，受風(fēng)浪條件影響，潛水員只能在風(fēng)浪流相對(duì)均衡的平潮期內(nèi)下水作業(yè)，若在平潮期內(nèi)未能完成引導(dǎo)定位工作，只能等待下一個(gè)平潮期，極大增加了現(xiàn)場(chǎng)水下定位工作的難度，此次沉樁過程歷時(shí)35 h。

表3 打樁過程情況記錄

4.3.3連接段灌漿施工

施工流程：攪拌平臺(tái)搭建→水下灌漿管、灌漿封隔器氣管連接→灌漿封隔器充氣密封→泵送灌漿料→水下檢查灌漿料溢出→水下灌漿管、封漿器氣管拆除。

6月8日09:15第1根樁開始灌漿，09:55完成灌漿。6月10日10:20第4根樁開始灌漿，10:58完成灌漿，每根樁的灌漿數(shù)據(jù)見表4。

表4 灌漿過程情況記錄

施工過程中發(fā)現(xiàn)，灌漿封堵及水下灌漿是灌漿連接的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。一方面，在樁靴內(nèi)預(yù)埋灌漿封隔器，通過充氣來封堵鋼管樁與樁靴空隙，若封堵不嚴(yán)將導(dǎo)致灌漿料流失；另一方面，水下灌漿質(zhì)量控制難度極大，只能通過潛水員下水查看灌漿料是否溢出的方式來檢測(cè)。受水下作業(yè)時(shí)機(jī)的限制，此次灌漿施工歷時(shí)約50 h。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)外海海域開發(fā)建設(shè)海上測(cè)風(fēng)塔缺乏成熟施工經(jīng)驗(yàn)的問題，總結(jié)長(zhǎng)樂外海海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)，探討外側(cè)打樁四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)在外海海域的施工工藝，得到如下結(jié)論：

外海的施工窗口期極短，且不連續(xù)，加大施工設(shè)備資源投入，尤其是船機(jī)設(shè)備，提高抗風(fēng)浪能力，可適當(dāng)延長(zhǎng)施工窗口期，保證施工方案可靠、安全實(shí)施。

外海海域僅平潮期風(fēng)浪流條件相對(duì)均衡，適合開展水下作業(yè)。但平潮期時(shí)間短暫，且時(shí)間間隔較長(zhǎng)，對(duì)外海施工效率影響較大。因此，應(yīng)盡量減少水下作業(yè)。