劉輝

【摘 要】隨著國家推進(jìn)新能源政策，我國風(fēng)電行業(yè)得到不斷發(fā)展。我國沿海蘊(yùn)藏著豐富的風(fēng)能資源，隨著風(fēng)電施工技術(shù)條件不斷成熟，風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展前景越來越廣闊。文章結(jié)合三峽新能源陽西沙扒海上風(fēng)電項(xiàng)目的工程實(shí)例，詳細(xì)介紹吸力筒式導(dǎo)管架式基礎(chǔ)灌漿關(guān)鍵施工技術(shù)，包括灌漿管線設(shè)計(jì)、施工要點(diǎn)和施工難點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】海上風(fēng)電;吸力筒;導(dǎo)管架;灌漿施工

【中圖分類號(hào)】TM614 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）12-0028-04

0 引言

目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的投資建設(shè)中，風(fēng)機(jī)成本占40%左右，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和施工費(fèi)用占50%～60%[1]。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用最為廣泛的是傳統(tǒng)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)，但是傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工工期長、成本高、未知性大[2-3]，而吸力筒作為一種應(yīng)用于海洋工程的新型基礎(chǔ)形式，始于20世紀(jì)70年代，最初應(yīng)用的是挪威國家石油公司于1998年研發(fā)的吸力筒式導(dǎo)管架基礎(chǔ)，并于1994年首次在實(shí)際工程中使用，2003年丹麥Frederikshavn海上風(fēng)電場(chǎng)第一次將吸力筒用在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)上。吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)使用幾十年了，技術(shù)非常成熟，但是國內(nèi)還沒有真正用于海上風(fēng)電場(chǎng)工程的吸力筒基礎(chǔ)，目前處于試驗(yàn)階段，如果試驗(yàn)成功加以推廣，則會(huì)成為未來我國導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的主流方向。

2020年三峽新能源陽西沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)突破國外技術(shù)壁壘，首次將三樁吸力筒式導(dǎo)管架式基礎(chǔ)應(yīng)用于國內(nèi)風(fēng)電工程的水下27～32 m淺覆蓋層當(dāng)中[4]，當(dāng)吸力筒結(jié)構(gòu)下沉，吸力筒筒頂?shù)目障恫捎霉酀{作業(yè)，直至填滿泥面以上吸力筒頂?shù)目臻g，這關(guān)系到該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗滑移、抗傾覆等穩(wěn)定性能，是三樁吸力筒式導(dǎo)管架式基礎(chǔ)施工的重要環(huán)節(jié)。

1 工程概況

三峽新能源陽西沙扒300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)位于廣東省陽江市陽西縣沙扒西側(cè)海域，場(chǎng)址涉海約50 km2，外圍風(fēng)機(jī)包絡(luò)海域面積約43.2 km2，水深在27～32 m。場(chǎng)址中心離岸距離約28 km，距陽江市陸域最近距離約25 km。場(chǎng)址西側(cè)有沙扒港航道，北側(cè)2 km為湛黃航道及陽江1號(hào)錨地區(qū)，東北側(cè)靠近陸地，為陽西大樹島海洋保護(hù)區(qū)，東側(cè)有陽西火電廠航道，南側(cè)為外海習(xí)慣航路。本項(xiàng)目3臺(tái)吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)安裝工程位于風(fēng)電場(chǎng)北部淺覆蓋層區(qū)域，風(fēng)機(jī)編號(hào)分別為15#、28#、43#。

2 吸力筒式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

2.1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該工程所用的三樁吸力筒式導(dǎo)管架由外平臺(tái)、過渡段、靠船件、導(dǎo)管架、吸力筒和“J”形管等附屬構(gòu)件組成，整個(gè)導(dǎo)管架由下部筒體、中部導(dǎo)管架、上部平臺(tái)分別加工后，再進(jìn)行焊接組合而成[5]。

2.2 導(dǎo)管架的運(yùn)輸和安裝

導(dǎo)管架在加工廠生產(chǎn)檢驗(yàn)完畢后，需要用駁船運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)場(chǎng)，吸力筒式導(dǎo)管架的裝船方式采用SPMT小車滾裝裝船方式，到達(dá)風(fēng)場(chǎng)后，進(jìn)行沉貫施工前先由專業(yè)的挖泥船清淤整平施工場(chǎng)地，方便后期的導(dǎo)管架安裝，清淤結(jié)束后進(jìn)行導(dǎo)管架的貫入分析[6，7]。

貫入分析和泵設(shè)備安裝調(diào)試之后進(jìn)行沉貫作業(yè)，吸力筒式導(dǎo)管架式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)貫入自重下沉過程和負(fù)壓下沉過程中，都應(yīng)控制下沉速率，基礎(chǔ)下沉各階段的下沉速率應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)貫入的偏差應(yīng)在允許范圍之內(nèi)[8]（如圖2所示）。

3 吸力筒式導(dǎo)管架灌漿施工

3.1 吸力筒灌漿部位

三樁吸力筒式導(dǎo)管架基礎(chǔ)貫入下沉結(jié)束之后，要求對(duì)吸力筒的筒頂與泥面空間進(jìn)行回填灌漿，將筒內(nèi)的海水排出，在海上風(fēng)電灌漿施工前必須做大量準(zhǔn)備工作，確保灌漿施工盡量一次性灌漿成功。根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖，吸力筒最大直徑為13 m，筒頂距離泥面高度為0.5 m，單筒理論灌漿量為66.3 m3，現(xiàn)場(chǎng)采用具高流動(dòng)性、自密實(shí)的灌漿料進(jìn)行灌注和填充（如圖3所示）。

3.2 吸力筒灌漿施工流程（如圖4所示）

一個(gè)筒體灌漿結(jié)束后，停止泵送，潛水員拆除管線，關(guān)閉通氣球型閥門，回收管線，通知船上控制室進(jìn)行移船到另外兩個(gè)吸力筒灌漿位置，重復(fù)上述的開始準(zhǔn)備、攪拌、泵送、灌漿及停止等工序，直至完成3個(gè)筒型基礎(chǔ)筒頂空間的灌漿。

3.3 灌漿管線預(yù)設(shè)

灌漿管線設(shè)置為1個(gè)裝有分配管的主灌漿管、2根備用灌漿管、1個(gè)出漿口。灌漿管線連接接頭位于吸力筒頂以上2 m處。此工程中采用的主灌漿管為直徑400 mm的管線，在接頭處變徑為內(nèi)徑65 mm的管線，通過法蘭與DN65的球閥相連，灌漿施工時(shí)需要將DN65法蘭的預(yù)制接頭與灌漿軟管連接，進(jìn)行灌漿（如圖5所示）。

3.4 灌漿管線連接

（1）在灌漿管線連接之前，由潛水員配合到達(dá)筒頂處，打開預(yù)制灌漿管口的連接接頭處的DN65球閥，分別在出漿管口和兩個(gè)備用灌漿管口處測(cè)量泥面到筒頂?shù)纳疃龋瑐髦良装蹇刂剖夜浪愎酀{用量，并將預(yù)備的導(dǎo)向繩水下一頭固定到筒頂處。

（2）潛水員在測(cè)量完成后，甲板人員根據(jù)設(shè)計(jì)要求連接灌漿管線，管線布置清晰可見，不得被其他遮蓋物覆蓋;由吊機(jī)配合甲板施工人員將連接好的灌漿軟管順著導(dǎo)向繩劃入水中，此過程要由潛水員順著導(dǎo)向繩糾正管線方向，特別是管線連接處，防止灌漿軟管卡在導(dǎo)管架上部斜撐角處，強(qiáng)拉引起管線斷開，確認(rèn)灌漿軟管下放到位后，潛水員將灌漿軟管一頭接到預(yù)留鋼管主灌漿管頭。

（3）灌漿前將灌漿管線固定在筒頂預(yù)制主灌漿管管口，管口外留10 m左右的軟管盤放在筒頂，起到止落作用，船上準(zhǔn)備好備用灌漿軟管放置在甲板附近，當(dāng)發(fā)生堵管或其他緊急情況時(shí)進(jìn)行快速更換。

（4）潛水員將預(yù)備的水下攝像頭固定在預(yù)制出漿管口處，方便甲板控制室及時(shí)觀察溢漿情況。

（5）將灌漿軟管從頭至尾全部檢查捋順，灌漿軟管中間角度不能太小，防止軟管打折影響后期灌漿料的泵送，所有檢查完畢后，將筒頂?shù)剿嬷g的灌漿軟管間隔用細(xì)繩固定在導(dǎo)管架的陽極塊或者斜撐上。

（6）確認(rèn)所有的灌漿軟管連接（軟管之間、軟管與泵之間、軟管與預(yù)制灌漿管之間）都正常后，對(duì)甲板軟管進(jìn)行固定。

4 吸力筒式導(dǎo)管架灌漿施工的難點(diǎn)

此工程屬于國內(nèi)首例三樁吸力筒式導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特殊，灌漿施工難度大，灌漿材料、灌漿位置、灌漿量等均與傳統(tǒng)灌漿有較大區(qū)別，灌漿施工只能借鑒以往傳統(tǒng)灌漿工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行施工安排。

4.1 灌漿管線的安裝和拆除

此項(xiàng)目與傳統(tǒng)水下灌漿施工不同，灌漿管線不是用預(yù)制鋼管連接至水上平臺(tái)，而是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水下灌漿管連接，吸力筒筒頂設(shè)計(jì)標(biāo)高為-30 m，如果采用灌漿軟管進(jìn)行水下接管，傳統(tǒng)的抱箍式接頭水下接管困難，潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大大增加，灌漿過程監(jiān)控判斷困難。因此，灌漿管線全部都是軟管連接，整個(gè)過程都是由潛水員和甲板人員配合完成，高度考驗(yàn)施工團(tuán)隊(duì)的專業(yè)性和協(xié)調(diào)能力。如果施工過程中灌漿管線連接出現(xiàn)問題，需要重新把整條管線吊至甲板全部清洗，從準(zhǔn)備工作開始重新施工。為了防止灌漿軟管中途由于壓力過大出現(xiàn)連接斷開問題，此項(xiàng)目中使用的灌漿軟管水下部分采用法蘭接頭，水上部分采用抱箍式接頭，并且在泵車出料口處設(shè)置壓力表，由專業(yè)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止施工過程中出現(xiàn)爆管、斷管等情況。

4.2 灌漿材料的性能

此項(xiàng)目施工時(shí)間長，施工溫度對(duì)灌漿材料用水量影響大，泵送灌漿料距離遠(yuǎn)，一般灌漿材料會(huì)出現(xiàn)離析，吸力筒灌漿對(duì)灌漿材料的強(qiáng)度要求不高，但灌漿深度較大，灌漿料需填充的空間大，水下灌漿施工難度較大，對(duì)材料水下澆筑的抗水分散性、可泵性、流動(dòng)性和可工作時(shí)間等要求極其苛刻，對(duì)灌漿設(shè)備的功效、穩(wěn)定性和船機(jī)配合也要求較高，難度極大。

此項(xiàng)目由中交港灣（上海）科技有限公司進(jìn)行施工，配備專業(yè)的灌漿設(shè)備和灌漿團(tuán)隊(duì)，灌漿材料選用該公司自主研發(fā)的海上風(fēng)電施工中大流動(dòng)度的專業(yè)灌漿材料OEM-HG-1000，灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格測(cè)試灌漿料溫度、流動(dòng)度、表觀密度等指標(biāo)，隨時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整用水量，適應(yīng)不同時(shí)間段的溫度變化，各個(gè)指標(biāo)符合要求以后才可泵入?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試灌漿材料技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

4.3 實(shí)際灌漿材料用量估算誤差大

此項(xiàng)目中采用的吸力筒基礎(chǔ)直徑大，導(dǎo)致筒頂空間灌漿量大，由于此結(jié)構(gòu)適用于砂性土和軟黏土海洋地質(zhì)條件，吸力筒在下放過程中，吸力泵向外抽水進(jìn)行負(fù)壓下沉，造成泥面不平，而海上風(fēng)電灌漿施工的特殊性在于施工開始后必須一次性完成，如果對(duì)灌漿方量估算不準(zhǔn)，可能會(huì)導(dǎo)致材料預(yù)備不夠，所以根據(jù)灌漿前的測(cè)量數(shù)據(jù)估算灌漿方量只能作為參考，具體以實(shí)際施工為準(zhǔn)。吸力筒灌漿前除根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙預(yù)算灌漿方量，還要多準(zhǔn)備20%左右的灌漿材料;吸力筒下沉過程中采用國內(nèi)先進(jìn)的技術(shù)和筒內(nèi)泥面整平技術(shù)，盡量準(zhǔn)確估算灌漿方量[4]。吸力筒式導(dǎo)管架灌漿施工材料用量分析圖如圖6所示。

4.4 灌漿工作量大，施工時(shí)間長

吸力筒式導(dǎo)管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特殊，必要情況下采用“三點(diǎn)灌漿法”施工，當(dāng)出現(xiàn)溢漿時(shí)必須停止泵送，等待灌漿料自流填滿整個(gè)空間，等待期間還會(huì)增加堵管的風(fēng)險(xiǎn)，灌漿施工時(shí)間過長（8～30 h），不確定性大，對(duì)施工人員形成諸多挑戰(zhàn)。此外，環(huán)境溫度變化大，影響灌漿料的拌合用水量，進(jìn)而影響灌漿材料的流動(dòng)度和出料溫度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使材料流動(dòng)度不夠，造成灌漿管線堵塞，影響灌漿施工進(jìn)程，因此施工人員采取輪班制，保證攪拌機(jī)和材料泵送連續(xù)作業(yè)，避免疲勞作業(yè)或者超負(fù)荷作業(yè);施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢測(cè)材料中的流動(dòng)度和環(huán)境溫度，隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整材料用水量;盡量選取下午或夜間施工，如遇下雨和高溫情況應(yīng)采用必要的防水和防曬措施，而且整個(gè)工作過程應(yīng)保持甲板清潔。

5 結(jié)語

此項(xiàng)目是目前國內(nèi)首次將三樁吸力筒式導(dǎo)管架式基礎(chǔ)應(yīng)用于海上風(fēng)電工程中，其中吸力筒筒頂空間灌漿也是國內(nèi)首例，借鑒以往傳統(tǒng)導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿施工經(jīng)驗(yàn)，克服施工過程中的難點(diǎn)，不斷積累總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為未來類似結(jié)構(gòu)施工提供參考。其對(duì)于開拓海上風(fēng)電場(chǎng)吸力筒基礎(chǔ)市場(chǎng)，推動(dòng)國內(nèi)海上風(fēng)電吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展，助力國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型都具有里程碑式的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]尚景宏.海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[2]孫緒廷，楊丹良，馬純杰.海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與可持續(xù)發(fā)展分析[J].山西建筑，2019（18）：64-65.

[3]賀赟.海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)專利技術(shù)發(fā)展及前景[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020（16）：41-42.

[4]陳旭光，馬慶松，許建鵬，等.適用于海洋電能下貫至海底面以下的負(fù)壓筒及安裝方法[P].中國專利：2016

10308046.9，2016-09-07.

[5]楊俊羅，超商輝，陶曉偉.MW級(jí)吸力筒式海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].2010年度海洋工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010：167-174.

[6]祁越，劉潤練，繼建.無黏性土中筒型基礎(chǔ)負(fù)壓下沉模型試驗(yàn)[J].巖土力學(xué)，2018（1）：139-150.

[7]賈楠.海上風(fēng)電單筒多艙型筒型基礎(chǔ)沉放調(diào)平機(jī)理及沉貫阻力研究[D].天津：天津大學(xué)，2017.

[8]張浦陽，黃宣旭.海上風(fēng)電吸力式筒型基礎(chǔ)應(yīng)用研究[J].南方能源建設(shè)，2018（4）：1-11.

[9]汪冬冬，陳克偉，王成啟，等.海上風(fēng)電導(dǎo)管架灌漿原型試驗(yàn)研究[J].海洋開發(fā)與管理，2018，35（S1）：140-

145.