王國(guó)平，王俊杰，黃艷紅

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海200137）

0 引言

在我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，大直徑單樁基礎(chǔ)由于其海上施工工效高、可工廠化制作等優(yōu)勢(shì)，得以廣泛應(yīng)用。目前其海上作業(yè)主要是通過(guò)駁船運(yùn)輸至海上，通過(guò)起重船抬吊翻身后沉樁的施工工藝，所需大型船機(jī)設(shè)備較多。浮運(yùn)法是一種常用水上運(yùn)輸技術(shù)，廣泛運(yùn)用于港口[1]、橋梁[2]、沉管隧道[3]建設(shè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能。浮運(yùn)法運(yùn)用于海上風(fēng)電單樁運(yùn)輸，將優(yōu)化施工，達(dá)到降本增效的目的。本文開(kāi)展了海上風(fēng)電大直徑單樁浮運(yùn)施工研究，并應(yīng)用于江蘇如東H14號(hào)項(xiàng)目。

1 工程概況

江蘇如東H14號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目[4]位于如東近海海域，竹根沙東側(cè)。場(chǎng)地區(qū)域中心點(diǎn)離岸約為44 km，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用無(wú)過(guò)渡段單樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式。選擇2號(hào)基礎(chǔ)為典型施工對(duì)象，直徑為5.5 m，樁長(zhǎng)約為72 m，壁厚為55～70 mm，樁重約為627 t。單樁加工制作場(chǎng)地距離海上機(jī)位處約為27 n mile。

2 大直徑單樁浮運(yùn)施工工藝

大直徑單樁浮運(yùn)施工采用“樁頂、樁尖液壓封堵器封堵，以形成不透水密閉空間保證浮力、拖航平衡梁牽引與減小橫搖、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)感知與應(yīng)急處理、拖輪吊拖、單起重船借浮力豎樁起吊并完成沉樁”的工藝原理[5]，具體施工總體流程如圖1所示。

圖1 單樁浮運(yùn)施工工藝流程Fig.1 Monopile floating transportation construction process

3 封堵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及浮運(yùn)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

3.1 浮運(yùn)封堵系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

單樁浮運(yùn)是通過(guò)在單樁的樁頂和樁尖部位進(jìn)行封堵，使單樁內(nèi)部形成不透水的空間，以保持在海面上足夠的浮力，可以使用拖輪等動(dòng)力船舶拖帶的方式，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，并且能夠在起吊翻身時(shí)能夠借助浮力實(shí)現(xiàn)單吊機(jī)的扶正。

浮運(yùn)封堵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮以下因素：

1）封堵器必須確保在施工過(guò)程中封堵性能的完好。在歐洲某風(fēng)場(chǎng)的單樁浮運(yùn)實(shí)施過(guò)程中，曾發(fā)生兩次因封堵失效導(dǎo)致單樁沉沒(méi)的運(yùn)輸事故，因此必須保證浮運(yùn)過(guò)程中封堵性能完好。

2）拖航過(guò)程減小單樁的橫搖。單樁結(jié)構(gòu)由于其重心與形心重合，在風(fēng)浪流作用下，容易發(fā)生橫搖，且沒(méi)有回復(fù)力矩來(lái)恢復(fù)至初始狀態(tài)。而單樁起吊吊耳在單樁的兩側(cè)，如橫搖后無(wú)法恢復(fù)，則吊耳可能沒(méi)入水下，給現(xiàn)場(chǎng)后續(xù)吊樁施工帶來(lái)不便。

3）拖航作用點(diǎn)不能直接作用在封堵器上。由于單樁采用管樁吊耳且位于樁身中間，無(wú)法直接設(shè)置拖航點(diǎn)，因此需要在樁頂附近設(shè)置拖曳點(diǎn)，且拖曳點(diǎn)不應(yīng)直接作用在封堵器上，以防止拖航力使封堵器失效。

4）具備拖航狀態(tài)監(jiān)控和應(yīng)急排水功能。拖航過(guò)程需要嚴(yán)密監(jiān)控單樁姿態(tài)、封堵系統(tǒng)狀態(tài)，并能夠感知單樁內(nèi)部是否進(jìn)水，并在進(jìn)水警戒時(shí)及時(shí)將進(jìn)水排出單樁外部以保證浮力。

通過(guò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最終形成的單樁浮運(yùn)封堵系統(tǒng)由樁頂封堵器、樁尖封堵器、拖航平衡梁和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖2所示。樁頂封堵器[6]通過(guò)由液壓系統(tǒng)控制的L形勾爪，反向作用于內(nèi)平臺(tái)環(huán)板，使橡膠密封圈正向作用在內(nèi)平臺(tái)環(huán)板上實(shí)現(xiàn)端面密封。樁尖封堵器[7]通過(guò)液壓系統(tǒng)縱向擠壓橡膠密封圈，使密封圈徑向膨脹向外擴(kuò)充，填充封堵器與單樁內(nèi)壁縫隙，形成密封。拖航平衡梁為“啞鈴”狀，兩側(cè)浮箱在單樁橫搖時(shí)，一側(cè)沒(méi)入水中，一側(cè)出水面，兩側(cè)浮力不平衡形成回復(fù)力矩使單樁恢復(fù)初始狀態(tài)，同時(shí)在平衡梁上設(shè)置液壓固定裝置，使拖航平衡梁固定在單樁頂法蘭上，以避免拖曳力作用在樁頂封堵器上。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置蓄電池提供動(dòng)力，配置壓力傳感器、液位傳感器、角度傳感器等，可遠(yuǎn)程感知液壓系統(tǒng)壓力、內(nèi)部進(jìn)水情況、拖航姿態(tài)，并能夠通過(guò)蓄能器遠(yuǎn)程補(bǔ)壓等。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由單樁浮運(yùn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、液壓缸補(bǔ)壓控制兩部分組成，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖2 單樁浮運(yùn)封堵系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of monopile floating transportation plugging system

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成圖Fig.3 Composition diagram of remote monitoring system

3.2 拖航參數(shù)計(jì)算

3.2.1 吃水深度

單樁筒體長(zhǎng)度71.84 m，總重627 t，上下通徑外徑5.5 m，樁頂鋼板70 mm厚，樁尖鋼板60 mm厚，因此單樁的質(zhì)量分布沿長(zhǎng)度方向不均勻，各段吃水深度不相同，呈現(xiàn)一定角度的傾斜。

經(jīng)計(jì)算，單樁樁頂處吃水深度最大2.52 m，樁尖處吃水深度2.07 m。單樁與海面夾角0.362°。

3.2.2 拖航阻力

根據(jù)《海上拖航法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[8]、《海上拖航指南》[9]規(guī)定以及考慮拖航安全的保證，限定單樁浮運(yùn)的工況條件為，蒲式風(fēng)力不大于6級(jí)，拖航航速6 kn。

拖航阻力計(jì)算按照中國(guó)船級(jí)社《海上拖航指南》推薦的估算方法對(duì)單樁浮運(yùn)時(shí)的拖航阻力進(jìn)行計(jì)算。

拖航阻力計(jì)算公式：

式中：Rf為被拖單樁基礎(chǔ)的摩擦阻力，kN；Rb為被拖單樁基礎(chǔ)的剩余阻力，kN；A1為被拖單樁基礎(chǔ)的水下濕表面積，m2；V為拖航航速，取6 kn；A2為浸水部分的船中橫剖面積，m2；Cb為方形系數(shù)，；Δ為排水體積，m3；B為吃水時(shí)寬度，m；L為樁長(zhǎng)，m；H為吃水時(shí)深度，m。

考慮風(fēng)荷載時(shí)，其拖航阻力還包括空氣阻力，如式（4）：

式中：ρ為空氣密度，一般取1.22 kg/m3；V為風(fēng)速，考慮拖航途中突風(fēng)，取20.6 m/s；A為受風(fēng)面積，按照頂風(fēng)計(jì)算，m2；Cs為受風(fēng)面積A的形狀系數(shù)。

通過(guò)上述經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到單樁浮運(yùn)的拖航阻力約為15.3 kN。

3.2.3 橫搖參數(shù)

浮運(yùn)單樁在不受外界風(fēng)浪流荷載作用時(shí)保持水平浮運(yùn)狀態(tài)，拖航平衡梁左側(cè)浮箱浮力與右側(cè)浮箱浮力相等，如圖4（a）所示；當(dāng)單樁在外界荷載作用下發(fā)生橫搖時(shí)，拖航平衡梁兩側(cè)浮箱所受浮力不均衡，此時(shí)可產(chǎn)生反向的回復(fù)力矩，使單樁逐步恢復(fù)水平狀態(tài)，如圖4（b）所示。

圖4 單樁橫搖受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Rolling force diagram of monopile

對(duì)單樁穩(wěn)心取力矩平衡可得：

式中：M為單樁所受合力矩；M1為單樁受到的阻力矩，由海水的黏性產(chǎn)生；M2為重力產(chǎn)生的回復(fù)力矩；M3為浮力產(chǎn)生的回復(fù)力矩；M4為外界荷載產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩。

代入設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)仿真計(jì)算，拖航平衡梁的作用下，在波傾角最大值為10°的情況下，橫搖角最大不會(huì)超過(guò)6.14°，達(dá)到最大橫搖角時(shí)間為8.8 s。

3.3 單吊機(jī)起吊參數(shù)計(jì)算

采用單樁浮運(yùn)的方式，在運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后的吊裝過(guò)程中，可借助浮力作用，只使用一艘起重船就可完成單樁整個(gè)扶正起吊過(guò)程。但必須在借助浮力扶正過(guò)程中，單樁樁尖在最大吃水工況下，距離海底泥面仍有0.5 m的安全富裕，以保證安全。

經(jīng)驗(yàn)算，在借助浮力過(guò)程中，隨著吊耳的提升，樁尖入水深度越大，在單樁樁身傾斜約77°左右時(shí)，樁尖入水深度最大達(dá)到8.72 m，見(jiàn)表1。即機(jī)位水深超過(guò)9.2 m滿足要求。

表1 單樁扶正過(guò)程轉(zhuǎn)件入水深度計(jì)算統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table for calculation of water entry depth of rotating parts in the process of monopile centralization

4 單樁浮運(yùn)技術(shù)施工應(yīng)用

4.1 封堵器安裝及檢測(cè)

江蘇如東H14號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目選擇2號(hào)樁位單樁浮運(yùn)典型施工對(duì)象，在單樁預(yù)制場(chǎng)完成樁頂、樁尖和拖航牽引組件安裝作業(yè)后，依次進(jìn)行了氣密性測(cè)試和液壓系統(tǒng)保壓測(cè)試。

1）氣密性測(cè)試，測(cè)試壓力設(shè)定為11 kPa（0.11 bar），經(jīng)肥皂水檢測(cè)密封處，未發(fā)現(xiàn)明顯泄露情況；穩(wěn)壓1 h后，氣壓檢測(cè)為10 kPa（0.10 bar）；保壓12 h后，氣壓穩(wěn)定在10 kPa（0.10 bar），氣密性合格。

2）液壓系統(tǒng)保壓測(cè)試，樁頂封堵器12個(gè)油缸平均油壓14.4 MPa，樁尖封堵器12個(gè)油缸平均油壓15.4 MPa，保壓時(shí)間48 h，樁頂封堵器壓力下降值平均為0.1 MPa，樁尖封堵器油壓平均下降0.9 MPa，所有油缸油壓均保持在工作壓力范圍內(nèi)，滿足需求。

4.2 下水及拖航

在完成單樁封堵器安裝和檢測(cè)工作后，依次完成樁身綁靠纜繩安裝、航標(biāo)燈安裝、浮球安裝及拖航纜繩安裝。單樁下水采用前后兜吊的方式進(jìn)行吊點(diǎn)位置為主吊耳及單樁樁尾無(wú)油漆段。拖航為主拖輪在單樁前端主拖，拖曳點(diǎn)設(shè)置位于固定在樁頂法蘭上的拖航平衡梁上，以保證拖曳力作用在單樁上；輔助錨艇在單樁尾部帶纜防甩尾，帶纜點(diǎn)為加設(shè)的樁尖耳板上。

拖航過(guò)程中，單樁的俯仰角變化不大，始終保持在-1°左右，即樁頂部分吃水相比較樁尖部分較深，整個(gè)浮運(yùn)過(guò)程平穩(wěn)。而橫搖角度在一定范圍內(nèi)往復(fù)變化，絕對(duì)平均值為4.43°，在拖航過(guò)程中，轉(zhuǎn)向時(shí)，會(huì)發(fā)生較大的橫搖，極值小于15°，并在極值產(chǎn)生后均能夠及時(shí)震蕩恢復(fù)，可以看出拖航平衡梁對(duì)浮運(yùn)過(guò)程中的橫搖糾偏作用有效。

4.3 起吊及沉樁施工

單樁到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，主拖輪根據(jù)水流方向，將單樁按順?biāo)鞣较蛲现量坎创付ㄎ恢?，完成靠泊作業(yè)。掛主吊鋼絲繩，主起重船借助浮力完成扶正和起吊作業(yè)。依次入龍口、自重入泥、掛液壓錘和沉樁作業(yè)，經(jīng)檢驗(yàn)單樁垂直度0.09%，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1）單樁基礎(chǔ)采用浮運(yùn)的運(yùn)輸方案，節(jié)約了運(yùn)輸駁的配置，同時(shí)采用單起重船借助浮力扶正起吊的技術(shù)，省去了翻身輔助起重船的配置，節(jié)約了項(xiàng)目船機(jī)成本，具備較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2）樁頂封堵器、樁尖封堵器采用液壓系統(tǒng)配合橡膠密封圈的封堵方法，能夠有效保證單樁浮運(yùn)過(guò)程中密封性能的完好，確保單樁浮運(yùn)的安全實(shí)施。

3）拖航平衡梁利用橫搖時(shí)兩側(cè)浮箱浮力不平衡而產(chǎn)生的回復(fù)力矩，實(shí)現(xiàn)拖航過(guò)程中單樁姿態(tài)的平穩(wěn)，方便了后續(xù)沉樁作業(yè)。

4）依托江蘇如東H14號(hào)海上風(fēng)電項(xiàng)目，對(duì)單樁浮運(yùn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研制了單樁浮運(yùn)樁頂、樁尖封堵器和拖航平衡梁，形成了配套的施工工藝，并成功實(shí)施。單樁浮運(yùn)技術(shù)的形成，也為將來(lái)海上風(fēng)電超大型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式提供了一種新思路。