鄭喜平

(中國鐵建港航局集團(tuán)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(fēng)能資源條件，尤其廣東、福建、江蘇等沿海地區(qū)風(fēng)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(biāo)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(fēng)能的開發(fā)更是發(fā)展迅速，已逐漸走向深遠(yuǎn)海域。

風(fēng)資源評估對風(fēng)電場的選址、前期建設(shè)起著關(guān)鍵性的作用。測風(fēng)塔作為獲取第一手風(fēng)能資料的結(jié)構(gòu)，在前期風(fēng)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(fēng)場測風(fēng)塔建造為例，總結(jié)近海深水海域測風(fēng)塔設(shè)計(jì)、建造經(jīng)驗(yàn)，以期為將來海上風(fēng)電場的建設(shè)積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2]。

2 工程概況

2.1 概況

電陽江青洲三海上風(fēng)電場項(xiàng)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(xiàng)目場址面積81.03 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量500 MW[3]。建設(shè)1座海上自立型測風(fēng)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(zhì)情況

2.2.1 地質(zhì)條件

勘測期間場區(qū)內(nèi)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(fēng)電場項(xiàng)目測風(fēng)塔選址位于前期地質(zhì)鉆孔YJK06孔位置。

YJK06鉆孔主要設(shè)計(jì)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(shí)，浮重度6～9.7 kN/m3，砂土內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)值為1 900～8 550 kPa。

2.2.2 水文條件

(1)水深及設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)高、低水位分別為224 cm和-77 cm，均為國家85高程基準(zhǔn)下的水位。

(2)設(shè)計(jì)風(fēng)速

10 m處25年一遇、5年一遇和2年一遇10 min平均風(fēng)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(fēng)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(zhì)屬不規(guī)則半日潮流區(qū)[4]。潮流是風(fēng)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(fēng)塔基礎(chǔ)形式選擇

傳統(tǒng)風(fēng)場測風(fēng)塔基礎(chǔ)形式有:單樁、三樁三角形、四樁四邊形桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對接；漂浮式適用于深海海域[5]。本項(xiàng)目風(fēng)場水深40 m以上，離岸距離超50 km，屬近海深水海區(qū)，風(fēng)大浪高，需采用四樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而其主要結(jié)構(gòu)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(chǔ)形式。

3.1 先樁法水上鋼桁架高樁基礎(chǔ)形式

該種基礎(chǔ)形式主要由4根鋼管樁及上部鋼桁架結(jié)構(gòu)組成，先打樁，再安裝鋼桁架，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 先樁法水上鋼桁架測風(fēng)塔立面布置

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，建造周期短，基礎(chǔ)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(diǎn):(1)基樁懸臂較長，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平剛度低，整體韌性差，抗臺風(fēng)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(jié)部位灌漿質(zhì)量是難點(diǎn)。

3.2 后樁法坐底導(dǎo)管架低樁基礎(chǔ)形式

該種基礎(chǔ)形式主要由坐底式導(dǎo)管架及四根直立式鋼管樁組成，先安裝導(dǎo)管架，后插打樁。結(jié)構(gòu)形式如圖2所示[6]。

圖2 后樁法坐底式鋼桁架測風(fēng)塔立面布置

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)水平剛度強(qiáng)，整體韌性高，抗臺風(fēng)能力強(qiáng)，安全儲備高?；鶚稑稄叫。瑯堕L短。

缺點(diǎn):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(dǎo)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(zhì)量不易控制，風(fēng)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(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)

根據(jù)分析，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用了第一種基礎(chǔ)形式；同時進(jìn)行了兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，一是增加單樁的剛度，二是改進(jìn)鎖樁、夾樁體系實(shí)現(xiàn)快速安裝。

考慮可預(yù)計(jì)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(jié)構(gòu)桁架本體快速夾樁體系，使結(jié)構(gòu)整體受力。并確保在一定的風(fēng)浪條件下，夾樁結(jié)構(gòu)體發(fā)揮出拉壓效果，抵抗一定的水平力，結(jié)構(gòu)僅發(fā)生可控的晃動；在后續(xù)樁端孔內(nèi)灌漿作業(yè)時，確保順利進(jìn)行和后續(xù)灌漿料強(qiáng)度正常增長[7]。

4.1 增加單樁的剛度

原鋼管樁設(shè)計(jì)壁厚為3 cm，通過增加樁壁厚度以及部分階段樁內(nèi)壁焊接加強(qiáng)筋的方式，進(jìn)而增強(qiáng)單樁抗彎抗屈曲強(qiáng)度。通過SACS軟件建模計(jì)算，沉樁完成后單樁無側(cè)向支撐下可以承受5年一遇(14級強(qiáng)風(fēng)、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(jié)構(gòu)優(yōu)化見圖3。

圖3 先樁法測風(fēng)塔鋼管樁及鎖樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置

4.2 快速鎖樁結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

沉樁結(jié)束后，傳統(tǒng)方案是及時進(jìn)行臨時結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系重量達(dá)到120 t，結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(fēng)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?yàn)楹＠伺拇颍Y(jié)構(gòu)整體變成龐大的阻力體系。在外力作用下，結(jié)構(gòu)更易被破壞。

◎在醫(yī)院的學(xué)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(rèn)為如果采用傳統(tǒng)做法，在深水海域特定的條件下，施工風(fēng)險極大。

通過深化研究，我們優(yōu)化了高樁結(jié)構(gòu)施工思路:4根樁基打樁和鋼桁架安裝在一個窗口期內(nèi)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(nèi)完成(大約3 d)?？傮w工期內(nèi)，海上施工條件不超過5年一遇的荷載工況。灌漿材料達(dá)到28 d后，結(jié)構(gòu)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(jié)束后，安裝鋼桁架，在桁架體下橫梁管上預(yù)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(jié)構(gòu)本體設(shè)計(jì)制作了人行通道和焊接作業(yè)平臺。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)塔基礎(chǔ)施工技術(shù)

5.1 施工準(zhǔn)備

測風(fēng)塔基礎(chǔ)施工需考慮近海海域的風(fēng)、浪、潮等條件，選好施工窗口期，做好施工準(zhǔn)備，包括海況調(diào)查、施工裝備調(diào)遣、通航評估、航標(biāo)設(shè)置、鋼結(jié)構(gòu)加工、有經(jīng)驗(yàn)作業(yè)隊(duì)伍選擇、方案交底等[9]。

5.1.1 主要船機(jī)設(shè)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(fù)責(zé)拖船就位。

采用GRLWEAP軟件進(jìn)行打樁分析。通過打樁分析結(jié)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(yīng)力為180 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(fēng)向情況進(jìn)行船位設(shè)計(jì)。

5.2 總體施工流程

打樁船就位→運(yùn)輸駁靠駁→鋼管樁沉樁→樁頂標(biāo)高測量→鋼桁架解綁、吊裝→調(diào)平→灌漿。

5.3 沉樁施工

(1)施工流程:發(fā)動樁船主機(jī)→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(jìn)龍口套入替打帽→在測量人員指揮下進(jìn)行定位→下樁入土2～3 m時暫停下，進(jìn)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(shè)計(jì)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(yùn)采用雙鉤四點(diǎn)起吊。每根樁上共設(shè)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(shè)備實(shí)現(xiàn)打樁定位功能，一臺TRIBLE SPS461設(shè)備實(shí)現(xiàn)定向功能來進(jìn)行GPS定位功能，其中1號吊上升，2號吊緩慢下降，實(shí)現(xiàn)翻身(見圖7)。

圖7 翻樁示意

5.3.3 壓錘沉樁

調(diào)整垂直度到位后，鋼管樁開始自沉，自沉結(jié)束后開錘沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并校核貫入度；項(xiàng)目距離岸線較遠(yuǎn)，且為無掩護(hù)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(jié)束后，立即開始鋼桁架安裝，力爭在一個有效窗口期內(nèi)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(zhǔn)調(diào)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(fēng)浪影響造成過大晃動和擾動，進(jìn)而影響灌漿料灌漿質(zhì)量以及后續(xù)強(qiáng)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(shè)計(jì)了灌漿作業(yè)平臺。鋼桁架安裝后，進(jìn)行注漿施工，在施工后的基礎(chǔ)鋼平臺上配置一套0.35 m3滾筒攪拌機(jī)制備，利用導(dǎo)管入模。導(dǎo)管架與鋼管樁灌漿連接要求灌漿料具有高強(qiáng)度、高抗疲勞性的特點(diǎn)，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(jī)攪拌→合格后，向連接段的環(huán)腔內(nèi)進(jìn)行注漿→振搗，排除空氣→重復(fù)以上步驟，當(dāng)漿液灌滿樁頂填充部位后，停止灌漿→孔口封蓋，灑水養(yǎng)護(hù)→做好灌注壓力和灌漿量的記錄。

連接段灌漿結(jié)束后，待灌漿達(dá)齡期后，進(jìn)行測風(fēng)塔上部塔架的安裝。

6 結(jié)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(jī)，本項(xiàng)目從施工安全性、成本以及施工經(jīng)驗(yàn)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(nèi)完成測風(fēng)塔的建設(shè)任務(wù)，充分發(fā)揮綠色施工對促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的作用[12]，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)、市場品牌效益，并總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)，為近海深水測風(fēng)塔施工提供了一定的參考價值。

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

(2)沉樁采用俯打的方式進(jìn)行，按逆時針繞測風(fēng)塔中心完成沉樁，安全、高效。

(3)采用哈弗結(jié)構(gòu)完成下部結(jié)構(gòu)固定，降低了施工難度，保障了灌漿質(zhì)量。