沿海潮間帶風(fēng)電場土建施工技術(shù)研究與應(yīng)用

劉航軍, 程慧玲

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 工程概況

江蘇響水潮間帶 2臺試驗風(fēng)機位于響水縣陳港鎮(zhèn)沿海灘涂地區(qū),安裝了 1臺 2 MW、1臺 2.5 MW的風(fēng)電機組,總裝機容量 4.5 MW。兩臺風(fēng)電機組分別位于陸上響水風(fēng)電場 15#和 18#風(fēng)電機組外側(cè) 600 m。1臺試驗機組為上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司與德國 Aerodyn風(fēng)電設(shè)計公司聯(lián)合設(shè)計的新型風(fēng)力發(fā)電機組,單機容量 2 MW,型號為 SEC-2000,葉輪直徑 93 m,輪轂高度 70 m;1臺試驗機組為新疆金風(fēng)科技股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機組,單機容量 2.5 MW,型號為 GW100/2500,葉輪直徑 100 m,輪轂高度 100 m。風(fēng)電場升高電壓采用二級升壓方式,風(fēng)電機出口電壓690 V經(jīng)箱變升壓至 35 kV后,2臺試驗風(fēng)機分別通過 1回 35 kV海底電纜接入陸上響水風(fēng)電場場內(nèi) 35 kV集電線路,匯流至響水風(fēng)電場 220 kV升壓站后,最終通過響水風(fēng)電場 220 kV線路接入系統(tǒng)。

潮間帶風(fēng)電場土建施工項目主要包括圍堰填筑施工、道路及平臺填筑施工、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁施工和混凝土澆筑施工。預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在沿海淤泥質(zhì)地層中施工有專門的成熟工藝,可參考其他文獻資料,在此不再贅述?；炷翝仓┕づc國內(nèi)其他水電工程混凝土澆筑施工類似,主要增加了防腐蝕功能的添加劑,在此也不再一一敘述。

2 場區(qū)內(nèi)氣候及地質(zhì)、地貌情況

江蘇響水潮間帶試驗風(fēng)場位于響水縣北部沿海潮間帶上,距現(xiàn)有海堤約 600 m,高程約 1.0～1.3 m(1985國家高程基準(zhǔn))。場區(qū)地形較平緩,為潮水浸沒區(qū),屬海相沉積平原地貌單元。

場區(qū)位于北亞熱帶與溫暖帶的過渡地帶,屬季風(fēng)氣候區(qū),溫和潮濕,四季分明,冬夏較長。受海洋性氣候和大陸氣候的共同影響,季風(fēng)盛行,夏季炎熱多雨,多吹東南風(fēng),冬季寒冷少雨,多吹西北風(fēng)。常年平均氣溫為 13.7℃,年極端最低氣溫為 -15.0℃,年極端最高氣溫為 39.0℃;多年平均降雨量為 1 024 mm,多集中在 6～8月份;常年平均風(fēng)速大于 3 m/s。

場區(qū)內(nèi)自上而下分為 8個地層,分別為:①素填土(0～2 m厚);②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,②砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土;③砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土;④-1粉砂、④ -2粉細(xì)砂 (Q32m+al);⑤粉質(zhì)粘土(Q32m+al);⑥粘質(zhì)粉土;⑦粉質(zhì)粘土、⑦粉細(xì)砂(夾層);⑧粉細(xì)砂。

場區(qū)淺層地下水類型屬孔隙性潛水,場地土屬軟弱場地土,建筑場地類別為Ⅳ類,地震動反應(yīng)譜特征周期為 0.75 s。

根據(jù)現(xiàn)場實地勘察,地貌為典型臨海灘涂,地下水豐富,地下水位極高,現(xiàn)場近似為濕地,且地表土基本為淤泥質(zhì)粘土。地形地貌如圖 1所示。

根據(jù)已有水質(zhì)簡分析成果得知,擬建試驗風(fēng)電場處海水、地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具強腐蝕性;在長期浸水條件下,對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性,在干濕交替條件下,對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強腐蝕性;對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。設(shè)計應(yīng)采取防腐蝕措施。

圖 1 地形地貌示意圖

3 軟土地基特性及處理方法

3.1 軟土地基特性

軟土地基是指壓縮層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土或其他高壓縮性土構(gòu)成的地基。承載能力很低,一般不超過 50 kN/m3。軟土中最常見的、工程地質(zhì)性質(zhì)最差的為淤泥或淤泥質(zhì)土。通常工程上把天然孔隙比大于或等于 1.5的亞粘土、粘土稱為淤泥,而把孔隙比大于 1.0、小于 1.5的粘土稱為淤泥質(zhì)粘土。其主要特性為:

(1)孔隙比和天然含水量大。我國軟土的天然孔隙比 e一般在 1～2之間,淤泥和淤泥質(zhì)土的天然含水量 w=50%～70%,一般大于液限,高的可達 200%。

(2)壓縮性高。我國淤泥和淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)一般都大于 0.5 MPa,建造在這種軟土上的建筑物將發(fā)生較大的沉降,尤其是沉降的不均勻性會造成建筑物的開裂和損壞。

(3)透水性弱。軟土含水量大,但透水性卻很小,滲透系數(shù) k≤1(mm/d)。土體受荷載作用后,往往呈現(xiàn)很高的孔隙水壓力,影響地基的壓密固結(jié)。

(4)抗剪強度低。軟土通常呈軟塑-流塑狀態(tài),在外部荷載作用下,抗剪性能極差。根據(jù)部分資料統(tǒng)計,我國軟土無側(cè)限抗剪強度一般小于 30 kN/m2(相當(dāng)于 0.3 kg/cm2)。不排水剪時,其內(nèi)摩擦角 φ幾乎等于零,抗剪強度僅取決于凝聚力C,C＜30 kN/m2;固結(jié)快剪時,φ一般為 5°～15°。因此,提高軟土地基強度的關(guān)鍵是排水。如果土層有排水出路,它將隨著有效壓力的增加而逐步固結(jié)。反之,若沒有良好的排水出路,隨著荷載的增大,其強度可能衰減。

(5)靈敏度高。軟粘土上、尤其是海相沉積的軟粘土,在結(jié)構(gòu)未被破壞時具有一定的抗剪強度,但一經(jīng)擾動,抗剪強度將顯著降低。

(6)干燥淤泥質(zhì)粘土塊其強度相對較高。

3.2 軟土路基常用的處理方法及適用條件

(1)路基自重擠淤法。路基自重擠淤法是通過逐步加高的堤身自重將處于流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土外擠,并在路基自重作用下使淤泥或淤泥質(zhì)土中的孔隙水應(yīng)力充分消散和有效應(yīng)力增加,從而提高地基抗剪強度的方法。在擠淤過程中,為了不產(chǎn)生不均勻沉陷,應(yīng)放緩路基坡比、減慢路基填筑速度,分期加高。其優(yōu)點為可節(jié)約投資;缺點是施工期長。此法適合于地基呈流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土且工期不太緊的情況下采用。

(2)拋石擠淤法。拋石擠淤法是把一定量和粒徑的塊石拋在需進行處理的淤泥或淤泥質(zhì)土地基中,將原基礎(chǔ)處的淤泥或淤泥質(zhì)土擠走,從而達到加固地基的目的。一般按以下要求進行:將不易風(fēng)化的石料(尺寸一般不宜小于 30 cm)拋填于被處理路基中,拋填方向根據(jù)軟土下臥地層橫坡而定。橫坡平坦時,自路基中部漸次向兩側(cè)擴展;橫坡陡于 1∶10時,自高側(cè)向低側(cè)拋填。最后在其上面鋪設(shè)反濾層。這種方法施工技術(shù)簡單,投資較省,常用于處理流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土地基。

(3)換填法。換填法是把靠近基底的、不能滿足設(shè)計要求的軟土挖除,代之以人工回填的砂、碎石、石渣等強度高、壓縮性低、透水性好、易壓實的材料作為持力層。可以就地取材,價格便宜,施工工藝較為簡單,該法常在軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地采用。

(4)土工合成材料加筋加固法。土工合成材料加筋加固法是將土工合成材料平鋪于路基表面進行地基加大承載力,能使堤防荷載均勻分散到地基中。當(dāng)?shù)鼗赡艹霈F(xiàn)塑性剪切破壞時,土工合成材料將起到阻止破壞面形成或減少破壞發(fā)展范圍的作用,從而達到提高地基承載力的目的。此外,土工合成材料與地基土之間的相互摩擦將限制地基土的側(cè)向變形,從而增加地基的穩(wěn)定性。

軟土路基常用的處理方法還有預(yù)壓砂井法、振動水沖法、旋噴法、強夯法等,可根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況和土的特性選擇合適的處理方法。

4 場內(nèi)道路施工技術(shù)與施工工藝

4.1 場內(nèi)道路結(jié)構(gòu)形式

由于工程所在地石碴料十分緊缺,為減少其用量,降低工程投資,便于施工組織,加快施工進度,根據(jù)場區(qū)內(nèi)地貌情況及風(fēng)電場道路用途特點,本工程道路路基處理綜合采用了下述處理方法:路基自重擠淤法、拋石擠淤法、土工合成材料加筋加固法。道路典型斷面見圖 2。

圖 2 道路典型斷面圖

道路轉(zhuǎn)彎半徑不小于 32 m,采用 2%超高,超高過渡段為 20 m;轉(zhuǎn)彎采用 3～4 m加寬,加寬過渡段為 20 m。

4.2 工程施工難點及對策

工程施工難點:

(1)道路位于潮間帶,海域潮流的基本形態(tài)為每天二起二落,潮水漲退周期對施工影響較大;

(2)潮水漲退周期對施工影響較大且每天向后推遲 30 min左右,加之施工時間為 06∶00～17∶00,使有效施工時間縮短,漲潮時間見表 2;

(3)基礎(chǔ)素土填筑需要及時拋石護坡保護,因此素土填筑時間急劇縮短;

表 2 漲潮時間周期表

(4)潮間帶道路路基軟,淤泥深達 5～10 m,基礎(chǔ)難以壓實。

解決上述問題的對策:

(1)為了減少潮水對施工的干擾,提高填筑質(zhì)量,取消了填土,改為石料填筑;

(2)為了改善淤泥的基礎(chǔ)承載力,減少不均勻沉降,在路基底鋪設(shè)單層、雙向土工格柵,在土工格柵與填筑料間設(shè) 10 cm砂墊層。

4.3 路基處理施工技術(shù)及工藝

(1)恢復(fù)路基中線并加密中樁,測標(biāo)高,放出坡腳樁,樁上注明樁號,標(biāo)上填筑高度。

(2)清除填方范圍內(nèi)的草皮、樹根、樹樁、淤泥、積水并翻松、平整、壓實地基,經(jīng)監(jiān)理工程師認(rèn)可,實測填前標(biāo)高后上土填筑路基。

(3)選擇適宜的填筑材料,提前作好標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗,并經(jīng)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)試驗資料和所選擇的取料場。

(4)土工格柵的施工要求及注意事項:

土工合成材料的質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計要求,在平整的下承層上全斷面鋪設(shè),土工合成材料應(yīng)拉直平順,緊貼下承層;錨固端施工應(yīng)符合設(shè)計要求;接縫搭接粘合度應(yīng)符合要求;上下層土工合成材料搭接縫應(yīng)錯開。

土工合成材料在鋪設(shè)時,如有褶皺將不利于其強度的發(fā)揮。在工程中,為保證土工合成材料的鋪設(shè)質(zhì)量,采用插釘固定。

鋪設(shè)土工合成材料的土層表面如有堅硬凸出則易穿破土工合成材料,從而使單位寬度的土工合成材料強度降低,因此,在鋪設(shè)土工合成材料前,應(yīng)先將場地整平。

土工合成材料攤鋪好后,立即用土料填蓋。目前大部分土工合成材料由合成化工原料制成,這種材料受陽光紫外線照射易于老化,因此,鋪好后的土工合成材料需在兩天內(nèi)覆蓋。

(5)砂墊層。砂墊層應(yīng)無明顯的粗細(xì)粒料分離,最大粒徑不宜大于 5 mm。砂墊層寬度應(yīng)寬出路堤邊腳 0.5～1.0 m,兩側(cè)墻以干砌塊石護坡,以免砂料流失。

5 圍堰填筑及管樁施工平臺填筑施工

5.1 工程難點及對策

工程難點:

(1)受潮水影響,圍堰填筑素土?xí)r需要及時拋石護坡保護,拋石保護困難;

(2)管樁施工平臺直徑為 20 m,打樁機尺寸為 12 m×10 m,圍堰高于管樁施工平臺,管樁施工困難。

解決上述問題的對策:

(1)為了減少潮水對施工的干擾,取消了原設(shè)計方案,采用兩棲挖掘機集土,并在打樁平臺外圍鋪設(shè)彩條布,兩棲挖掘機填筑,彩條布包裹素土作為圍堰,打樁平臺內(nèi)部采用兩棲挖掘機集土,平臺面層采用粒徑較為均勻的石渣填筑,以利打樁機正常施工;

(2)為了管樁正常施工,將管樁施工平臺填筑到與安裝場地的高程一致。

5.2 平臺及圍堰填筑施工技術(shù)和工藝

圖 3 圍堰填筑施工示意圖

圖 4 管樁施工示意圖

設(shè)計為先用素土填筑,再填筑石渣?？紤]到施工現(xiàn)場實際情況,受潮水影響,每天兩次漲潮、退潮,因此,可以利用的施工時間短,從而造成素土受潮水浸泡變軟難以堆積成型;管樁施工平臺直徑為 20 m,打樁機尺寸為 12 m×10 m,圍堰高于管樁施工平臺,管樁施工困難。為了保證管樁施工設(shè)備、人員安全施工及管樁施工質(zhì)量,將管樁施工平臺材料改為碎石填筑,并將管樁施工平臺高程調(diào)整為與圍堰高程一致。

(1)彩條布施工程序:測量定位——鋪設(shè)彩條布——木樁固定——素土填筑——彩條布包裹。圍堰填筑施工情況見圖 3。

(2)平臺填筑:測量定位——素土回填——石渣回填。

管樁平臺填筑如圖 4所示,圖 4顯示的僅為填筑完成后的管樁平臺。

6 場內(nèi)道路及平臺維護

潮間帶道路的唯一性決定了場內(nèi)道路使用的頻繁性,而該路段通行的幾乎都是重車,重車碾壓造成的路面凹凸不平直接導(dǎo)致了道路維護的經(jīng)常性。每天兩次的潮起潮落均會帶走路面甚至路基中的部分細(xì)小顆粒,導(dǎo)致路面不平整度大增,堅石外露,對車輛行駛安全造成較大危害?，F(xiàn)場施工中,通過不斷鋪撒碎石和人工維護路面的方法解決這一問題。今后,在其他潮間帶道路施工中,可以在設(shè)計階段考慮改變路面結(jié)構(gòu)(例如沿路澆筑20 cm厚 C20混凝土車輪帶或者采用路面固化土工藝)來更有效的解決這一問題。

7 結(jié) 語

江蘇響水風(fēng)電場潮間帶內(nèi)各風(fēng)機之間的距離一般為 500～600 m,距陸地海堤亦約為 600 m,各風(fēng)機之間均需修建道路。而沿海灘涂地區(qū)(尤其是黃河入?？诘貐^(qū))潮間帶表層土基本為淤泥質(zhì)粘土,其地質(zhì)情況較差,且風(fēng)機施工進度對道路施工進度要求較高。本工程實施過程中,在投資、進度方面均能得到有效控制。如果設(shè)計方面再做進一步優(yōu)化和改進,潮間帶的土建項目施工技術(shù)將會進一步完善,將更具有指導(dǎo)和借鑒意義。