大直徑樁身開孔單樁在海上風(fēng)電中的應(yīng)用

趙黎明，林 爍，黃艷紅，雷俊卿

（1.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137；2.上海臨港海上風(fēng)力發(fā)電有限公司，上海 200010）

引言

近年來海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，單樁基礎(chǔ)是應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)型式。江蘇海域風(fēng)能資源豐富，占國內(nèi)海上風(fēng)電市場(chǎng)份額總量的71.3 %。但江蘇海域表層土以砂性土為主，地基土液化嚴(yán)重，水下地質(zhì)條件復(fù)雜[1]，存在軟弱土質(zhì)夾層。根據(jù)近年來江蘇近海風(fēng)電場(chǎng)沉樁施工情況統(tǒng)計(jì)，大直徑單樁沉樁發(fā)生“溜樁”的現(xiàn)象較為頻繁，且存在“溜樁”距離長達(dá)40 m 的長距離。海上風(fēng)電場(chǎng)大直徑單樁沉樁通常采用大型起重船吊掛大型液壓錘沉樁施工工藝，船機(jī)設(shè)備資源非常緊俏，做好大型沉樁船機(jī)設(shè)備施工過程的保護(hù)是保障海上風(fēng)電項(xiàng)目順利實(shí)施的一大關(guān)鍵。沉樁過程中，液壓錘通過樁帽“座”在樁頂上，吊錘鋼絲繩處于松弛狀態(tài)并留有一定松弛長度，作為預(yù)防“溜樁”的基本措施。但“溜樁”距離較長時(shí)，基本措施保護(hù)效果弱，對(duì)船機(jī)設(shè)備的安全性和施工安全性影響較大，需要采取有效的長距離溜樁防控保護(hù)措施。

1 溜樁現(xiàn)象及風(fēng)險(xiǎn)

1.1 溜樁現(xiàn)象

以協(xié)鑫如東海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為依托，進(jìn)行單樁沉樁溜樁分析，該項(xiàng)目地基土在20 m 深度范圍內(nèi)，分布有飽和粉土、粉砂（①層粉土、③-1 層粉土夾粉砂、③-2 層粉砂夾粉土），其粘粒（粒徑＜0.005 mm）含量一般小于10 %[1]，經(jīng)判別本場(chǎng)地土地基的液化等級(jí)為嚴(yán)重。

根據(jù)目前單樁沉樁情況，對(duì)溜樁深度較長的幾個(gè)機(jī)位進(jìn)行溜樁分析如表1 所示。

表1 溜樁深度和土層分析

該項(xiàng)目“溜樁”現(xiàn)象較頻繁，且溜樁距離較長，28#、29#、34#鋼管樁沉樁過程中均發(fā)生液壓錘被頂起的現(xiàn)象，施工安全性大大降低。因此，需要采取有效的溜樁保護(hù)措施，避免再次發(fā)生液壓錘被頂起的險(xiǎn)情。

1.2 溜樁風(fēng)險(xiǎn)

“溜樁”現(xiàn)象一方面可能造成樁基傾斜，樁身垂直度超出設(shè)計(jì)要求的3 ‰的要求，造成質(zhì)量問題；另一方面“溜樁”過程中如沒有提前做好預(yù)防措施，極有可能造成起重船及液壓錘損毀，更嚴(yán)重者造成人員傷亡，危害性極大。

根據(jù)近年來施工情況和經(jīng)驗(yàn)，長距離“溜樁”可能導(dǎo)致液壓錘和樁分離的險(xiǎn)情發(fā)生。采用PDCA 循環(huán)方法進(jìn)行要因分析，最終確定“溜樁”過程樁內(nèi)氣體短時(shí)間急劇壓縮將液壓錘頂起，造成樁、錘脫離是可能造成險(xiǎn)情的主要因素。

經(jīng)分析，通過及時(shí)排出樁內(nèi)氣體，可有效降低壓縮氣體對(duì)樁錘的頂沖力，以達(dá)到保護(hù)沉樁船機(jī)設(shè)備和提高施工安全性的目的。通過技術(shù)研究和創(chuàng)新，確定采用樁身開設(shè)通氣孔的溜樁保護(hù)技術(shù)措施；條件允許時(shí)，可在樁帽設(shè)置排氣孔作為補(bǔ)充保護(hù)措施。

2 樁身開孔保護(hù)措施

2.1 樁身開孔方案設(shè)計(jì)

以直徑5.5m 的鋼管樁為例，在樁身第二個(gè)管節(jié)中間位置開通氣孔（橢圓孔），開孔位置在沉樁套錘后樁帽以下，通氣孔尺寸為Ф160×80 mm+R5 mm，通氣孔沿樁周均勻分布，共開2 個(gè)，開孔位置不與其他設(shè)備干涉即可，開孔設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 樁身開孔示意圖

2.2 樁身開孔尺寸計(jì)算公式

為適用于不同直徑的鋼管樁樁身開孔設(shè)計(jì)，推導(dǎo)出樁身開孔尺寸計(jì)算公式：

已知液壓錘2 的重量為M（kg）；鋼管樁1的樁長為L（m），直徑為R（m），水面A 距離樁底高度即單樁入水的高度為h1（m），鋼管樁1 的截面面積用S1 表示，單位為m2，如圖2。

圖2 樁身開孔尺寸計(jì)算參數(shù)圖

假設(shè)橢圓形通氣孔 1-3 的長軸長度為 a（m），短軸長度為b（m），a＞b＞0，1 個(gè)橢圓形通氣孔1-3 的面積用S2表示，單位為m2，開A 個(gè)橢圓孔，如圖3；假設(shè)單樁沉樁時(shí)溜樁高度為h2（m），溜樁時(shí)長為t（s）。

圖3 通氣孔詳圖

1）在不開孔情況下，單樁沉樁發(fā)生溜樁，液壓錘剛好能被頂起時(shí)的樁內(nèi)氣體壓強(qiáng)P

根據(jù)壓強(qiáng)計(jì)算公式：

式中：P 為壓強(qiáng)，Pa；F 為壓力，N；S 為受力面積，即為鋼管樁的截面面積S1，m2；

此時(shí)，壓力F 等于樁錘重力，即：

式中：M 為液壓錘的重量，Kg；g 為重力加速度，取9.8 N/kg；

代入可得：

2）溜樁高度h2

根據(jù)波義耳定律,在定量定溫下，理想氣體的體積與氣體的壓強(qiáng)成反比[2],計(jì)算公式為：

式中：P1為大氣壓強(qiáng)，通常1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=0.1 MPa=1.01×105 N/m2；V1為未被壓縮時(shí)樁內(nèi)氣體的體積，m3；P2為壓縮后樁內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，Pa；V2為壓縮后樁內(nèi)氣體的體積，m3；

代入可得：

式中：L 為鋼管樁的總長度，m；h1為鋼管樁的入水高度，m；h2為鋼管樁的溜樁高度，m；

計(jì)算可得：

3）P2狀態(tài)下空氣流速V，m/s

根據(jù)伯努利原理，氣體流動(dòng)過程中，伯努利方程可簡化為：

式中：ρ 為空氣密度，取1.29 kg/m3;

計(jì)算可得：

4）鋼管樁樁身上開設(shè)的每個(gè)氣孔面積S2

根據(jù)從A 個(gè)通氣孔排出的氣體體積與被壓縮的氣體體積相等可得：

計(jì)算可得：

將計(jì)算得到的h2和V 代入上式可得：

式中：t 為鋼管樁的溜樁時(shí)長，取30 s；

5）根據(jù)計(jì)算出的通氣孔的面積S2，設(shè)定一個(gè)通氣孔的長直徑a 和短直徑b

從常規(guī)的橢圓形通氣孔的面積計(jì)算公式：S2=πab/4 中設(shè)定長直徑a 和短直徑b。

3 樁身開孔優(yōu)點(diǎn)分析

3.1 保護(hù)大型沉樁船機(jī)設(shè)備

通過樁身設(shè)置通氣孔，及樁帽設(shè)置排氣孔補(bǔ)充保護(hù)措施，可保證長距離“溜樁”工況下，樁內(nèi)壓縮氣體及時(shí)排出樁外，避免液壓錘被壓縮氣體頂起發(fā)生樁、錘脫離的險(xiǎn)情，可有效保護(hù)大型沉樁船機(jī)設(shè)備免受損害，提高施工安全性。

3.2 降低密閉空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)鋼管樁樁身不開孔，內(nèi)平臺(tái)板安裝完成后，與鋼管樁樁壁和樁內(nèi)水面形成密閉空間，鋼管樁內(nèi)的海生物尸體腐敗產(chǎn)生的有毒有害氣體不能及時(shí)排出。在風(fēng)場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)維過程中，這些有毒有害氣體可能會(huì)對(duì)施工和維修作業(yè)人員的生命健康造成危害。

樁身設(shè)置通氣孔，使得樁內(nèi)環(huán)境與大氣環(huán)境貫通，及時(shí)排出樁內(nèi)有毒有害氣體，在一定程度上可降低密閉空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 優(yōu)化施工工藝

傳統(tǒng)鋼管樁樁身完整無開孔，施工工藝主要流程為：單樁制作及海上運(yùn)輸；單樁沉樁；樁內(nèi)吸水、撒石灰；集成式附屬構(gòu)件安裝；防沖刷施工，如圖4 所示。

圖4 傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)主要施工工藝流程

通過樁身設(shè)置通氣孔，條件允許時(shí)可免去沉樁完成后需要樁內(nèi)吸水及拋灑石灰的施工工序，施工工藝流程如圖5 所示，可縮短單樁沉樁施工時(shí)間，提高施工工效，降低施工成本。

圖5 樁身開孔的單樁基礎(chǔ)施工工藝流程

4 工程應(yīng)用

海上風(fēng)電長距離溜樁樁身開孔保護(hù)措施于2020 年8 月應(yīng)用于協(xié)鑫如東H15#海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中，已在36 根鋼管樁上實(shí)施了樁身開孔措施，樁身開孔改造實(shí)物照片如圖7 所示。并在沉樁用液壓錘樁帽上設(shè)置排氣孔作為補(bǔ)充保護(hù)措施，在樁帽法蘭螺絲下300 mm 位置沿樁帽圓筒壁均布4 個(gè)排氣孔，排氣孔直徑為250 mm。2020 年10 月28 日，完成10 根樁身開孔的鋼管樁沉樁，其中5 根鋼管樁發(fā)生“溜樁”現(xiàn)象，且溜樁距離較長，采取樁身開孔措施后均未發(fā)生液壓錘被頂起的現(xiàn)象，實(shí)施效果良好，實(shí)際溜樁數(shù)據(jù)見表2，工程應(yīng)用實(shí)景如圖6 所示。

表2 樁身開孔的鋼管樁溜樁數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖6 工程應(yīng)用實(shí)景圖

5 結(jié)語

通過采取樁身開孔溜樁技術(shù)保護(hù)措施，及樁帽開孔補(bǔ)充保護(hù)措施，能夠有效降低長距離溜樁對(duì)船機(jī)設(shè)備的影響，確保施工過程中大型船機(jī)設(shè)備的安全，同時(shí)降低了密閉空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，條件允許時(shí)可免去沉樁完成后需要樁內(nèi)吸水及撒石灰的施工工序，縮短了單樁沉樁施工時(shí)間，降低了施工成本，并推導(dǎo)出不同直徑鋼管樁樁身開孔尺寸計(jì)算公式，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。