海上風(fēng)電吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)研究

阮 建，胡大石，賈 佳

(1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122)

海上風(fēng)能是海洋可再生能源中具備極大商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。我國海上風(fēng)電資源豐富，當(dāng)前正處于飛速增長的黃金時(shí)期，預(yù)計(jì)2030年中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到8.24億kW左右。常見的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式有單樁基礎(chǔ)[1]、高承臺群樁基礎(chǔ)[2]、導(dǎo)管架基礎(chǔ)[3-4]、吸力桶式基礎(chǔ)等[5]。其中，吸力桶式基礎(chǔ)是由吸力桶結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)、過渡段結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)頂法蘭和內(nèi)外平臺、欄桿、爬梯、靠船構(gòu)件、電纜護(hù)管及犧牲陽極等附屬構(gòu)件組成。吸力桶基礎(chǔ)具有成本低下、能較好抵抗風(fēng)機(jī)受到的水平荷載和彎矩荷載的優(yōu)點(diǎn)，已被看作是海上風(fēng)電最具潛力的基礎(chǔ)形式之一[6]。不少學(xué)者針對吸力桶式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[7-9]。本文結(jié)合大連莊河海上風(fēng)電項(xiàng)目項(xiàng)目，對吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)進(jìn)行研究，對后續(xù)吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工建設(shè)具有參考意義。

1 工程概況

中船重工大連市莊河海域海上風(fēng)電場址Ⅱ(300 MW)項(xiàng)目位于遼寧省大連市莊河海域，如圖1所示，為《大連市海上風(fēng)電場工程規(guī)劃報(bào)告》中的Ⅱ場址，位于莊河規(guī)劃風(fēng)電場Ⅲ場址的西側(cè)。風(fēng)電場位于石城島東側(cè)約11 km處，風(fēng)電場北界為10 m水深線，東側(cè)距離航道約1.5 km，西側(cè)距海王九島海洋保護(hù)區(qū)5 km以上。風(fēng)電場南北長約10.3 km，東西寬約5.8 km，面積約59.4 km2，場址涉海面積約48 km2，場址中心距離岸線約19.1 km，裝機(jī)規(guī)模為30萬kW，擬安裝60臺單機(jī)容量5.0 MW的風(fēng)電機(jī)組，擬配套建設(shè)1座220 kV海上升壓變電站和1座陸上集控中心，220 kV海上升壓變電站經(jīng)1回220 kV海纜線路登陸后，再經(jīng)220 kV架空線路接入陸上集控中心。

圖1 大連莊河風(fēng)場場址位置示意圖

2 工程地質(zhì)條件

本工程位于大連莊河海域，海底地形較平緩，整體呈北高南低趨勢?？碧狡陂g場區(qū)高平潮時(shí)海水深度約26～34 m，地貌類型為淺海堆積平原?？碧浇沂竞５啄嗝嬉韵?8.50 m深度范圍內(nèi)地層巖性為沖積、沖洪積、沖海積第四系堆積物(主要包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘性土、不同粒徑的砂土、砂卵礫石等)與上元古界金縣群-五行山群、細(xì)河群灰?guī)r、砂巖與砂礫巖。根據(jù)場地內(nèi)15個(gè)鉆孔揭露，場地覆蓋層厚度變化大，基巖面起伏較大。場地覆蓋層厚度從北到南逐漸增大，場地北部覆蓋層厚度為14.6～21.6 m，場地中部覆蓋層厚度在40 m左右，場地南部覆蓋層厚度為51～72.5 m。從場區(qū)基巖分布看，場區(qū)北部基巖巖性以砂礫巖、砂巖為主，中部、南部基巖巖性以灰?guī)r為主夾泥灰?guī)r。

3 吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)

本項(xiàng)目吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級別為1級，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，參照國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用年限為27年。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)主要由吸力桶結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)、過渡段結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)頂法蘭和內(nèi)外平臺、欄桿、爬梯、靠船構(gòu)件、電纜護(hù)管及犧牲陽極等附屬構(gòu)件組成，附屬結(jié)構(gòu)通過焊接與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相連，從基礎(chǔ)頂至基礎(chǔ)底布置有監(jiān)測設(shè)備安全的風(fēng)機(jī)監(jiān)測設(shè)備，如圖2所示。導(dǎo)管架主體部分高約35 m，頂部四支撐柱中心間距為12 m×12 m，底部四筒心間距為20 m×20 m；筒體部分高為9 m，直徑9.5 m，套基礎(chǔ)的總重量為1 218.808 t。

圖2 吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)示意圖

4 吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工工藝

4.1 整體施工流程

吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)整體施工流程，如圖3所示。

圖3 施工流程圖

1)船機(jī)就位。施工船機(jī)就位。

2)起吊前工作。浮吊船掛鉤吊籠將測量人員吊至導(dǎo)管架頂部平臺，進(jìn)行索具掛鉤以及測量監(jiān)測設(shè)備調(diào)試，確保所有施工設(shè)備可正常運(yùn)轉(zhuǎn)；駁船甲板進(jìn)行解綁工作；電工或設(shè)備工將水泵電纜接至駁船甲板發(fā)電機(jī)，同時(shí)布置電纜走向，便于收放。

3)導(dǎo)管架起吊。待以上工作完成后，浮吊船適當(dāng)移船將裝有掛鉤人員及測量人員的吊籠平穩(wěn)放至駁船甲板；起重指揮人員指揮吊機(jī)開始提升導(dǎo)管架，注意氣管與電纜走向，避免與導(dǎo)管架觸碰。

4)導(dǎo)管架移位。當(dāng)吸力桶導(dǎo)管架提升至安全高度后，浮吊船向后移船，吸力桶逐漸遠(yuǎn)離駁船。

5)吸力桶入水。浮吊船緩慢下放吸力桶導(dǎo)管架，通過測量儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)管架水平度、絕對位置、方位角，與設(shè)計(jì)位置偏差較大，則通過浮吊船移船或起落變幅進(jìn)行調(diào)整。

6)自重入泥。整個(gè)自重下沉過程中，安排專人看管氣管(潛水員/船員)與電纜(電氣設(shè)備工)，保證管線的收放安全，同時(shí)測量設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)管架水平度，若水平度超出規(guī)定要求，則適當(dāng)通過不同主鉤調(diào)整保證水平度。

7)啟動(dòng)水泵抽水。當(dāng)自重?zé)o法保證吸力桶繼續(xù)下沉?xí)r，駁船甲板啟動(dòng)水泵撬塊，水泵開始抽水，根據(jù)整個(gè)導(dǎo)管架水平度控制水泵不同功率達(dá)到不同水泵不同流量的目的，最終達(dá)到調(diào)整吸力桶導(dǎo)管架水平度的問題。

8)水泵抽水吸力桶繼續(xù)下沉。水泵持續(xù)抽水，吸力桶繼續(xù)下沉，整體速度控制在1 m/h以內(nèi)，測量設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)管架水平度，若水平度超出2‰，根據(jù)整個(gè)導(dǎo)管架水平度控制水泵不同頻率達(dá)到不同水泵不同流量的目的，最終達(dá)到調(diào)整吸力桶導(dǎo)管架水平度的問題。

9)導(dǎo)管架初始安裝到位。按以上操作過程直至把吸力桶導(dǎo)管架安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

10)導(dǎo)管架安裝位置復(fù)核。吸力桶導(dǎo)管架基本安裝到位后，錨艇攜帶操作人員及測量人員通過結(jié)構(gòu)爬梯登上平臺，測量人員進(jìn)行導(dǎo)管架水平度(含法蘭水度)、絕對位置、方位角及高程等數(shù)據(jù)的復(fù)核。典型現(xiàn)場施工流程，如圖4所示。

圖4 典型施工案例流程圖

4.2 吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)沉貫安裝

吸力桶的入泥除了靠自重以外，主要通過水泵抽取筒內(nèi)水量，在所形成的筒內(nèi)外壓力差的作用下繼續(xù)入泥。水泵及相關(guān)管路連接示意圖如5所示，預(yù)留管口與水泵撬塊吸口連接，結(jié)構(gòu)起吊至自重入泥，水泵撬塊閥門打開，筒內(nèi)氣體與外界相通，當(dāng)自重?zé)o法保證吸力桶繼續(xù)入泥時(shí)，通過變頻柜緩慢啟動(dòng)水泵，開始抽水，隨著筒內(nèi)水量的減小，筒內(nèi)壓力減小，在內(nèi)外壓差的作用下，吸力桶繼續(xù)下沉，下沉的同時(shí)監(jiān)測吸力桶實(shí)時(shí)水平度，通過變頻柜控制不同泵的流量以達(dá)到主動(dòng)控制不同筒體內(nèi)外壓差的目的，進(jìn)行整個(gè)結(jié)構(gòu)的調(diào)平工作，通常通過調(diào)整高程較高位置的筒體來調(diào)整改善水平度。如此反復(fù)，直至將吸力桶在滿足水平度的前提前下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。整個(gè)入泥過程平均速度宜控制在1 m/h以內(nèi)，同時(shí)隨時(shí)觀察吊鉤帶力緩慢控制筒體入泥。吸力桶型導(dǎo)管架安裝結(jié)束后，關(guān)閉所有閥門，然后拆除水泵撬塊及相關(guān)測量儀器。

圖5 水泵撬塊示意圖

5 施工現(xiàn)場監(jiān)測方案

5.1 監(jiān)測內(nèi)容

施工期間主要測量內(nèi)容包括：吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)安放定位、吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平度、方位角及高程監(jiān)測、吸力桶沉放過程監(jiān)測等。導(dǎo)管架位置及方位實(shí)時(shí)監(jiān)測；基礎(chǔ)平臺高程動(dòng)態(tài)測量；沉放點(diǎn)水深動(dòng)態(tài)測量；每個(gè)吸力桶筒下沉深度動(dòng)態(tài)監(jiān)測；筒型基礎(chǔ)艙內(nèi)和艙外壓差(即頂蓋上下水頭差)動(dòng)態(tài)監(jiān)測；每個(gè)筒的抽水流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測；筒型基礎(chǔ)平臺傾斜率監(jiān)測(包括三筒傾斜率和導(dǎo)管架頂法蘭平臺傾斜率)。

5.2 監(jiān)測設(shè)備布置

海上施工位置信息采用衛(wèi)星差分信號進(jìn)行現(xiàn)場施工指導(dǎo)。正式施工前，提前進(jìn)場，在吸力桶導(dǎo)管架上安裝定位定向及姿態(tài)監(jiān)測設(shè)備，如圖6所示。通過全站儀精確測量，標(biāo)定出定位定向設(shè)備與吸力桶導(dǎo)管架各關(guān)鍵點(diǎn)(如吸力桶 導(dǎo)管架上端、筒體頂部等)的相對位置，如圖7所示。選擇在通視良好且不易被破壞的位置建立多個(gè)全站儀觀測的靶標(biāo)點(diǎn)，精確測量多個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)的偏移，用于推算就位時(shí)吸力桶導(dǎo)管架的實(shí)際位置。最后結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙建立吸力桶導(dǎo)管架三維模型，將其形狀、偏移等屬性配置進(jìn)入導(dǎo)航工程。用于后期吸力桶導(dǎo)管架海上安裝指導(dǎo)。

圖6 吸力桶頂安裝設(shè)備示意圖

圖7 導(dǎo)管架平臺監(jiān)測設(shè)備安裝示意圖

5.3 監(jiān)測方案

具體監(jiān)測方案如下。

1)導(dǎo)管架定位定向。工作時(shí)，根據(jù)前期標(biāo)定GPS位置與導(dǎo)管架中心及樁腿的相對位置關(guān)系，通過GPS獲取位置信息可以推算出導(dǎo)管架中心位置即艏向。

2)基礎(chǔ)平臺高程測量。通過GPS及導(dǎo)管架姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺各點(diǎn)位高程值。

3)沉放點(diǎn)動(dòng)態(tài)水深測量。使用筒外壓力傳感器，測量壓力傳感器至水面的距離；使用測深儀，實(shí)時(shí)測量測深儀至海底的距離。由于設(shè)備固定安裝，壓力傳感器與測深儀之間相對位置關(guān)系已經(jīng)確定，其結(jié)合水面距離和海底距離，即可得到該吸力桶處實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)，如圖8所示。四個(gè)吸力桶水深平均值，即為導(dǎo)管架中心水深值。

圖8 吸力桶水深測量示意圖

4)吸力桶下沉速度監(jiān)測。根據(jù)每個(gè)吸力桶上測深儀實(shí)時(shí)測量得出吸力桶頂面距離海底距離，根據(jù)距離變化計(jì)算得出吸力桶下沉速度。

5)內(nèi)外壓差監(jiān)測。每個(gè)吸力桶上安裝2個(gè)壓力傳感器。其中壓力傳感器1與水泵相連，其中壓力傳感器1安裝于灌漿口測量筒內(nèi)壓力；壓力傳感器2安裝于吸力桶頂，測量筒外壓力；通過內(nèi)外壓力傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算吸力桶內(nèi)外壓差。

6)抽水流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測。抽水流量由每個(gè)吸力桶水泵上安裝的流量計(jì)直接測量。

7)傾斜監(jiān)測。通過導(dǎo)管架前期標(biāo)定工作，得出導(dǎo)管架平臺姿態(tài)初始值。在導(dǎo)管架沉放過程中，通過安裝于導(dǎo)管架頂部姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)測量導(dǎo)管架姿態(tài)值。

5.4 測量精度要求

吸力桶導(dǎo)管架中心的絕對位置允許偏差≤200 mm；高程允許偏差0～-500 mm；調(diào)平后吸力桶導(dǎo)管架頂部法蘭水平度偏差≤3‰；吸力桶導(dǎo)管架整體方位角允許偏差≤±2.5°；安裝結(jié)束后，須進(jìn)行位置、水平度、法蘭頂高程的復(fù)核。

6 吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)質(zhì)量檢驗(yàn)與驗(yàn)收

吸力桶導(dǎo)管架工程全部完工后，施工單位應(yīng)按質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)定提交吸力桶導(dǎo)管架工程驗(yàn)收申請報(bào)告，并提交完工驗(yàn)收資料，經(jīng)監(jiān)理人報(bào)送發(fā)包人批準(zhǔn)后，進(jìn)行完工驗(yàn)收，并應(yīng)同時(shí)提交以下各項(xiàng)驗(yàn)收資料(包括但不限于)。

1)吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)運(yùn)輸?shù)脑敿?xì)運(yùn)輸記錄及分析報(bào)告，包括運(yùn)輸中的海況、整機(jī)響應(yīng)等。

2)吸力桶導(dǎo)管架下沉前基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量檢驗(yàn)記錄。

3)基礎(chǔ)下沉施工中的詳細(xì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括海況、下沉深度和速度、各吸力桶氣壓等。

4)基礎(chǔ)下沉結(jié)束后基礎(chǔ)頂高程、法蘭水平度以及絕對位置的檢驗(yàn)記錄。

5)監(jiān)理人要求提交的其他驗(yàn)收資料。

7 結(jié) 語

本文以大連莊河海上風(fēng)電項(xiàng)目為例，開展海上風(fēng)電吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)研究，主要結(jié)論如下。

1)整體施工流程包含：船機(jī)就位、起吊前工作、導(dǎo)管架起吊、導(dǎo)管架移位、吸力桶入水、自重入泥、啟動(dòng)水泵抽水、水泵抽水吸力桶繼續(xù)下沉、導(dǎo)管架初始安裝到位、導(dǎo)管架安裝位置復(fù)核等流程。

2)施工期間主要測量內(nèi)容包括：吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)安放定位、吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平度、方位角及高程監(jiān)測、吸力桶沉放過程監(jiān)測等。

3)測量精度要求包括：吸力桶導(dǎo)管架中心的絕對位置允許偏差≤200 mm；高程允許偏差0～-500 mm；調(diào)平后吸力桶導(dǎo)管架頂部法蘭水平度偏差≤3‰；吸力桶導(dǎo)管架整體方位角允許偏差≤±2.5°。