海上風(fēng)電場基礎(chǔ)形式及配套施工技術(shù)

秦順全，張瑞霞，李軍堂

(中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050)

1 前言

利用清潔的風(fēng)能資源是全球能源開發(fā)的戰(zhàn)略方針［1］。2010年，歐洲海上風(fēng)電場的開發(fā)已步入快速發(fā)展期，丹麥、英國、瑞典、德國等主要的海上風(fēng)電場國家都制定了相應(yīng)的海上風(fēng)能發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，世界海上風(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到了100萬kW，其中大約40%在丹麥。我國首個100 MW東海海上風(fēng)電場也已在7月份建成并正式并網(wǎng)發(fā)電。由于海上風(fēng)能具有風(fēng)速高、風(fēng)速穩(wěn)定、不占用土地等優(yōu)點，已成為目前風(fēng)能發(fā)展的趨勢和重點，而在海上建立風(fēng)電場除了其明顯的優(yōu)勢外也帶來一些不可避免的問題，其中之一就是其基礎(chǔ)工程的建設(shè)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地風(fēng)機。因此，尋找各個途徑來降低海上風(fēng)電場建設(shè)的成本是海上風(fēng)機發(fā)展的關(guān)鍵所在。

2 海上風(fēng)電場的特點及基礎(chǔ)形式

海上風(fēng)機基礎(chǔ)與陸地風(fēng)機基礎(chǔ)相比有以下特點:

1)荷載:有強風(fēng)、海浪、冰載和腐蝕的作用。

2)地質(zhì)條件:覆蓋層多為淤泥質(zhì)土、沙土或無覆蓋層的裸巖，差異性大，施工條件差。

3)運輸條件:只能水運，在灘涂或潮間帶運輸必須采用特制設(shè)備。

4)安裝方式:受海浪、強風(fēng)影響，結(jié)構(gòu)的運輸與安裝需投入大型水上設(shè)備，設(shè)備調(diào)遣使用費高。

就受力而言，海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)與橋梁基礎(chǔ)是大同小異的，因而可以借鑒橋梁基礎(chǔ)的形式，同時海上石油平臺的設(shè)計施工理念也值得借鑒。

海上風(fēng)電場基礎(chǔ)除滿足自身結(jié)構(gòu)的強度、剛度及穩(wěn)定性外，還要進行動力模態(tài)及疲勞分析，以滿足基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中安全可靠的要求。根據(jù)海上風(fēng)機的布局特點和海上施工的具體條件，設(shè)計出針對海上風(fēng)電場的基礎(chǔ)形式，主要有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、設(shè)置沉箱基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)及吸力式筒形基礎(chǔ)。

1)單樁基礎(chǔ):又分鋼樁和鋼筋混凝土管樁兩種基礎(chǔ)形式。鋼樁為 φ3～φ7 m的鋼管，板厚30～60 mm，打入深度在15～50 m，單樁承載力達500～2 600 t，適應(yīng)于覆蓋層地質(zhì)及水深在30 m以下區(qū)域。其優(yōu)點:不要求對海床做預(yù)先的準(zhǔn)備，制造簡單，施工快速，但相對海水較深時柔性大，如圖1所示。鋼筋混凝土管樁直徑 5～6 m，壁厚 50～100 cm，鉆孔深度20～50 m，單樁承載力達1 500～3 000 t，優(yōu)點:不需要海床的預(yù)處理，工廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝，缺點:需大直徑鉆孔設(shè)備，大噸位浮吊吊裝，如圖2所示。

2)群樁基礎(chǔ):采用小直徑斜鋼管，單鋼管直徑1．5～1．6 m，承臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有承載力大，抗水平載荷強的特點，適合有厚覆蓋層、水域較深的區(qū)域，水深不大于30 m，缺點是現(xiàn)場作業(yè)時間較長，工作量大。如圖3所示。

圖1 鋼管樁基礎(chǔ)Fig．1 Steel tube pile foundation

圖2 鋼筋混凝土管樁基礎(chǔ)Fig．2 RC tube pile foundation

圖3 群樁基礎(chǔ)Fig．3 Group pile foundation

3)重力式基礎(chǔ):可采用混凝土空心結(jié)構(gòu)，依靠基礎(chǔ)的重力抵抗傾覆力矩，中間填充沙或碎石，適用于硬質(zhì)地層，水深不大于10 m，其優(yōu)點是承載力大，穩(wěn)定性好，如圖4所示，缺點:對海浪的沖刷較敏感，適用于水深較淺、地質(zhì)條件好的區(qū)域，運輸安裝困難。

圖4 重力式基礎(chǔ)Fig．4 Gravity foundation

4)導(dǎo)管架基礎(chǔ):采用小直徑鋼管打入，端部填塞或成型連接，適合較深的水域，且覆蓋層承載力高，如圖5所示，其優(yōu)點:對打樁設(shè)備要求較低，導(dǎo)管架采用工廠加工，整體運輸安裝，缺點:現(xiàn)場作業(yè)時間相對較長。

5)吸力式筒形基礎(chǔ):鋼箱或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)浮式運輸，注水下沉，筒內(nèi)抽水，利用筒內(nèi)外水頭差產(chǎn)生壓力將基礎(chǔ)下壓入土至設(shè)計位置，如圖6所示，適用于水深、砂質(zhì)性土層，其原理圖式見圖7。已成功應(yīng)用于海上石油平臺，尚未應(yīng)用于海上風(fēng)機基礎(chǔ)。

圖5 導(dǎo)管架基礎(chǔ)Fig．5 Jacket base

圖6 吸力式桶形基礎(chǔ)Fig．6 Suction barrel base

6)設(shè)置沉箱基礎(chǔ):鋼箱或混凝土結(jié)構(gòu)，陸上預(yù)制好后，浮式運輸?shù)轿唬ㄎ缓笞⑺?，底部填沙石壓重，適用于深水基礎(chǔ)，其優(yōu)點是承載力大，抗水平荷載強，施工快速，缺點:需要地基處理(基底開挖或爆破整平)，需大型浮吊吊裝，配備水運和定位設(shè)施。如圖8所示。

7)沉井基礎(chǔ):鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，優(yōu)點:承載力大，剛度大，穩(wěn)定性好，適用于深水，沙質(zhì)性的覆蓋層地質(zhì)，缺點:需吸泥下沉設(shè)施，如圖9所示。

3 基礎(chǔ)施工

3．1 潮間帶水域(高潮位水深不小于2 m)

潮間帶位于高低潮水位線之間，海灘較平，區(qū)域廣闊，在此建設(shè)風(fēng)電場既不影響海灘，又不影響深水區(qū)域海上交通和養(yǎng)殖，但在潮間帶建設(shè)風(fēng)電場世界上尚無先例。此水域水流較小，高潮位有水，水較淺，在低潮位露灘，既不能按陸上法施工，又不能按常規(guī)的水上法施工，針對此水域的特殊情況，經(jīng)多方案的比選研究，擬采用水上自升平臺和淺吃水半潛駁兩種專制設(shè)備的施工方案。

圖7 吸力式基礎(chǔ)原理圖式Fig．7 of suction base principle

圖8 設(shè)置沉箱基礎(chǔ)Fig．8 Set of caisson foundation

圖9 沉井基礎(chǔ)Fig．9 Open caisson foundation

1)自升式平臺施工法:自升式平臺分單、雙船體兩種形式，由標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱拼接而成，能組成多種尺寸的工作平臺，適應(yīng)不同的基礎(chǔ)形式，平臺上帶有起重、發(fā)電及生產(chǎn)生活的必備設(shè)施，圖10為單船體作業(yè)圖，圖11為雙船體作業(yè)圖。在高潮位平臺進入墩位處，平臺樁腿插入土中，平臺升出海面，平臺上的履帶吊機配合移動導(dǎo)向架進行單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)施工以及風(fēng)機的安裝等。高潮位時升起平臺樁腿，平臺降至海面上，拖至下一風(fēng)機處施工。

圖10 單船體作業(yè)圖Fig．10 Draw ing of the single－ship operation

圖11 雙船體作業(yè)圖Fig．11 Draw ing of the double－ship operation

2)淺吃水半潛駁施工法:專制半潛水駁船，可乘潮進去，然后在艙內(nèi)注水，船體座灘施工，完工后抽出艙內(nèi)水，船體浮起拖至下一風(fēng)機位置。船體長寬高尺寸為70 m×50 m×3 m，上平臺尺寸為70 m×70 m，全高11 m，空載吃水為0．8 m，滿載吃水為1．0 m，載重能力1 000 t。船在高潮位時備足1至2個樁位的結(jié)構(gòu)材料攜起重設(shè)備進入墩位處座底施工，適用于沙質(zhì)的覆蓋層，但需要解決在淺吃水時的船體動力問題，如圖12所示。

圖12 半潛駁作業(yè)圖Fig．12 Draw ing of the sem isubmersible tug boat

3．2 深水區(qū)域(6～30 m)

6～30 m深水水域的單樁、多樁及導(dǎo)管架基礎(chǔ)一般采用打樁船或浮吊配合液壓錘施工。打樁船的選擇由打樁能力和吊裝能力來確定，一般多樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)可采用打樁船直接插打，而對于大直徑的單柱鋼管樁基礎(chǔ)，則需采用大浮吊配合液壓錘進行施工作業(yè)。目前，國際上的單樁基礎(chǔ)可做到φ6～φ7 m直徑，樁長達到80 m左右，入土深度超過40 m，對于這種大樁徑的單樁則一般需要用S750～S1800(錘擊能量為750～1 800 kN·m)液壓錘?，F(xiàn)以5 MW機組為例，針對不同的基礎(chǔ)形式，選取了不同的液壓錘，計算的主要結(jié)果如表1所示。

表1 鋼管樁打樁參數(shù)對比表Table 1 Param eters com parison tab le of the steel pipe pile

對于重力式基礎(chǔ)一般采用岸上預(yù)制，浮吊整體安裝的方案。對于水較深、承載要求高的風(fēng)機基礎(chǔ)，可以采用沉井基礎(chǔ)、吸力式筒形基礎(chǔ)或設(shè)置沉箱基礎(chǔ)，以設(shè)置沉箱基礎(chǔ)為例，其施工流程為:干船塢基礎(chǔ)預(yù)制→拖至注水塢浮運至墩位→海床開挖或爆破整平→沉箱注水下沉到位→基礎(chǔ)外防護施工。其施工步驟如圖13所示。

吸力式筒形基礎(chǔ)的施工流程為:干船塢基礎(chǔ)預(yù)制→拖至注水塢，浮運至墩位→安裝系泊裝置注水下沉至穩(wěn)定深度→基礎(chǔ)壁艙內(nèi)抽水，裙板靠負(fù)壓入土下沉至設(shè)計位置，其施工步驟如圖14所示。

4 海上風(fēng)機的安裝技術(shù)

海上風(fēng)機的安裝根據(jù)風(fēng)機類型、塔筒高度、重量等采用散裝和整裝兩種方案。

對潮間帶的海上風(fēng)機采用散拼方案，利用水上平臺或淺吃水半潛駁安裝風(fēng)機組。

對于深水區(qū)域的風(fēng)機采用散拼或整裝方案，且以大型浮吊安裝為主。機組整體吊裝涉及機械設(shè)備較多，首先在岸邊碼頭上將機組散件拼裝成整體，然后由駁船將整體機組運送至待裝位置，由大型浮吊將機組吊起安裝在已成基礎(chǔ)上。以3．6 MW機組為例，其施工步驟如下:

圖13 設(shè)置基礎(chǔ)施工步驟圖Fig．13 Draw ing of the setting the foundation construction step

圖14 吸力式筒形基礎(chǔ)施工步驟圖Fig．14 Draw ing of the suction barrel base construction step

1)選擇碼頭平臺作為拼裝場地，將臨時吊裝支架與碼頭平臺臨時固定。

2)塔筒放入支架內(nèi)并用螺栓臨時連接，然后依次吊裝(吊具采用柔性吊帶)上部機艙和葉片。

3)大型起重船機將風(fēng)機整體吊到駁船上，風(fēng)機與駁船設(shè)安全纜風(fēng)，臨時支架與船體連接固定。

4)駁船將風(fēng)機運輸至安裝位置，大型起重船將風(fēng)機吊起安裝到基礎(chǔ)頂面，精確定位后將塔筒底部與基礎(chǔ)頂面固定。

5)拆除臨時支架，進行下一個風(fēng)機的安裝。

對于5 MW以上的大型風(fēng)機組，由于整體機組結(jié)構(gòu)重、高度大，采用散拼或整體吊裝等將會對浮吊的吊重、吊高提出更高的要求，相應(yīng)也會加大施工成本的投入，因此，為減少海上高空作業(yè)風(fēng)險、降低工程費用，風(fēng)機組安裝方法可采用轉(zhuǎn)體法、爬升式或自升式的施工方案，這些方法目前還處于研究階段。

5 結(jié)語

通過對海上風(fēng)電場基礎(chǔ)施工及風(fēng)機安裝技術(shù)的分析研究，需根據(jù)不同的水深、地質(zhì)及環(huán)境情況設(shè)計不同的基礎(chǔ)形式?；A(chǔ)盡可能采用工廠化生產(chǎn)、大單元運輸安裝的方式以減少海上作業(yè)時間。針對不同的施工環(huán)境需采用專門研制的安裝設(shè)備，如淺吃水半潛駁、水上自升式平臺或大型浮吊等專業(yè)設(shè)備進行快速施工，同時還要結(jié)合風(fēng)機的高度和重量，選擇不同的吊裝方式。海上風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計和施工是海上風(fēng)電場建設(shè)工程的關(guān)鍵點，同時也涉及多個技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展及創(chuàng)新，其技術(shù)研究成果對推動海上風(fēng)電場的建設(shè)意義重大而深遠(yuǎn)。

［1］ 秦海巖，莊岳興，高 輝，等．中國海上風(fēng)電和大型風(fēng)電基地發(fā)展戰(zhàn)略研究［R］．中國可再生能源規(guī)?；l(fā)展項目辦公室，2009．