海上風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下灌漿技術(shù)分析

朱榮華，田振亞，龍正如，張美陽，孫香，余暢

（1.廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，中山 528437； 2.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，珠海 519080）

海上風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下灌漿技術(shù)分析

朱榮華1，田振亞1，龍正如1，張美陽1，孫香1，余暢2

（1.廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，中山 528437； 2.南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，珠海 519080）

先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)輕巧、施工方便，但是水下灌漿技術(shù)成為該基礎(chǔ)形式應(yīng)用和施工的難點(diǎn)。本文介紹了該類基礎(chǔ)的水下灌漿連接技術(shù)和施工工藝。結(jié)合歐洲該類施工經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)闡述了先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水下灌漿連接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效灌漿，并提高了基礎(chǔ)灌漿質(zhì)量，對類似基礎(chǔ)在中國的推廣給予借鑒。

海上風(fēng)電機(jī)組；先打樁導(dǎo)管架；水下灌漿

0 引言

導(dǎo)管架作為一種重量輕、海床地質(zhì)條件適應(yīng)性好、穩(wěn)定性好、適合較深海域的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，在歐洲海上風(fēng)電場得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)電機(jī)組、波浪和洋流等載荷主要通過導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)經(jīng)混凝土傳遞至鋼管樁，鋼管樁再把載荷傳遞到海床。而導(dǎo)管架基礎(chǔ)和鋼管樁連接主要通過灌漿方式進(jìn)行，灌漿質(zhì)量直接影響到導(dǎo)管架的整體穩(wěn)定性能和安全性。灌漿技術(shù)作為導(dǎo)管架安裝的重要關(guān)鍵技術(shù)，越來越受到業(yè)界的關(guān)注，我國目前灌漿技術(shù)的應(yīng)用主要是在江蘇如東潮間帶風(fēng)電場，采用的是水上灌漿的方法，對于水深較深的海域，主要采用水下灌漿的方法。由于波浪、海流等水文環(huán)境較為復(fù)雜，可操作性差，導(dǎo)致水下灌漿作業(yè)難度高，特別對于海況惡劣的海域，施工窗口期短，影響海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的安裝，容易引起風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目的滯后。

1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)主體為框架對稱結(jié)構(gòu)，均為鋼制材料。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主要分過渡段、導(dǎo)管架基礎(chǔ)主體兩部分，過渡段包括主筒體、主斜撐、平臺甲板等結(jié)構(gòu)。在過渡段設(shè)置一外挑平臺，用于放置風(fēng)電機(jī)組主要電氣設(shè)備。四根主腿作為導(dǎo)管架的主要支撐腿，按照一定的斜度分布，在主腿之間均布X斜撐，這樣和四根主腿形成穩(wěn)定的桁架結(jié)構(gòu)。四根鋼管樁呈正四邊形分布在海床之上，樁頂位于泥面以下，導(dǎo)管架的四根主腿末端分別插入鋼管樁頂部內(nèi)腔，然后通過水下灌漿形式連成整體，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

一般情況下，導(dǎo)管架基礎(chǔ)有兩種結(jié)構(gòu)形式——先打樁導(dǎo)管架和后打樁導(dǎo)管架，先打樁導(dǎo)管架是先在海底固定安裝模架，然后打入四根呈正方形布置的鋼管樁，最后進(jìn)行導(dǎo)管架基礎(chǔ)整體吊裝，如圖2所示。吊裝過程中通過導(dǎo)管架支撐腿端部插入鋼管樁，再完成導(dǎo)管架調(diào)平工作，最后進(jìn)行水下灌漿，連接固定導(dǎo)管架和鋼管樁[1]。后打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式是在導(dǎo)管架支腿末端設(shè)置樁靴，進(jìn)行海上施工時(shí)，先進(jìn)行導(dǎo)管架吊裝，通過樁靴把鋼管樁打入海床（如圖3所示），然后進(jìn)行灌漿，連接導(dǎo)管架和鋼管樁。

先打樁導(dǎo)管架與后打樁導(dǎo)管架相比，有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

（1）先打樁導(dǎo)管架與后打樁導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)相同，先打樁導(dǎo)管架支撐腿末端不用設(shè)置樁靴，而后打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐腿末端設(shè)置樁靴，后打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)支撐腿末端設(shè)置樁靴之后，不僅材料費(fèi)用增加，而且焊接加工、人力成本等也大幅增加。雖然先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)在安裝鋼管樁時(shí)需要模架來定位安裝，但是把模架建造成本均分到整個(gè)風(fēng)場的基礎(chǔ)成本里，相比帶樁靴的單臺導(dǎo)管架基礎(chǔ)成本要小很多。一般后打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式主要用在石油工業(yè)行業(yè)，但是大規(guī)模的風(fēng)場開發(fā)應(yīng)用先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式較多，這樣可以大幅度節(jié)省成本；

（2）后打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式的導(dǎo)管架一般需要大型的安裝船只進(jìn)行安裝，而鋼管樁也需要大型的安裝船進(jìn)行安裝。先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式的導(dǎo)管架需要大型的安裝船，但是打樁可以用起重能力較小的輔助船完成。同時(shí)，導(dǎo)管架的生產(chǎn)加工可以和打樁作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了工程建設(shè)周期。

圖1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)示意圖

2 先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿結(jié)構(gòu)

2.1 先打樁導(dǎo)管架支撐腿結(jié)構(gòu)

圖2 先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)

圖3 后打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)

先打樁導(dǎo)管架支撐腿與鋼管樁連接部分形成導(dǎo)管架基礎(chǔ)環(huán)形灌漿腔，在支撐腿末端上設(shè)置有導(dǎo)向板和剪切鍵，將導(dǎo)管架支撐腿插入海底鋼管樁時(shí)，通過導(dǎo)向板可確保導(dǎo)管架上的支撐腿均勻插入海底鋼管樁，防止在安裝過程中支撐腿與海底鋼管樁軸心偏離過大時(shí)，造成環(huán)形密封圈單邊壓力過大而損壞；導(dǎo)向板還能保證支撐腿與海底鋼管樁之間的同軸度，讓環(huán)形灌漿腔內(nèi)水泥砂漿的體積圓周更均勻，有利于載荷的合理分布。

2.2 封漿結(jié)構(gòu)

鋼管樁上端端口內(nèi)壁設(shè)法蘭，法蘭上墊密封圈，密封圈為環(huán)形墊圈，一般采用橡膠密封圈，環(huán)形密封圈能與海底鋼管樁、支撐腿緊密貼合，通過環(huán)形密封與導(dǎo)管架支腿端部實(shí)現(xiàn)對鋼管樁密封，防止混凝土漿液溢出，避免浪費(fèi)，同時(shí)保證灌漿施工質(zhì)量。

2.3 灌漿管線布置

先打樁導(dǎo)管架支撐腿內(nèi)側(cè)上焊接灌漿導(dǎo)管，灌漿導(dǎo)管上端設(shè)在導(dǎo)管架平臺上，下端與導(dǎo)管支撐腿末端一起插入鋼樁上端的端口內(nèi)。灌漿導(dǎo)管末端設(shè)有兩根分叉管，包括插入連接縫隙上部的高位注漿管和插入連接縫隙底部的低位注漿管，低位灌漿管伸至環(huán)形橡膠墊附近，從灌漿區(qū)域底部進(jìn)行灌漿。高位灌漿管伸至鋼樁端部附近，從灌漿區(qū)域頂部進(jìn)行灌漿。灌漿時(shí)先使用低位注漿管進(jìn)行灌漿作業(yè)，從底部開始灌漿，由于水泥砂漿的密度比海水大，灌漿腔內(nèi)的海水逐漸從海底樁頂端管口排出，水泥漿不會被稀釋，不容易產(chǎn)生空洞，從而保證了灌漿施工質(zhì)量；待灌漿到一定高度后，采用高位注漿管灌漿，這樣可以避免灌漿機(jī)械壓力不足而引起的注漿口堵塞。

當(dāng)其中一根叉管出現(xiàn)堵塞、損壞等問題時(shí)可通過另外一根叉管進(jìn)行灌漿，從而確保灌漿施工的順利進(jìn)行，同時(shí)兩根灌漿導(dǎo)管管可以使混凝土漿料快速將導(dǎo)管架支撐腿與鋼樁的連接縫隙填塞滿，提高工作效率[2]。

3 先打樁導(dǎo)管架灌漿施工

先打樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行海上施工時(shí)，將鋼管樁打入海底固定，起吊導(dǎo)管架，將導(dǎo)管架支撐腿末端插入鋼管樁上端端口，導(dǎo)管架支撐腿末端穿過密封圈與鋼管樁連接，形成連接縫隙，然后進(jìn)行導(dǎo)管架調(diào)平，至其頂部法蘭面傾斜度滿足要求且導(dǎo)管架固定后，施工人員在導(dǎo)管架平臺上利用灌漿導(dǎo)管，將混凝土漿料導(dǎo)入連接縫隙。

對樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架腿柱之間的環(huán)形空間進(jìn)行灌漿，通過混凝土漿料與鋼管樁表面剪切鍵等機(jī)械裝置之間的粘合和密閉摩擦綜合作用，將導(dǎo)管架與樁基礎(chǔ)連接成一個(gè)有機(jī)整體，使基礎(chǔ)連接更加可靠，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行更加平穩(wěn)[3]。

圖4 導(dǎo)管架支撐腿結(jié)構(gòu)

圖5 灌漿連接封漿結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文結(jié)合作者參與歐洲該類海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)，提出一種先打樁導(dǎo)管架水下灌漿技術(shù)，介紹了導(dǎo)管架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架與鋼管樁的連接結(jié)構(gòu)和灌漿管線布置，同時(shí)介紹了導(dǎo)管架水下灌漿方法和技術(shù)，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電場基礎(chǔ)水下灌漿，具有施工效率高，灌漿質(zhì)量好，節(jié)省灌漿施工成本等優(yōu)點(diǎn)，值得廣泛推廣和應(yīng)用。

[1]Dierk Jensen,Dr.Detlef Koenemann. ALPHA VENTUS unternehmen offshore operation offshore[M].Germany：BVA Bielefeder Verlag GmbH&Co.KG, 2010.

[2]朱榮華,傅強(qiáng),張美陽,何仁偉. 一種灌漿連接的導(dǎo)管架支撐結(jié)構(gòu)：中國：CN 201320191973 [P],2013-04-17 .

[3]黃立維,楊鋒,張金接.海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架的灌漿連接[J],水利水電技術(shù),2009(9):54-57.

Analysis of Underwater Grouting Technology of Offshore Wind Turbine Jacket Foundation

Zhu Ronghua1, Tian Zhenya1, Long Zhengru1, Zhang Meiyang1, Sun Xiang1, Yu Chang2
(1. Guangdong MingYang Wind Power Industry Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China; 2. Southern Ofshore Wind Power Joint Development Co., Ltd., Zhuhai 519080, China)

Less self-weight and efciency of installation are the main advantages of pre-piling jacket foundation. However, the underwater grouting technology is difcult. Combining the real project experience, this paper described the jacket grouting structure and the technology. The underwater grouting technology could improve the grouting connection quality, which has a certain reference value for similar ofshore wind turbine jacket foundation in China.

ofshore wind turbine; pre-piling jacket; underwater grouting

TM614

A

1674-9219(2013)12-0104-04

2013-10-24。

朱榮華（1977-），男，博士，中國明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)副總裁，首席科學(xué)家，目前在明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)負(fù)責(zé)海上風(fēng)電技術(shù)的研發(fā)和領(lǐng)導(dǎo)工作；

田振亞（1982-），男，碩士，副首席工程師，負(fù)責(zé)海上鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析工作；

龍正如（1990-），男，本科，工程師，主要從事海上風(fēng)電項(xiàng)目PC管理；

張美陽（1981-），女，碩士，結(jié)構(gòu)工程師，主要從事海上風(fēng)電機(jī)組導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)優(yōu)化工作；

孫香（1988-），女，本科，項(xiàng)目助理，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目規(guī)劃、整體協(xié)調(diào)、文件控制管理工作。

余暢（1977-），男，博士，高級工程師，主要負(fù)責(zé)珠海桂山海上風(fēng)電示范項(xiàng)目實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)。