福清興化灣海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工設(shè)計(jì)

邱攀

海上風(fēng)電地處環(huán)境與陸地截然不同，受鹽霧腐蝕、波浪荷載、水流荷載及臺(tái)風(fēng)荷載等諸多制約因素影響，施工技術(shù)遠(yuǎn)比陸地風(fēng)電要復(fù)雜，但相對(duì)于陸地風(fēng)電而言，海上風(fēng)電優(yōu)勢(shì)也比較明顯。首先是海上風(fēng)速高、風(fēng)切變小、風(fēng)力比較平穩(wěn)；其次是同等裝機(jī)容量下，海上風(fēng)機(jī)利用率更高；最后是海上風(fēng)電單機(jī)容量大，不占地、不擾民。

海上風(fēng)能面臨的問(wèn)題主要是海底電纜的鋪設(shè)和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的構(gòu)建使得海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)投資巨大。然而，隨著風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工技術(shù)的發(fā)展以及兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的研究運(yùn)用，使得水深15 m左右的淺水風(fēng)場(chǎng)與陸地風(fēng)場(chǎng)可以一爭(zhēng)高下。

1 工程概況

興化灣海上風(fēng)電一期（樣機(jī)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)）地處福建省福清市江陰半島東南側(cè)和牛頭尾西北側(cè)，位于興化灣北部，試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)占地面積約23.6 km2，場(chǎng)址中心距離海岸線約3 km，共規(guī)劃布置14臺(tái)機(jī)位，總裝機(jī)容量為77.9 MW。

項(xiàng)目所在地處于臺(tái)海中部，夏秋兩季受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重。海域呈東北淺西南深態(tài)勢(shì)，平均水深4.2耀10 m，最大水深17.8 m，興化灣是我國(guó)潮位高潮差大的大潮區(qū)之一，平均潮差達(dá)4.28 m、平均流速為1.5 m/s。波浪主要是風(fēng)成浪，從多年歷史統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，H1/10波高在0.1耀0.6 m的占22.5%，0.7耀1.0 m的占 23%，1.1耀1.5 m的占22%，超過(guò)1.6 m的占31%，其中最大波高在5 m左右。

場(chǎng)區(qū)機(jī)位處覆蓋層多為淤泥質(zhì)土、泥質(zhì)細(xì)沙、粉質(zhì)黏土、中粗砂、全風(fēng)化花崗巖等，最小覆蓋層厚度僅為4 m。持力層為散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等。

本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)形式，單個(gè)基礎(chǔ)共設(shè)置4根直立式嵌巖灌注樁，承臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁長(zhǎng)度約47 m，采用樁徑3.2 m，壁厚40耀60 mm鋼管制作而成，鋼管樁材質(zhì)為Q345C。鋼管樁內(nèi)灌注C35混凝土，嵌巖段采用D2800 mm灌注樁。承臺(tái)直徑18 m，高度5.3 m。

2 施工難點(diǎn)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工受海上環(huán)境影響大，主要有以下難點(diǎn)：

1）由于風(fēng)機(jī)塔筒安裝精度要求較高，所以對(duì)基礎(chǔ)鋼管樁沉樁精度要求也非常高，鋼管樁插打施工要求平面位置偏差依50 mm，傾斜度臆0.3%。

2）鋼管樁沉樁設(shè)計(jì)要求進(jìn)入散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖10 m左右或進(jìn)入碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化巖，沉樁以標(biāo)高控制為主。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)一次沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高難度很大，需要采用二次沉樁施工工藝，對(duì)鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)要求較高。

3）本項(xiàng)目為試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)機(jī)由7家不同的廠家生產(chǎn)。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸及重量均不相同，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工臨時(shí)設(shè)施的通用性和可倒用性設(shè)計(jì)對(duì)項(xiàng)目的成本控制至關(guān)重要。

3 總體施工方案

綜合考慮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工時(shí)的各種不利因素，經(jīng)反復(fù)研究，確定以下基礎(chǔ)施工方案。

3.1 鉆孔樁施工

鉆孔樁施工區(qū)域由整體式鉆孔平臺(tái)和履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)組成，見(jiàn)圖1所示。由于基礎(chǔ)施工受環(huán)境因素影響較大，鉆孔平臺(tái)的施工無(wú)法采用常規(guī)方案進(jìn)行，采用履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)配合整體式鉆孔平臺(tái)的施工方案既能有效的規(guī)避不利環(huán)境因素的影響，又能大大降低海上大型吊裝設(shè)備的工作量，節(jié)約施工成本。

圖1 鉆孔平臺(tái)及履帶吊吊裝平臺(tái)平面布置Fig.1 Plane layout of drilling platform and caterpillar crane hoisting platform

為保證基礎(chǔ)鋼管樁沉樁平面位置及傾斜度滿足設(shè)計(jì)要求，保證鋼管樁在自重作用下及在連續(xù)施振時(shí)能夠垂直入土下沉，整體式鉆孔平臺(tái)共設(shè)置上下兩層導(dǎo)向裝置。其上層導(dǎo)向裝置設(shè)置于鉆孔平臺(tái)頂部，下層導(dǎo)向裝置設(shè)置于聯(lián)結(jié)系頂部。插打基礎(chǔ)鋼管樁時(shí)，打樁船拋錨并起吊鋼管樁，通過(guò)松緊錨纜，微調(diào)船位，使樁到達(dá)預(yù)定位置，再通過(guò)鉆孔平臺(tái)導(dǎo)向裝置進(jìn)行二次定位，使樁依靠自重下沉，最后，測(cè)量人員進(jìn)行精確定位。沉樁開(kāi)始階段要重錘輕打，以防溜樁。

由于主體鋼管樁直徑及壁厚較大，設(shè)計(jì)不允許插打時(shí)進(jìn)行接樁，而通過(guò)增大能量錘又可能會(huì)造成鋼管樁刃腳結(jié)構(gòu)損壞，因此，對(duì)部分下沉困難樁位，當(dāng)沉樁未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，在整體式平臺(tái)之上再增加1層臨時(shí)鉆孔平臺(tái)，將平臺(tái)加高后，先使用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔至鋼管樁設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高以上0.5 m后，再使用液壓沖擊錘進(jìn)行二次沉樁[1]，直至沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。臨時(shí)鉆孔平臺(tái)采用雙層貝雷梁及橋面板組成，臨時(shí)鉆孔平臺(tái)示意圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 臨時(shí)鉆孔平臺(tái)立面布置圖Fig.2 The facade arrangement of temporary drilling platform

鉆孔樁主要施工流程：施工準(zhǔn)備寅打樁船插打平臺(tái)定位樁寅浮吊吊裝整體式鉆孔平臺(tái)及履帶吊機(jī)作業(yè)平臺(tái)寅吊裝履帶吊機(jī)寅履帶吊機(jī)吊裝鋼管樁插打?qū)蚣?、臨時(shí)鉆孔平臺(tái)及其余平臺(tái)小型構(gòu)件寅起吊打樁錘進(jìn)行鋼管樁沉樁寅沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高之后，布設(shè)鉆機(jī)進(jìn)行嵌巖樁施工[2]寅拆除整體式鉆孔平臺(tái)，保留履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)繼續(xù)進(jìn)行圍堰及承臺(tái)混凝土澆筑施工。

3.2 承臺(tái)施工

利用高樁承臺(tái)自身4根鋼管樁做為承臺(tái)施工時(shí)圍堰結(jié)構(gòu)的支撐（見(jiàn)圖3），圍堰施工前，先在鋼管樁預(yù)定位置焊接支承牛腿，起重船整體吊裝圍堰至牛腿頂部砂筒之上，并做好止水。綁扎鋼筋、調(diào)整承臺(tái)鋼筋保護(hù)層厚度并安裝風(fēng)機(jī)套筒預(yù)埋件，再澆筑承臺(tái)混凝土。承臺(tái)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后，拆除圍堰并倒用至下一機(jī)位繼續(xù)施工。

圖3 圍堰立面布置圖（mm）Fig.3 The facade arrangement of cofferdam（mm）

4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工設(shè)計(jì)

風(fēng)電場(chǎng)址中心距離海岸線近，平均水深淺，可供施工窗口期較短，且存在暗礁風(fēng)險(xiǎn)。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，需要提前考慮機(jī)械、人員、材料等資源配置，有效保證工期。根據(jù)上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用“先平臺(tái)后圍堰”的施工方案，即先期施工鉆孔平臺(tái)和履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)進(jìn)行樁基施工，待樁基施工完成之后，拆除鉆孔平臺(tái)倒用至下一個(gè)風(fēng)機(jī)機(jī)位處，保留履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)繼續(xù)進(jìn)行承臺(tái)的施工。

4.1 鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)

鉆孔平臺(tái)包括整體式鉆孔平臺(tái)和履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)。平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)采用“鋼管打入樁”的施工方案[3]，共布置28根準(zhǔn)1 200伊14 mm定位樁。定位樁聯(lián)結(jié)系采用準(zhǔn)426伊12 mm鋼管。平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)鉆孔區(qū)采用整體式平臺(tái)桁架+鋼橋面板方案，履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)則采用貝雷梁+預(yù)制混凝土橋面板方案，見(jiàn)圖4所示。

圖4 鉆孔平臺(tái)及履帶吊吊裝平臺(tái)立面布置圖Fig.4 The facade arrangement of drilling platform and caterpillar crane hoisting platform

整體式平臺(tái)桁架為鉆孔樁施工時(shí)鉆機(jī)及其他設(shè)備的支承結(jié)構(gòu)，鉆孔平臺(tái)區(qū)域主要布置臨時(shí)平臺(tái)荷載、鉆機(jī)荷載、發(fā)電機(jī)房、物資倉(cāng)庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)值班室及生活設(shè)施等。為滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的需要，桁架整體平面尺寸40 m伊21.8 m，桁高3.45 m。桁架上下弦桿均采用雙拼HN450伊200型鋼，豎桿及斜桿采用雙拼 [40b、 [36b型鋼，桁架平聯(lián)斜桿采用雙拼 [28b型鋼，桁架桿件之間均通過(guò)節(jié)點(diǎn)板焊接連成整體。平臺(tái)采用浮吊整體吊裝到位，支撐于鉆孔平臺(tái)定位樁樁頂分配梁之上。平臺(tái)面板則采用I20a型鋼及10 mm鋼面板焊接而成。同時(shí)，為了保證鋼管樁插打時(shí)的準(zhǔn)確定位及垂直度，保證鋼管樁在自重作用下及在連續(xù)施振時(shí)能夠垂直入土下沉，采用在平臺(tái)上設(shè)置上下兩層導(dǎo)向裝置的措施。其中上層導(dǎo)向裝置設(shè)置于平臺(tái)頂部，下層導(dǎo)向裝置設(shè)置于聯(lián)結(jié)系頂部，上下兩層導(dǎo)向裝置間距7 m。

履帶吊機(jī)吊裝平臺(tái)為總長(zhǎng)30 m的三跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為2伊9 m+12 m，橫向?qū)挾?.2 m。吊裝平臺(tái)主要滿足1臺(tái)130 t履帶吊機(jī)吊裝或走行作業(yè)及不超過(guò)5 kN/m2的堆載。吊裝平臺(tái)區(qū)域面板采用20 cm厚預(yù)制鋼筋混凝土橋面板。

4.2 圍堰設(shè)計(jì)

承臺(tái)施工圍堰結(jié)構(gòu)為單壁鋼吊箱圍堰，由側(cè)板、底板、底龍骨、砂筒、牛腿等組成。圍堰外輪廓尺寸18.6 m，側(cè)板厚度0.306 m，底部高程+2.234 m，頂部高程+10.2 m。圍堰通過(guò)牛腿支承于已經(jīng)施工完成的主體鋼管樁之上?？紤]承臺(tái)混凝土一次性澆筑完成。

圖5 圍堰底板及側(cè)板平面布置圖Fig.5 The arrangement of cofferdam floor and side panel

本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)機(jī)位多，為了節(jié)約施工成本，圍堰設(shè)計(jì)為可倒用式結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5所示。其中，底龍骨設(shè)計(jì)分為3塊，通過(guò)高強(qiáng)螺栓和綴板連接為整體。底板分塊制作，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組拼。側(cè)板平面等分成8塊，各塊段之間通過(guò)普通螺栓進(jìn)行連接。側(cè)板水平肋采用新制T梁，豎向間距0.9 m；豎向大肋采用HN300伊150型鋼，水平15毅角布置，間距約2.35 m；豎向小肋采用蟻63伊6型鋼，兩根大肋之間平均布置5根。底板采用I16型鋼+6 mm鋼板組合形式，底龍骨則采用雙拼HN900伊300及單根HN900伊300型鋼正交異性焊接而成。

圍堰在工廠制作并拼裝為整體，浮吊整體吊裝至機(jī)位處進(jìn)行安裝，再分塊安裝底板及側(cè)板結(jié)構(gòu)。圍堰拆除時(shí)，先用履帶吊機(jī)分塊拆除側(cè)板，再在承臺(tái)頂部安裝下放扁擔(dān)梁，安裝下放千斤頂及精軋螺紋鋼。通過(guò)先期砂筒筒塞下落進(jìn)行脫模，然后依次拆除砂筒、割除牛腿，最后底龍骨下放至駁船之上分塊拆除，倒用至下一風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工，見(jiàn)圖6所示。

圖6 圍堰拆除布置圖Fig.6 The arrangement of cofferdam removal

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 設(shè)計(jì)荷載

1）鉆孔平臺(tái)。根據(jù)機(jī)位處施工荷載和水文地質(zhì)等資料分析，該平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的荷載分為兩類：第一類為主力荷載，主要包括結(jié)構(gòu)自重、施工機(jī)械荷載及生產(chǎn)生活設(shè)施荷載；第二類為附加力荷載，主要包括風(fēng)荷載、水流力荷載及波浪力荷載[4]。

2）圍堰。圍堰底龍骨標(biāo)高在平均潮位以上，且圍堰施工周期短，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、承臺(tái)混凝土豎向荷載及其對(duì)側(cè)板的側(cè)壓力荷載及工作風(fēng)荷載。

5.2 計(jì)算工況

根據(jù)鉆孔平臺(tái)及圍堰工作與非工作狀態(tài)受力狀態(tài)的不同，計(jì)算工況荷載組合分別見(jiàn)表1、表2。

表1 鉆孔平臺(tái)計(jì)算工況Table 1 Calculation conditions of drilling platform

表2 圍堰計(jì)算工況Table 2 Calculation conditions of cofferdam

5.3 計(jì)算模型分析

采用有限元分析軟件MIDAS CIVIL建立空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行各個(gè)工況施工過(guò)程分析。鉆孔平臺(tái)定位樁按固結(jié)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)規(guī)范[5]，采用m法確定定位樁嵌固點(diǎn)深度，經(jīng)計(jì)算，嵌固點(diǎn)距離海床面深度為5.94 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鉆孔平臺(tái)及圍堰各工況計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of drilling platform and cofferdam operating conditions

經(jīng)計(jì)算分析，鉆孔平臺(tái)及圍堰在各個(gè)工況下各個(gè)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范[6]要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、不占用土地、不占用水資源和適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，其發(fā)展已成為新能源領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)新風(fēng)口。采用合適的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式及合理的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工方法不僅可以有效的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，使其達(dá)到理想的受力狀態(tài)，而且通過(guò)合理的施工組織，達(dá)到快速、高效、經(jīng)濟(jì)的效果。本文通過(guò)復(fù)雜海況下整體式平臺(tái)及可拆卸式鋼吊箱圍堰的設(shè)計(jì)，解決了相同類型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工中的施工工期長(zhǎng)、一次性投入大的問(wèn)題，節(jié)約了工期和施工成本。該方案經(jīng)施工驗(yàn)證切實(shí)可行，對(duì)同類型工程具有借鑒意義。

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[4]JTS 144-1—2010，港口工程荷載規(guī)范[S].JTS 144-1—2010,Load code for harbour engineering[S].

[5]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].

[6]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50017—2003,Code for design of steel structure[S].