自升式風(fēng)電安裝船樁腿上拔水力減阻系統(tǒng)研究

陸梅興，劉璐，馬振江

（1.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

風(fēng)能的清潔與可再生環(huán)保屬性受到世界各國的認(rèn)可與重視。海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來國內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也是我國“十二五”乃至今后一個時期的發(fā)展方向，上海、山東、浙江和江蘇等沿海地區(qū)都在著手海上風(fēng)電場的規(guī)劃與建設(shè)。目前海上風(fēng)機的主要安裝方式有兩種：整體安裝和分體安裝。整體安裝如東海風(fēng)電一期34臺3 MW機組的安裝；分體安裝如響水2 MW風(fēng)電場試驗風(fēng)機的安裝。當(dāng)采用風(fēng)機分體安裝方案時，一般利用水上平臺或淺吃水半潛駁，安裝方法和陸上風(fēng)電類似，受自然條件的影響較小，安裝效率較高。對于潮間帶風(fēng)場，可采用半潛式坐底作業(yè)平臺安裝風(fēng)機；對于中等水深的風(fēng)場，國外一般采用專用的海上風(fēng)電安裝船，該船由船體、起吊設(shè)備及樁腿（包括樁靴）三部分組成。船體將樁腿升降系統(tǒng)插入海底，當(dāng)樁靴插入土中一定深度，得到足夠的支撐能力后，便可使船抬升至水面上，為風(fēng)機安裝提供了平穩(wěn)的工作平臺。風(fēng)機安裝完畢，上拔樁腿，平臺下降至水中，移動定位后，可進(jìn)行下一個機位的風(fēng)機施工。

自升式風(fēng)電安裝船是由海洋工程自升式作業(yè)平臺派生出的一類海上作業(yè)平臺，平臺主要特點為使用尺寸較大的獨立樁靴并要求“下得去、升得起、立得住、拔得出”四大準(zhǔn)則。根據(jù)海上自升式作業(yè)平臺相關(guān)研究資料，不同的作業(yè)區(qū)域海底土體力學(xué)性能不同。在黏性土地質(zhì)環(huán)境平臺插樁時樁腿入土深，且插樁時被破壞的土體在強度恢復(fù)后黏結(jié)在樁腿與樁靴上，特別是平臺長時間駐位，樁腿與樁靴四周土體固結(jié)，平臺上拔樁阻力大，拔樁困難[1-3]。在國內(nèi)外工程歷史上曾多次出現(xiàn)因入泥過深造成拔樁困難使平臺受損的事故[4]。因此，建造自升式風(fēng)電安裝船必須解決好拔樁阻力問題，通過研究設(shè)計高效高質(zhì)的水力減阻系統(tǒng)，在拔樁前對樁腿樁靴四周進(jìn)行沖樁作業(yè)，減小拔樁時樁腿與樁靴的阻力。

1 拔樁阻力分析

自升式風(fēng)電安裝船的拔樁過程是復(fù)雜且涉及多個環(huán)境因素的海上高風(fēng)險作業(yè)。拔樁阻力由樁靴上覆土重量、樁靴側(cè)面摩擦阻力、樁靴上部土體抗剪強度、樁靴底部土體吸附力、樁腿（包括樁靴）自身重量等組成。現(xiàn)有的研究均認(rèn)為樁靴底面的吸附力占支腿上拔阻力相當(dāng)大的比重，其產(chǎn)生的機理為在支腿上拔過程中，底部土體孔壓減小，樁靴上部土體的孔壓增大，樁靴上、下表面的壓差導(dǎo)致了吸附力的產(chǎn)生。有的研究指出拔樁過程中，樁底壓實范圍的土體吸附力和樁靴以上的土體破壞剪切力占總拔樁阻力的50豫以上[5]。為減小樁腿的抗拔阻力，一般在樁靴上布置沖樁系統(tǒng)。沖樁系統(tǒng)包括高壓上噴沖和低壓下噴沖分系統(tǒng)，即在樁靴上部采用泥漿泵作為動力源的高壓上噴沖管系和在樁靴下部采用消防泵為動力源的低壓噴沖管系。上噴沖系統(tǒng)主要將樁靴上部土體沖散，以減少樁靴上部土體破壞剪切力。下噴沖系統(tǒng)主要破壞樁靴底部土體吸附力，以減小支腿上拔力。

在實際工程應(yīng)用中，常常由于地質(zhì)條件，使樁腿入土過深導(dǎo)致樁腿拔樁困難。分析其主要原因為當(dāng)插樁過深時，樁靴上覆土重量占拔樁阻力的比例將大大增加。我國勝利六號海上鉆井平臺曾因過量預(yù)壓，樁靴最深入土達(dá)11.2 m。先后采用強力噴沖以及爆松排淤等輔助方法也未能拔出樁靴。最終采用水力噴沖氣舉排泥和動用挖泥船將樁靴頂部的泥土挖除后，將樁靴拔出。通過此實例可以看出，挖除樁靴上部土體對于平臺拔樁是非常有效的[4]。所以新型水力減阻系統(tǒng)，除了采用沖樁消除吸附力的方法以外，還需要研制出可以將樁靴上部的部分泥土清除的系統(tǒng)，以減輕樁靴上覆土重，減小拔樁阻力。

2 水力減阻方案設(shè)計

通過拔樁阻力分析，要減少拔樁阻力，重點從減小吸附力和上部土重進(jìn)行研究，參考常規(guī)自升式平臺的沖樁系統(tǒng)，借鑒水沖樁的工作原理，設(shè)計了2種水力減阻方案。

2.1 排污通道水力減阻系統(tǒng)

排污通道水力減阻系統(tǒng)由高壓水管、氣管、排污管及分流蓋組成，排污管和分流蓋處于樁靴上表面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)通過高壓水噴頭所噴出的高壓水沖走附著在樁靴外上表面的淤泥，再通過結(jié)構(gòu)中的氣管充氣，由排污管將淤泥排出至海水中。通過這種方式一方面可以減少覆蓋樁靴上表面土體重量，另一方面樁腿上拔水力減阻系統(tǒng)容易形成排泥通道，從而減少支腿上拔阻力，提高樁腿上拔效率。

圖1 排污通道水力減阻系統(tǒng)Fig.1 Hydraulic drag reduction system for mud discharge channel

初次設(shè)計排污通道式水力減阻系統(tǒng)，為了驗證及優(yōu)化其排污效果，共設(shè)計2種形式的排污通道結(jié)構(gòu)，如圖2所示。2種不同排污通道結(jié)構(gòu)形式主要考慮氣管的負(fù)壓效果、高壓水管的土體破壞及導(dǎo)流作用、排污管的排污機理及與分流蓋的隔離和排污含泥量等因素。該系統(tǒng)工作原理是：在高壓水和高壓縮空氣共同作用下，位于排污通道附近的土體被擾動并混合，同時壓縮空氣沿進(jìn)氣管道進(jìn)入排污管道后，以很高的速度由噴嘴噴出，噴嘴以下管路及樁靴外部區(qū)域形成負(fù)壓。此時土體與水的混合物沿著排污管路上升而排出。值得注意的是該系統(tǒng)工作時，必須保證壓縮空氣連續(xù)且壓力與流量充足，使被破壞的土體形成泥與水混合物沿著排污管連續(xù)排出。經(jīng)試驗驗證，含分流蓋的排污通道排污效率與不含分流蓋的排污通道相當(dāng)，含分流蓋的排污通道工作性能穩(wěn)定。

圖2 2種排污通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure modelsof two kindsof mud discharge channel system

2.2 環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)

環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)在常規(guī)的水力減阻模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在樁靴和樁腿上均設(shè)置高壓水射流噴頭，同時高壓水射流噴頭單獨設(shè)置控制閥，環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure model of hydraulic drag reduction system of annular channel

樁靴底部均布4個高壓水噴頭，對應(yīng)1個控制閥；樁靴上部4個面，2個面布置2個高壓水噴頭對應(yīng)1個控制閥，另外2個面對應(yīng)2組不同結(jié)構(gòu)形式的獨立排污通道。樁靴4個側(cè)面分別布置1個高壓水噴頭，兩兩對稱的側(cè)面2個噴頭為一組，對應(yīng)1個控制閥；樁腿與樁靴連接處布置高壓噴頭，位置為對稱布置，分別包含對應(yīng)的2組控制閥。支腿樁管上噴嘴自上而下每2 m高度左右分別布置一組噴頭。一組為單噴頭，2個單噴頭有1個控制閥門；另一組為雙噴頭，1組雙噴頭1個控制閥門。樁腿上布置2種形式的噴頭主要為了對比打通通道的效果及效率。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗方案

現(xiàn)場試驗按照中交三航局即將建造的1 000 t自升式風(fēng)電安裝船進(jìn)行1頤4準(zhǔn)原型模型設(shè)計，試驗地點在中交第三航務(wù)工程局舟山市岱山縣海洋綜合基地2號引橋右側(cè)約10 m處。該場地處于淺海區(qū)域，水文條件和實際作業(yè)環(huán)境更為接近，可避免陸上試驗需要揭露地表覆土以及大量引水作為噴樁的麻煩，該場地的粉質(zhì)黏土層厚度與自升船極限狀況下的插樁深度也較為接近，即可保證有一定的插入深度，又可保證插入到相對較硬的持力層。根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)資料和模型尺寸計算，模型樁可以壓入泥面以下33 m左右，試驗平臺、模型樁設(shè)計及加載方案如圖4所示。

圖4 試驗平臺、模型樁及加載方案Fig.4 Test platform,model pile and loading scheme

該試驗壓樁和拔樁靜載荷加載采用錨樁反力裝置，使用4根錨樁作為試驗樁的反力樁提供反力。壓樁靜載荷試驗加載設(shè)備由2臺3 200 kN的千斤頂、70 MPa高壓油泵及相應(yīng)油路系統(tǒng)構(gòu)成。拔樁靜載荷試驗的加載設(shè)備為4臺3 200 kN的千斤頂、70 MPa高壓油泵及相應(yīng)油路系統(tǒng)。測量系統(tǒng)采用經(jīng)過標(biāo)定的武漢巖海工程技術(shù)有限公司RS-JYC樁基靜載荷測試儀器。壓拔樁靜載荷試驗位移量測的基準(zhǔn)系統(tǒng)為基準(zhǔn)樁和基準(zhǔn)架系統(tǒng)。位移傳感器固定在基準(zhǔn)架上，基準(zhǔn)架由槽鋼搭建，并與基準(zhǔn)樁牢固連接，為獨立體系。數(shù)據(jù)采集采用全自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的試驗程序可自動完成試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、判斷和打印等工作，并自動繪出Q-s、s-lg t等曲線。

2015年初，試驗平臺建設(shè)完畢，試驗?zāi)Ｐ蜆队捎趦?nèi)部布置有高壓管路，為了避免振動對高壓管路造成破壞，無法用常規(guī)振動下沉的方法進(jìn)行打樁，故利用2臺卷揚機、導(dǎo)向裝置、變頻器和同步控制系統(tǒng)進(jìn)行壓樁，壓入指定地點及標(biāo)高，并安裝錨樁反力系統(tǒng)。

3.2 減阻效果試驗

減阻試驗首先測試排污通道是否可以順利將樁靴上表面的泥排出，其次測試環(huán)形通道的高壓水噴頭對周邊土體的破壞能力及如何組合和控制高壓水噴頭可以達(dá)到最佳減阻效果。

通過現(xiàn)場試驗表明，空壓機向儲氣包內(nèi)沖壓空氣，使氣包內(nèi)空氣壓力達(dá)到0.8 MPa，再分別打開兩路排污通道的氣路球閥，在此過程中，空氣向外排，把排污通道打通。然后打開泥漿泵和高壓離心泵，同時分別開啟兩路排污通道的高壓水控制球閥，2種結(jié)構(gòu)形式的排污通道均可以通過氣和水成功的將30 m深度（樁靴上表面）的泥通過射流方式排出水面，使樁靴排污通道上表面的泥減少。通過觀察和測試排出水的含泥量發(fā)現(xiàn)，排污通道1（帶蓋子形式）的排泥含量較高，排泥效果較好，如圖5所示。

圖5 排污通道排泥效果Fig.5 Sludgedischarge effect in discharge channel

共進(jìn)行7次不同減阻措施條件下的支腿上拔力試驗，其中前6次拔樁力測試采用錨樁反力裝置，千斤頂行程限制為20 cm，實際操作拔樁位移一般控制行程為15 cm左右，留有5 cm余量，拔力達(dá)到峰值后便停止，此時樁腿與樁靴可以拔出。第7次試驗采用試驗場地附近的320 t塔吊直接拔樁并記錄相應(yīng)的位移時間曲線和拔力時間曲線，得到試驗結(jié)果，詳見表1[6]。

表1 支腿上拔試驗結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of leg pull up test results

4 結(jié)語

排污通道水力減阻系統(tǒng)可將樁靴上表面的土體排出，從而減小上拔阻力，拓寬了自升式平臺船適用地層的范圍，即使插樁入泥較深，也可以保證自升式平臺船順利拔樁。

環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)包含布置在樁腿上的上部水力減阻系統(tǒng)和布置在樁靴上、下表面的下部水力減阻系統(tǒng)，能有效減小樁腿上拔過程中受到的側(cè)摩阻力，還能使其形成水連通通道，把上層土體變成浮容重，同時，樁靴底部負(fù)壓也會釋放，從而減小上拔阻力。

本次試驗設(shè)計的水力減阻系統(tǒng)包含排污通道水力減阻系統(tǒng)和環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)。現(xiàn)場試驗表明，不使用減阻系統(tǒng)時樁腿上拔阻力較大，采用環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)、排污通道水力減阻系統(tǒng)能有效減少樁腿上拔阻力，綜合使用并在合適的工藝下可以將無任何排污措施時的230 t拔樁力減小至75 t，減阻效果顯著，為自升式平臺船在后期工程應(yīng)用中的拔樁提供了工藝依據(jù)。