海上風(fēng)電項目中導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工技術(shù)綜述

田偉麗，汪冬冬，高健岳

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.中交港灣（上海）科技有限公司，上海 200032）

1 概述

中國海上風(fēng)能資源豐富，5～25 m 水深、50 m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約2 億kW；5～50 m 水深、70 m 高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5 億kW[1]，遠(yuǎn)海的風(fēng)能資源儲備遠(yuǎn)高于近海，深遠(yuǎn)海風(fēng)電具有廣闊的發(fā)展前景。目前國內(nèi)已建和在建的海上風(fēng)電項目集中在潮間帶和近海淺水區(qū)，風(fēng)電機組基礎(chǔ)常見形式有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)及新型吸力桶基礎(chǔ)等。在深遠(yuǎn)海建設(shè)海上風(fēng)電項目，深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)和浮式風(fēng)電基礎(chǔ)將成為解決問題的關(guān)鍵。不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于不同水深[2]。單樁基礎(chǔ)直徑隨著水深增加急劇變大，0～30 m 水深適用，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)適用于任何水深但水淺時不經(jīng)濟。我國海上風(fēng)電建設(shè)從2008 年亞洲第一個海上風(fēng)電場東海大橋海上風(fēng)電示范項目開始，2010 年以后逐步開展潮間帶和近海風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)，從“項目示范”走向了“快速開發(fā)”快車道。2018 年以來國內(nèi)潮間帶和近海風(fēng)電資源開發(fā)逐漸飽和，海上風(fēng)電發(fā)展趨勢呈現(xiàn)由近海到遠(yuǎn)海、淺水到深水的開發(fā)趨勢，“雙 40（40 m 水深、40 km 離岸距離）環(huán)境條件下海上風(fēng)電建設(shè)工程技術(shù)”成為當(dāng)前海上風(fēng)電行業(yè)研究熱點。2015 年至今，近海大量海上升壓站基礎(chǔ)、珠海桂山海上風(fēng)電示范項目和廣東陽江海上風(fēng)電項目開始批量采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，但應(yīng)用水深普遍小于30 m。

2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海上風(fēng)電項目的應(yīng)用

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是近海風(fēng)電項目基礎(chǔ)形式之一，導(dǎo)管架基礎(chǔ)與鋼管樁之間通過高強度灌漿材料連接后固定于海底[3]。在海洋石油工程中較深水海域油田多采用固定式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式，而較深水導(dǎo)管架一般采用水下裙樁形式[4]。海上灌漿連接[5]最早用于連接石油平臺導(dǎo)管架基礎(chǔ)與樁基，該工藝已有超過40 a 的使用歷史。在海上風(fēng)電領(lǐng)域中，歐洲大量海上風(fēng)電基礎(chǔ)采用導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。表1 是國外海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)工程實例，蘇格蘭最大海上風(fēng)電項目Beatrice offshore wind 于2019 年全部完工，項目采用四樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，水深最深超過56 m。

我國海上風(fēng)電建設(shè)起步較晚，2015 年至今近海十幾米水深海上升壓站大量采用“后樁法”斜樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，江蘇如東潮間帶風(fēng)電場（0～12 m水深）少量風(fēng)機基礎(chǔ)采用四樁和五樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，2019 年福建興化灣海上升壓站（水深10 m 左右）采用“先樁法”直樁（嵌巖樁）導(dǎo)管架基礎(chǔ)。上述這類導(dǎo)管架屬于淺水導(dǎo)管架，其特點是應(yīng)用水深較淺，灌漿連接段頂部和溢漿口位于水面以上（見圖1），無論是打樁、導(dǎo)管架安裝調(diào)平與鎖定，以及灌漿作業(yè)均在水面以上，目前國內(nèi)已經(jīng)掌握這類導(dǎo)管架基礎(chǔ)的設(shè)計和施工技術(shù)。

2016 年，珠海桂山海上風(fēng)電示范項目國內(nèi)首次采用“先樁法”四樁內(nèi)插腿式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，場區(qū)平均水深7～11 m。這是我國第一個真正意義的四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)海上風(fēng)電項目[6-8]，該項目34 臺海上風(fēng)電基礎(chǔ)采用外挑平臺式四樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，國內(nèi)首次在風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中采用水下灌漿技術(shù)。2018—2019 年廣東陽江地區(qū)20～30 m 水深多個海上風(fēng)電場大規(guī)模采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，風(fēng)機基礎(chǔ)采用與桂山風(fēng)電類似的“先樁法”四樁導(dǎo)管架，海上升壓站基礎(chǔ)國內(nèi)首次采用類似海油工程的裙樁外套筒結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架[9-11]。與此同時，廣東、福建30～50 m 水深多個海上測風(fēng)塔基礎(chǔ)也采用三樁、四樁“后樁法”裙樁外套筒形式導(dǎo)管架。上述這類導(dǎo)管架采用深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)形式與施工方法，其特點是灌漿連接段頂部和溢漿口完全位于水面以下，沉樁定位、導(dǎo)管架安裝調(diào)平與鎖定以及水下灌漿作業(yè)難度很大，目前海上風(fēng)電領(lǐng)域國內(nèi)在這一類導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計、制造與施工等方面仍然處于起步和探索階段。灌漿連接段頂部和溢漿口位于水面以下的深水導(dǎo)管架見圖2。

圖2 灌漿連接段頂部和溢漿口位于水面以下的深水導(dǎo)管架Fig.2 Deepwater jacket with top of grouting connection section and overflow port below the surface of water

3 海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)

在海上風(fēng)電行業(yè)，潮間帶和近海淺水區(qū)已完成項目中在導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計、制造和施工方面積累了較為豐富的經(jīng)驗，最近兩年廣東陽江30 m 水深導(dǎo)管架基礎(chǔ)成功應(yīng)用進(jìn)一步推動海上風(fēng)電行業(yè)導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計、制作與施工整套核心技術(shù)的突破。但隨著導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)用水深加深，導(dǎo)管架越來越大型化，風(fēng)場離岸距離越來越遠(yuǎn)，海況越來越差，導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工涉及導(dǎo)管架制作、運輸、安裝，水下沉樁及精度控制以及導(dǎo)管架調(diào)平、鎖定與深水灌漿等諸多問題需要深入解決。

首先，分析導(dǎo)管架基礎(chǔ)沉樁技術(shù)。針對“先樁法”工藝導(dǎo)管架工程樁沉樁，一般要求鋼管樁平面允許偏差＜50 mm，高程允許偏差＜50 mm，縱軸線傾斜度偏差≤0.5%。鋼管樁施工位于開闊的外海并且鋼管樁頂標(biāo)高位于水面以下，必須采用可靠的限位措施達(dá)到樁位準(zhǔn)確，并盡可能減小相對偏位，以保證后續(xù)導(dǎo)管架的順利安放。在水深7～11 m 桂山風(fēng)電項目中，采用樁基固定式定位架，應(yīng)用坐底式定位架沉樁工藝。在水深20～30 m 的陽江海上風(fēng)電項目中，多家施工單位分別采用浮式新型穩(wěn)樁定位平臺、吸力筒導(dǎo)管架穩(wěn)樁定位平臺等多種形式的沉樁定位平臺（見圖3）。隨著水深進(jìn)一步加深，需要解決減少風(fēng)浪流對沉樁作業(yè)的影響，將海上作業(yè)調(diào)整為水下作業(yè)，開發(fā)海床沉樁智能定位系統(tǒng)是深水導(dǎo)管架打樁的研究方向，國外采用的水下定位架施工技術(shù)值得借鑒。深水打樁定位系統(tǒng)滿足30～80 m 水深水下作業(yè)要求，同時配備自動化液壓控制系統(tǒng)和水下施工監(jiān)控系統(tǒng)，提高沉樁作業(yè)精度。對于“后樁法”裙樁導(dǎo)管架沉樁而言，工程樁通過導(dǎo)管架限位，但打樁過程的調(diào)平與打樁完成后導(dǎo)管架調(diào)平與鎖定更為關(guān)鍵。

圖3 多種不同形式的導(dǎo)管架打樁定位平臺Fig.3 Different types of jacket piling positioning platform

其次分析導(dǎo)管架調(diào)平與鎖定技術(shù)。目前導(dǎo)管架的調(diào)平方法一般有兩種[2]，一種是通過卡樁器加調(diào)平器的方式，即普通的深水導(dǎo)管架調(diào)平方式；另一種是先通過提升導(dǎo)管架低點，然后將導(dǎo)管架與鋼樁固定，邊打樁邊調(diào)平的方式，即普通的淺水導(dǎo)管架調(diào)平方式。上文提及的“后樁法”斜樁導(dǎo)管架調(diào)平采用淺水導(dǎo)管架調(diào)平技術(shù)，并采用“刀把法”鎖定導(dǎo)管架。所謂“刀把法”導(dǎo)管架調(diào)平與鎖定技術(shù)是通過在導(dǎo)管架頂部采用“7 字板”對鋼管樁和導(dǎo)管架頂部進(jìn)行焊接的方式臨時固定，交替打樁時對打樁的樁位解除導(dǎo)管架和鋼管樁之間的臨時固結(jié)，靠其他樁位的臨時固結(jié)承擔(dān)導(dǎo)管架自重的方式防止導(dǎo)管架下沉的方法。對于深水導(dǎo)管架安裝調(diào)平及其安裝后的灌漿工藝都是用卡樁器來完成，即利用調(diào)平器將導(dǎo)管架調(diào)到誤差范圍內(nèi)之后，焊接在群樁套筒上的卡樁器夾住鋼樁，使導(dǎo)管架保持水平和穩(wěn)定[2]。

最后，分析深水導(dǎo)管架水下灌漿技術(shù)。與海洋石油平臺的灌漿相比，無論是材料、受力機理、還是施工，海上風(fēng)電灌漿都有自身特點[5]。海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工中，水下灌漿技術(shù)是施工難點，導(dǎo)管架基礎(chǔ)和鋼管樁連接主要通過灌漿方式進(jìn)行[12]。在海上風(fēng)電項目中，導(dǎo)管架灌漿連接通常采用泵送壓漿的方式將灌漿料灌注到海平面以下的灌漿連接段。在灌漿施工中，要求在海上惡劣施工條件下較短時間內(nèi)完成水下灌漿，對材料的工作性、可泵送性和早期強度提出較為苛刻的技術(shù)要求。導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性好，海床地質(zhì)適應(yīng)性強等特點，風(fēng)電機組、波浪和洋流等荷載作用在導(dǎo)管架上，導(dǎo)管架將荷載傳遞至鋼管樁，再傳遞至海床，作為連接鋼管樁和導(dǎo)管架的灌漿施工質(zhì)量直接影響到風(fēng)機的整體結(jié)構(gòu)安全。海上風(fēng)電導(dǎo)管架水下灌漿涉及材料、設(shè)備、工藝、灌漿管路及灌漿方案、灌漿水下封堵以及水下灌漿施工質(zhì)量檢測等諸多關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)海上風(fēng)電導(dǎo)管架灌漿料產(chǎn)品開發(fā)與工程應(yīng)用研究[13]形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料、設(shè)備和工藝，優(yōu)固特UHPG-120導(dǎo)管架灌漿料產(chǎn)品及灌漿連接技術(shù)打破國外壟斷，填補國內(nèi)空白。對于淺水導(dǎo)管架灌漿而言，雖然也涉及水下灌漿，但灌漿連接段頂部位于水面以上，溢漿口位于水面以上，灌漿前導(dǎo)管架調(diào)平與鎖定在水面以上進(jìn)行，由于溢漿口位于水面以上灌漿終點可見，風(fēng)險相對較小。對于深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿施工而言，灌漿連接段和溢漿口完全位于水面以下，灌漿過程需要潛水員和水下ROV 配合，技術(shù)難度和技術(shù)風(fēng)險更高。

4 深水導(dǎo)管架施工案例分析與應(yīng)用前景

中交三航局2018—2019 年實施中廣核陽江南鵬島400 MW 海上風(fēng)電項目，該項目包含18 臺“先樁法”四樁導(dǎo)管架風(fēng)機基礎(chǔ)和一個“后樁法”四樁裙樁外套筒式導(dǎo)管架海上升壓站基礎(chǔ)。本項目是我國海上風(fēng)電項目中首次在30 m 水深大規(guī)模采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)，灌漿連接段位于水下-20～-30 m 水深以下區(qū)域。該項目風(fēng)電機基礎(chǔ)導(dǎo)管架總重超過900 t，是當(dāng)時國內(nèi)最大最重的海上風(fēng)電基礎(chǔ)導(dǎo)管架。本工程采用浮式穩(wěn)樁平臺打樁，導(dǎo)管架安裝采用的水下對位、水下灌漿等技術(shù)均是國內(nèi)海上風(fēng)電施工的首次嘗試。本項目海上升壓站基礎(chǔ)也是國內(nèi)首次采用四樁裙樁外套筒式導(dǎo)管架，導(dǎo)管架重1 700 t。2019 年廣東陽江多個海上風(fēng)電項目均采用上述結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)管架基礎(chǔ)，對后續(xù)深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電場導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工起到良好的示范引領(lǐng)作用。中廣核陽江“先樁法”四樁導(dǎo)管架風(fēng)機基礎(chǔ)和“后樁法”裙樁導(dǎo)管架海上升壓站基礎(chǔ)見圖4。

圖4 中廣核陽江“先樁法”四樁導(dǎo)管架風(fēng)機基礎(chǔ)和“后樁法”裙樁導(dǎo)管架海上升壓站基礎(chǔ)Fig.4 Wind powder foundation of"pile first method"four pile jacket and foundation of"pile later method"skirt pile jacket sea rising pressure station in CGN Yangjiang

海上風(fēng)電場從近海逐漸走向深遠(yuǎn)海和單機容量大型化已成為國際風(fēng)電發(fā)展的趨勢。我國于2017 年發(fā)布的《全國海洋經(jīng)濟發(fā)展“十三五”規(guī)劃》亦鼓勵在深遠(yuǎn)海建設(shè)海上風(fēng)電場。目前已核準(zhǔn)的海上風(fēng)電項目表明，未來幾年我國的廣東、福建30～50 m 水深海上風(fēng)電場將大量采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。廣東省陽江、揭陽等地，福建省漳浦六鰲、長樂外海等地在規(guī)劃大量導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)電場。未來面對深水、強涌浪海域?qū)Ч芗芑A(chǔ)施工涉及復(fù)雜地質(zhì)、海況條件施工作業(yè)，對施工工藝和設(shè)備提出更高的要求。

5 結(jié)語

本文綜述了國內(nèi)外海上風(fēng)電項目中導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀、近海淺水導(dǎo)管架施工中導(dǎo)管架安裝、沉樁、灌漿等工藝以及導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)。針對水深更深條件導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工需要面對的沉樁、導(dǎo)管架定位、導(dǎo)管架調(diào)平和鎖定以及水下灌漿等諸多問題進(jìn)行探討，并分析了深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海上風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用前景。