國內(nèi)首例三樁吸力筒式導管架基礎(chǔ)灌漿工藝

劉輝

【摘 要】隨著國家推進新能源政策，我國風電行業(yè)得到不斷發(fā)展。我國沿海蘊藏著豐富的風能資源，隨著風電施工技術(shù)條件不斷成熟，風電行業(yè)的發(fā)展前景越來越廣闊。文章結(jié)合三峽新能源陽西沙扒海上風電項目的工程實例，詳細介紹吸力筒式導管架式基礎(chǔ)灌漿關(guān)鍵施工技術(shù)，包括灌漿管線設(shè)計、施工要點和施工難點。

【關(guān)鍵詞】海上風電;吸力筒;導管架;灌漿施工

【中圖分類號】TM614 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0028-04

0 引言

目前，海上風電場的投資建設(shè)中，風機成本占40%左右，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和施工費用占50%～60%[1]。海上風機基礎(chǔ)應用最為廣泛的是傳統(tǒng)的導管架基礎(chǔ)，但是傳統(tǒng)風機基礎(chǔ)施工工期長、成本高、未知性大[2-3]，而吸力筒作為一種應用于海洋工程的新型基礎(chǔ)形式，始于20世紀70年代，最初應用的是挪威國家石油公司于1998年研發(fā)的吸力筒式導管架基礎(chǔ)，并于1994年首次在實際工程中使用，2003年丹麥Frederikshavn海上風電場第一次將吸力筒用在海上風電機組基礎(chǔ)上。吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)使用幾十年了，技術(shù)非常成熟，但是國內(nèi)還沒有真正用于海上風電場工程的吸力筒基礎(chǔ)，目前處于試驗階段，如果試驗成功加以推廣，則會成為未來我國導管架式風機基礎(chǔ)的主流方向。

2020年三峽新能源陽西沙扒海上風電場突破國外技術(shù)壁壘，首次將三樁吸力筒式導管架式基礎(chǔ)應用于國內(nèi)風電工程的水下27～32 m淺覆蓋層當中[4]，當吸力筒結(jié)構(gòu)下沉，吸力筒筒頂?shù)目障恫捎霉酀{作業(yè)，直至填滿泥面以上吸力筒頂?shù)目臻g，這關(guān)系到該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗滑移、抗傾覆等穩(wěn)定性能，是三樁吸力筒式導管架式基礎(chǔ)施工的重要環(huán)節(jié)。

1 工程概況

三峽新能源陽西沙扒300 MW海上風電場位于廣東省陽江市陽西縣沙扒西側(cè)海域，場址涉海約50 km2，外圍風機包絡(luò)海域面積約43.2 km2，水深在27～32 m。場址中心離岸距離約28 km，距陽江市陸域最近距離約25 km。場址西側(cè)有沙扒港航道，北側(cè)2 km為湛黃航道及陽江1號錨地區(qū)，東北側(cè)靠近陸地，為陽西大樹島海洋保護區(qū)，東側(cè)有陽西火電廠航道，南側(cè)為外海習慣航路。本項目3臺吸力筒導管架基礎(chǔ)及風機安裝工程位于風電場北部淺覆蓋層區(qū)域，風機編號分別為15#、28#、43#。

2 吸力筒式導管架結(jié)構(gòu)

2.1 導管架結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該工程所用的三樁吸力筒式導管架由外平臺、過渡段、靠船件、導管架、吸力筒和“J”形管等附屬構(gòu)件組成，整個導管架由下部筒體、中部導管架、上部平臺分別加工后，再進行焊接組合而成[5]。

2.2 導管架的運輸和安裝

導管架在加工廠生產(chǎn)檢驗完畢后，需要用駁船運輸?shù)斤L場，吸力筒式導管架的裝船方式采用SPMT小車滾裝裝船方式，到達風場后，進行沉貫施工前先由專業(yè)的挖泥船清淤整平施工場地，方便后期的導管架安裝，清淤結(jié)束后進行導管架的貫入分析[6，7]。

貫入分析和泵設(shè)備安裝調(diào)試之后進行沉貫作業(yè)，吸力筒式導管架式風機基礎(chǔ)貫入自重下沉過程和負壓下沉過程中，都應控制下沉速率，基礎(chǔ)下沉各階段的下沉速率應滿足設(shè)計要求，基礎(chǔ)貫入的偏差應在允許范圍之內(nèi)[8]（如圖2所示）。

3 吸力筒式導管架灌漿施工

3.1 吸力筒灌漿部位

三樁吸力筒式導管架基礎(chǔ)貫入下沉結(jié)束之后，要求對吸力筒的筒頂與泥面空間進行回填灌漿，將筒內(nèi)的海水排出，在海上風電灌漿施工前必須做大量準備工作，確保灌漿施工盡量一次性灌漿成功。根據(jù)設(shè)計施工圖，吸力筒最大直徑為13 m，筒頂距離泥面高度為0.5 m，單筒理論灌漿量為66.3 m3，現(xiàn)場采用具高流動性、自密實的灌漿料進行灌注和填充（如圖3所示）。

3.2 吸力筒灌漿施工流程（如圖4所示）

一個筒體灌漿結(jié)束后，停止泵送，潛水員拆除管線，關(guān)閉通氣球型閥門，回收管線，通知船上控制室進行移船到另外兩個吸力筒灌漿位置，重復上述的開始準備、攪拌、泵送、灌漿及停止等工序，直至完成3個筒型基礎(chǔ)筒頂空間的灌漿。

3.3 灌漿管線預設(shè)

灌漿管線設(shè)置為1個裝有分配管的主灌漿管、2根備用灌漿管、1個出漿口。灌漿管線連接接頭位于吸力筒頂以上2 m處。此工程中采用的主灌漿管為直徑400 mm的管線，在接頭處變徑為內(nèi)徑65 mm的管線，通過法蘭與DN65的球閥相連，灌漿施工時需要將DN65法蘭的預制接頭與灌漿軟管連接，進行灌漿（如圖5所示）。

3.4 灌漿管線連接

（1）在灌漿管線連接之前，由潛水員配合到達筒頂處，打開預制灌漿管口的連接接頭處的DN65球閥，分別在出漿管口和兩個備用灌漿管口處測量泥面到筒頂?shù)纳疃?，傳至甲板控制室估算灌漿用量，并將預備的導向繩水下一頭固定到筒頂處。

（2）潛水員在測量完成后，甲板人員根據(jù)設(shè)計要求連接灌漿管線，管線布置清晰可見，不得被其他遮蓋物覆蓋;由吊機配合甲板施工人員將連接好的灌漿軟管順著導向繩劃入水中，此過程要由潛水員順著導向繩糾正管線方向，特別是管線連接處，防止灌漿軟管卡在導管架上部斜撐角處，強拉引起管線斷開，確認灌漿軟管下放到位后，潛水員將灌漿軟管一頭接到預留鋼管主灌漿管頭。

（3）灌漿前將灌漿管線固定在筒頂預制主灌漿管管口，管口外留10 m左右的軟管盤放在筒頂，起到止落作用，船上準備好備用灌漿軟管放置在甲板附近，當發(fā)生堵管或其他緊急情況時進行快速更換。

（4）潛水員將預備的水下攝像頭固定在預制出漿管口處，方便甲板控制室及時觀察溢漿情況。

（5）將灌漿軟管從頭至尾全部檢查捋順，灌漿軟管中間角度不能太小，防止軟管打折影響后期灌漿料的泵送，所有檢查完畢后，將筒頂?shù)剿嬷g的灌漿軟管間隔用細繩固定在導管架的陽極塊或者斜撐上。

（6）確認所有的灌漿軟管連接（軟管之間、軟管與泵之間、軟管與預制灌漿管之間）都正常后，對甲板軟管進行固定。

4 吸力筒式導管架灌漿施工的難點

此工程屬于國內(nèi)首例三樁吸力筒式導管架風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)特殊，灌漿施工難度大，灌漿材料、灌漿位置、灌漿量等均與傳統(tǒng)灌漿有較大區(qū)別，灌漿施工只能借鑒以往傳統(tǒng)灌漿工程經(jīng)驗，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行施工安排。

4.1 灌漿管線的安裝和拆除

此項目與傳統(tǒng)水下灌漿施工不同，灌漿管線不是用預制鋼管連接至水上平臺，而是現(xiàn)場進行水下灌漿管連接，吸力筒筒頂設(shè)計標高為-30 m，如果采用灌漿軟管進行水下接管，傳統(tǒng)的抱箍式接頭水下接管困難，潛水作業(yè)風險大大增加，灌漿過程監(jiān)控判斷困難。因此，灌漿管線全部都是軟管連接，整個過程都是由潛水員和甲板人員配合完成，高度考驗施工團隊的專業(yè)性和協(xié)調(diào)能力。如果施工過程中灌漿管線連接出現(xiàn)問題，需要重新把整條管線吊至甲板全部清洗，從準備工作開始重新施工。為了防止灌漿軟管中途由于壓力過大出現(xiàn)連接斷開問題，此項目中使用的灌漿軟管水下部分采用法蘭接頭，水上部分采用抱箍式接頭，并且在泵車出料口處設(shè)置壓力表，由專業(yè)人員實時監(jiān)控，防止施工過程中出現(xiàn)爆管、斷管等情況。

4.2 灌漿材料的性能

此項目施工時間長，施工溫度對灌漿材料用水量影響大，泵送灌漿料距離遠，一般灌漿材料會出現(xiàn)離析，吸力筒灌漿對灌漿材料的強度要求不高，但灌漿深度較大，灌漿料需填充的空間大，水下灌漿施工難度較大，對材料水下澆筑的抗水分散性、可泵性、流動性和可工作時間等要求極其苛刻，對灌漿設(shè)備的功效、穩(wěn)定性和船機配合也要求較高，難度極大。

此項目由中交港灣（上海）科技有限公司進行施工，配備專業(yè)的灌漿設(shè)備和灌漿團隊，灌漿材料選用該公司自主研發(fā)的海上風電施工中大流動度的專業(yè)灌漿材料OEM-HG-1000，灌漿施工現(xiàn)場嚴格測試灌漿料溫度、流動度、表觀密度等指標，隨時根據(jù)試驗數(shù)據(jù)調(diào)整用水量，適應不同時間段的溫度變化，各個指標符合要求以后才可泵入。現(xiàn)場測試灌漿材料技術(shù)指標的試驗標準見表1。

4.3 實際灌漿材料用量估算誤差大

此項目中采用的吸力筒基礎(chǔ)直徑大，導致筒頂空間灌漿量大，由于此結(jié)構(gòu)適用于砂性土和軟黏土海洋地質(zhì)條件，吸力筒在下放過程中，吸力泵向外抽水進行負壓下沉，造成泥面不平，而海上風電灌漿施工的特殊性在于施工開始后必須一次性完成，如果對灌漿方量估算不準，可能會導致材料預備不夠，所以根據(jù)灌漿前的測量數(shù)據(jù)估算灌漿方量只能作為參考，具體以實際施工為準。吸力筒灌漿前除根據(jù)設(shè)計圖紙預算灌漿方量，還要多準備20%左右的灌漿材料;吸力筒下沉過程中采用國內(nèi)先進的技術(shù)和筒內(nèi)泥面整平技術(shù)，盡量準確估算灌漿方量[4]。吸力筒式導管架灌漿施工材料用量分析圖如圖6所示。

4.4 灌漿工作量大，施工時間長

吸力筒式導管架式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特殊，必要情況下采用“三點灌漿法”施工，當出現(xiàn)溢漿時必須停止泵送，等待灌漿料自流填滿整個空間，等待期間還會增加堵管的風險，灌漿施工時間過長（8～30 h），不確定性大，對施工人員形成諸多挑戰(zhàn)。此外，環(huán)境溫度變化大，影響灌漿料的拌合用水量，進而影響灌漿材料的流動度和出料溫度，嚴重時會使材料流動度不夠，造成灌漿管線堵塞，影響灌漿施工進程，因此施工人員采取輪班制，保證攪拌機和材料泵送連續(xù)作業(yè)，避免疲勞作業(yè)或者超負荷作業(yè);施工時應嚴格檢測材料中的流動度和環(huán)境溫度，隨時根據(jù)實際情況調(diào)整材料用水量;盡量選取下午或夜間施工，如遇下雨和高溫情況應采用必要的防水和防曬措施，而且整個工作過程應保持甲板清潔。

5 結(jié)語

此項目是目前國內(nèi)首次將三樁吸力筒式導管架式基礎(chǔ)應用于海上風電工程中，其中吸力筒筒頂空間灌漿也是國內(nèi)首例，借鑒以往傳統(tǒng)導管架基礎(chǔ)灌漿施工經(jīng)驗，克服施工過程中的難點，不斷積累總結(jié)技術(shù)經(jīng)驗，為未來類似結(jié)構(gòu)施工提供參考。其對于開拓海上風電場吸力筒基礎(chǔ)市場，推動國內(nèi)海上風電吸力筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和海上風電產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展，助力國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型都具有里程碑式的意義。

參 考 文 獻

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