大連海上風(fēng)電單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)灌漿施工研究

孫烜，王強(qiáng)，李孟超，鐘茗秋，黃祥聲

（1. 中交港灣（上海）科技有限公司，上海200032；2. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司福建分公司，福州350003；3. 福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司，福州350108）

海上風(fēng)能是一種分布廣泛的清潔能源，有著廣闊的應(yīng)用前景，也是促進(jìn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要推力。在經(jīng)歷“十二五”期間的技術(shù)探索和市場(chǎng)示范后，“十三五”期間，國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電市場(chǎng)迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)，截止到2017 年8 月，我國(guó)已經(jīng)開工投建的海上風(fēng)電項(xiàng)目共計(jì)19 個(gè)，總裝機(jī)量合計(jì)4.799 GW，分別位于江蘇、福建、浙江、廣東、遼寧等附近海域。計(jì)劃到2020年，開工建設(shè)10 GW，確保建成5 GW［1-8］。

大連某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，屬于高緯度海域，每年冬季都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰凍，而海冰會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和安全運(yùn)營(yíng)造成重要的影響［9-10］。為防止海冰對(duì)單樁結(jié)構(gòu)造成影響，設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)首次提出了單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)。從外觀看，抗冰錐由正、倒錐組合而成。冰力由冰的抗彎強(qiáng)度控制，當(dāng)浮冰撞擊在上錐或下錐時(shí)，浮冰發(fā)生彎曲破壞，這樣就可以充分地借助錐體結(jié)構(gòu)減小冰力［11-12］，如圖1 所示。在冰期可以有效抵御浮冰的侵襲，保護(hù)樁身的安全。

本研究通過大連某海上風(fēng)電項(xiàng)目單樁抗冰錐灌漿連接的工程實(shí)踐，總結(jié)單樁抗冰錐灌漿管路設(shè)計(jì)、抗冰錐結(jié)構(gòu)安裝、抗冰錐灌漿封堵、抗冰錐灌漿材料研發(fā)應(yīng)用、抗冰錐施工質(zhì)量控制與檢測(cè)等技術(shù)要點(diǎn)，總結(jié)形成單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)特有的灌漿連接工藝。

圖1 抗冰錐破壞冰力示意圖Fig.1 Ice-force failure by icebreaking cone structure

1 抗冰錐灌漿簡(jiǎn)介

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，鋼管樁外徑5.5 m，抗冰錐鋼管內(nèi)徑5.7 m，對(duì)抗冰錐與鋼管樁之間的寬度為0.1 m 的環(huán)形空間進(jìn)行灌漿施工。灌漿連接段標(biāo)高位于-4.30 m～+4.90 m，平均海平面以下灌漿高度約4.28 m。每個(gè)環(huán)空灌漿料理論用量大約16.35 m3，應(yīng)一次灌注完成?？贡F結(jié)構(gòu)圖及灌漿部位如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

圖2 抗冰錐及灌漿部位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Icebreaking cone and grounting structure

圖3 抗冰錐實(shí)物圖Fig.3 Icebreaking cone

2 灌漿材料

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，抗冰錐連接段灌漿料必須具備大流動(dòng)性、高早強(qiáng)、超高強(qiáng)、微膨脹和抗疲勞性等技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，為滿足水下灌漿特殊需求，材料必須具備較好的抗水分散特性；針對(duì)單個(gè)環(huán)空灌漿量較大或在氣溫較低環(huán)境下使用需求，材料既要能保證有足夠的施工時(shí)間，又要在早期（1 d）有較高的強(qiáng)度。具體技術(shù)要求如下：

1）最大骨料直徑≤4.75 mm。

2）初始流動(dòng)度不低于290 mm，30 min 流動(dòng)度保留值不低于260 mm。

3）灌漿材料應(yīng)為無收縮材料。

4）灌漿材料泌水率為0。

5）試件1 d 抗壓強(qiáng)度≥50.0 MPa；3 d 抗壓強(qiáng)度≥75.0 MPa；28 d抗壓強(qiáng)度≥100.0 MPa。

6）試件28 d 抗折強(qiáng)度≥13.5 MPa，28 d 彈性模量≥50 GPa。

為此，本工程采用中交港灣（上海）科技有限公司自主研發(fā)的優(yōu)固特?SKG-V 高強(qiáng)灌漿料。該產(chǎn)品由特種水泥、超細(xì)礦物摻合料、納米微粉和復(fù)合膨脹劑等組成的膠凝材料與優(yōu)質(zhì)天然高強(qiáng)石英砂、高效減水劑、聚合物和其他各類化學(xué)改性劑組成的干混材料。產(chǎn)品主要性能如表1所示。

3 灌漿施工

3.1 灌漿前期準(zhǔn)備

灌漿施工前的準(zhǔn)備工作包括灌漿設(shè)備上船安置，灌漿料存放與保護(hù)，設(shè)備檢修與標(biāo)定，灌漿人員技術(shù)培訓(xùn)，灌漿接口的制作與加工等，以及設(shè)備就位后對(duì)灌漿管線的連接等。根據(jù)海上風(fēng)電灌漿經(jīng)驗(yàn)，灌漿前必須確保兩個(gè)灌漿技術(shù)要點(diǎn)，一是灌漿底部封堵措施到位確保灌漿時(shí)不漏漿，二是灌漿前必須采取措施確保需要灌漿的結(jié)構(gòu)內(nèi)外鋼管臨時(shí)固結(jié)無相對(duì)位移。

表1 優(yōu)固特?SKG-V高強(qiáng)灌漿料性能指標(biāo)Tab.1 Properties of ugrount?SKG-V high performance grounting material

3.2 灌漿設(shè)備

針對(duì)該項(xiàng)目，中交港灣（上海）科技有限公司專門定制了集裝箱小型一體化專業(yè)灌漿設(shè)備，如圖4所示。內(nèi)部集成了2臺(tái)5.5 kW 功率的攪拌機(jī)，2套進(jìn)水設(shè)備，灌漿管線，一臺(tái)主灌漿泵為活塞泵，輸出能力100 L/min，另配備一臺(tái)備用泵，同時(shí)集成了上水、卸料和泵送控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作能力為3～4 m3/h。

圖4 中交港灣（上海）科技有限公司集裝箱小型一體化專業(yè)灌漿設(shè)備Fig.4 Small-scale integrated grouting equipment of CCCC Harbour（Shanghai）Science and Technology Co.，Ltd.

3.3 灌漿工藝及流程

單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)灌漿工藝流程主要包括灌漿管線的連接、潤(rùn)管料漿體制備、潤(rùn)管、灌漿料漿體制備、灌漿、溢漿、壓力屏漿和設(shè)備的清洗：

1）灌漿掛線的連接：灌漿施工船就位后，采用快速接頭連接的方式，將灌漿軟管與抗冰錐結(jié)構(gòu)灌漿口連接。

2）潤(rùn)管：在泵送灌漿料漿體前，使用專用潤(rùn)管料對(duì)灌漿泵和灌漿軟管進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)管料漿體流動(dòng)度320～350 mm，潤(rùn)管結(jié)束后進(jìn)行灌漿作業(yè)。

3）灌漿料制備：施工時(shí)噸包通過吊機(jī)起吊，利用破袋器自動(dòng)破袋后加水?dāng)嚢柚谱鳚{體。根據(jù)材料使用說明，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)用水量87 kg/t、攪拌時(shí)間5～7 min，控制灌漿料漿體初始流動(dòng)度滿足設(shè)計(jì)要求不小于290 mm。

4）泵送壓漿：為確保單個(gè)環(huán)形空間一次性灌注完成，兩臺(tái)攪拌機(jī)同時(shí)制備漿體，交替為灌漿泵喂料，泵送壓漿持續(xù)進(jìn)行。通過控制漿體制備速度、攪拌機(jī)卸料速度與泵送速度的控制，使泵送壓漿的速度始終維持在連續(xù)不斷勻速泵送。當(dāng)實(shí)際用量接近理論用量時(shí)，控制泵送速度，觀察溢漿孔，直到溢漿后停止泵送壓漿。

5）灌漿停止：判斷環(huán)空內(nèi)漿體是否完全灌滿需要同時(shí)滿足以下條件：一是實(shí)際泵送用量超過理論計(jì)算用量；二是觀察確認(rèn)環(huán)空頂部溢漿。溢漿后停止泵送，靜置14～16 min 后，進(jìn)行壓力屏漿。所謂壓力屏漿是采用低流量、低泵速進(jìn)行二次灌漿，壓力屏漿結(jié)束后灌漿結(jié)束。

3.4 施工工效

2017年完成的兩臺(tái)抗冰錐灌漿作業(yè)，采用了小型設(shè)備進(jìn)行施工，2018年在此基礎(chǔ)上定制了集裝箱小型一體化專業(yè)設(shè)備。理論施工工效、2017 年及2018年實(shí)際施工工效如表2所示。

表2 施工工效分析Tab.2 Analysis of construction efficiency

2017年施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)氣溫低，適當(dāng)延長(zhǎng)了攪拌時(shí)間，且采用起重船大吊機(jī)進(jìn)行施工，速度慢、上料準(zhǔn)確性差，需7 h左右才能完成一個(gè)機(jī)位的施工。2018年的集裝箱小型一體化專業(yè)設(shè)備，對(duì)灌漿泵升級(jí)，系統(tǒng)集成供水系統(tǒng)，施工現(xiàn)場(chǎng)配備了履帶吊，工效比2017 年提高了1 倍，每小時(shí)可灌漿10 t，完成一個(gè)機(jī)位的灌漿作業(yè)大約在4 h左右。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與質(zhì)量控制

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)是灌漿施工質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。為確保灌漿質(zhì)量得到有效控制，在每個(gè)環(huán)形空間灌漿施工的開始、中間和結(jié)束前對(duì)材料取樣測(cè)試。施工過程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)和檢測(cè)頻率見表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)項(xiàng)目及頻次表Tab.3 Test items and frequency on site

3.6 三方送檢測(cè)試結(jié)果分析

灌漿施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與留樣試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見匯總表4和圖5。上述試驗(yàn)結(jié)果說明采用SKGV高強(qiáng)灌漿料在外海工況條件下，灌漿料性能滿足單樁抗冰錐灌漿連接設(shè)計(jì)和施工技術(shù)要求，不僅和易性、可泵性好，并且具有充裕的可工作時(shí)間，硬化漿體力學(xué)性能優(yōu)異，具有高早強(qiáng)和超高強(qiáng)的特點(diǎn)。

表4 灌漿料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.4 Summary of grounting material test results on site

4 單樁抗冰錐灌漿技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

4.1 抗冰錐結(jié)構(gòu)安裝

本項(xiàng)目是單樁抗冰錐結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)首次使用，設(shè)計(jì)和施工缺乏經(jīng)驗(yàn)。由于抗冰錐自身重力小于浮力，首個(gè)抗冰錐安裝后未進(jìn)行固定，位置及角度產(chǎn)生了變化。為解決該問題，采用候潮作業(yè)的方式，在低潮位安裝抗冰錐，依靠抗冰錐自重使抗冰錐底部環(huán)板與樁身環(huán)板緊貼，并在抗冰錐頂部一周焊接上壓板固定，防止抗冰錐隨潮水上浮。上壓板固定見圖6。

圖5 各樁位28天抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.5 28-day compressive strength of each pile position

圖6 上壓板固定Fig.6 Hold-down plate fixation

圖7 抗冰錐灌漿管路示意圖Fig.7 Ice cone grounting pipeline

4.2 灌漿材料選擇

灌漿連接在抗冰錐結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)需要承受冰錐結(jié)構(gòu)傳遞的各種復(fù)合荷載作用，對(duì)灌漿料硬化漿體力學(xué)性能和耐久性要求很高，抗冰錐特殊的灌漿工況以及水下灌漿施工條件對(duì)材料施工性提出較高的技術(shù)要求。本工程選用的優(yōu)固特?SKG-V 高強(qiáng)灌漿料滿足上述特殊要求，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與留樣試塊的三方送檢試驗(yàn)結(jié)果表明材料各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足北方抗冰錐結(jié)構(gòu)灌漿設(shè)計(jì)與施工要求。

圖7（續(xù)） 抗冰錐灌漿管路示意圖Fig.7（Cont.） Ice cone grounting pipeline

4.3 灌漿管路設(shè)計(jì)

單樁基礎(chǔ)抗冰錐結(jié)構(gòu)是特殊的新結(jié)構(gòu)，灌漿管路設(shè)計(jì)（包括灌漿管線尺寸、灌漿管路走向排布、灌漿孔位置數(shù)量設(shè)計(jì)、灌漿管線數(shù)量以及預(yù)制灌漿管線與灌漿軟管的對(duì)接等）影響灌漿連接實(shí)施。根據(jù)海上風(fēng)電灌漿經(jīng)驗(yàn)，灌漿管線必須包括有主灌漿管線和備用灌漿管線，本項(xiàng)目共設(shè)計(jì)了兩個(gè)主灌漿管路，1個(gè)備用灌漿管路。如圖7（a）、（b）和（c）所示。

圖7（a）中，①#為主灌漿管線，布設(shè)在抗冰錐對(duì)角的位置，從抗冰錐底部引出，為低位灌漿管線，灌漿管的另一端延伸到水面標(biāo)高以上位置，施工時(shí)采用快速接頭與灌漿軟管相對(duì)接。②#為備用灌漿管線，從抗冰錐中間部位引出，為高位灌漿管線，若施工過程中發(fā)現(xiàn)主灌漿管路無法正常使用，則可采用備用管線進(jìn)行灌漿。備用管線設(shè)置在主灌漿管線旁，方便將灌漿軟管從主灌漿管轉(zhuǎn)接至備用管。

4.4 灌漿封堵

灌漿封堵是海上風(fēng)電灌漿尤其是水下灌漿質(zhì)量的重要影響因素。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)具有特殊性，單樁上設(shè)有裙板，抗冰錐安裝就位后抗冰錐結(jié)構(gòu)底部的裙板與單樁環(huán)板貼合，灌漿封堵通過抗冰錐裙板和單樁環(huán)板之間設(shè)置一圈三元乙丙環(huán)型橡膠板實(shí)現(xiàn)。封堵結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 灌漿封堵設(shè)計(jì)Fig.8 Design of grounting plugging

在灌漿前，潛水員下水檢查抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板之間的橡膠封堵情況，并通過水下焊接將抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板焊接固定，確保環(huán)空灌漿時(shí)抗冰錐與鋼管樁之間無相對(duì)位移。若存在橡膠破損缺失、滲漏面積不大的部位，采用塞土工布的方法進(jìn)行封堵。檢查完畢后才能開始灌漿。灌漿過程中潛水員定期下水對(duì)環(huán)縫進(jìn)行檢查，對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行封堵。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)單樁抗冰錐灌漿連接施工。在抗冰錐灌漿施工過程中，通過技術(shù)論證和工程實(shí)踐，總結(jié)單樁基礎(chǔ)抗冰錐灌漿連接施工的關(guān)鍵技術(shù)，歸納技術(shù)要點(diǎn)如下：

1）抗冰錐安裝采用候潮作業(yè)方式在低潮位安裝抗冰錐并通過上壓板固定。

2）灌漿封堵設(shè)計(jì)是灌漿施工中的關(guān)鍵措施，灌漿前潛水員水下檢查抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板之間的橡膠封堵情況，并通過水下焊接將抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板焊接固定，確保環(huán)空灌漿時(shí)抗冰錐與鋼管樁之間無相對(duì)位移。灌漿管路設(shè)計(jì)總體采用兩個(gè)主灌漿管路和一個(gè)備用灌漿管路，灌漿管線引到水面以上采用快速接頭與橡膠軟管對(duì)接，灌漿管路設(shè)計(jì)合理，灌漿施工方便，效果可靠。

3）材料采用中交港灣（上海）科技有限公司自主研發(fā)的優(yōu)固特?SKG-V 高強(qiáng)灌漿料，產(chǎn)品流動(dòng)度、強(qiáng)度、豎向膨脹率指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與三方送檢試驗(yàn)結(jié)果表明材料各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求。半噸包裝灌漿材料和自主研發(fā)的集裝箱小型一體化專業(yè)灌漿專用設(shè)備施工，在4 h 內(nèi)完成16.35 m3，灌漿工效滿足工程要求。