吸力桶基礎(chǔ)安裝監(jiān)測(cè)技術(shù)在海上風(fēng)電施工中的應(yīng)用

趙陽

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-5570

摘? 要：在我國(guó)新能源大發(fā)展背景下，海上風(fēng)電發(fā)展突飛猛進(jìn)，吸力筒基礎(chǔ)具有安裝快速、便于拆裝等優(yōu)點(diǎn)，在海上風(fēng)電建設(shè)中引入使用。本文以海上風(fēng)電建設(shè)中吸力桶沉放為例，在桶基礎(chǔ)沉放過程中，對(duì)桶基礎(chǔ)內(nèi)外壓差、實(shí)時(shí)空間位置、貫入深度（速度）、傾斜度監(jiān)測(cè)，并為吸力桶基礎(chǔ)吊裝等施工人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。采用高精度GPS、傾斜儀、測(cè)深儀、壓力計(jì)和流量計(jì)組合進(jìn)行風(fēng)電吸力桶沉放過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電? 吸力桶基礎(chǔ)? 沉放? 監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（a）-0033-03

Application of Suction Bucket Foundation Installation Monitoring Technology in Offshore Wind Power Construction

ZHAO Yang

（Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering? Co.， Ltd.， Tianjin， 300456? China）

Abstract： Under the background of the great development of new energy in China， offshore wind power is developing rapidly. Suction tube foundation has the advantages of fast installation and easy disassembly， which is introduced into the construction of offshore wind power. In this paper， the suction bucket sinking in offshore wind power construction is taken as an example. In the process of bucket foundation sinking， the internal and external pressure difference， real-time spatial position， penetration depth （velocity） and inclination of the bucket foundation are monitored， and the real-time monitoring data are provided for the construction personnel of suction bucket foundation lifting. The combination of high-precision GPS， inclinometer， depth sounder， pressure gauge and flowmeter is used for real-time monitoring of wind power suction bucket sinking process data.

Key Words： Offshore wind power; Suction bucket foundation; Sinking; Monitoring

在我國(guó)新能源大發(fā)展背景下，海上風(fēng)電發(fā)展突飛猛進(jìn)，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)迎來了安裝熱潮。2020年，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)3.06GW，同時(shí)在中國(guó)沿海（包括臺(tái)灣）有約5.12GW海上風(fēng)電正在施工建設(shè)[1]。

吸力筒基礎(chǔ)是近年發(fā)展起來適用于淺覆蓋層海床地質(zhì)的一種基礎(chǔ)形式，憑借環(huán)境友好、安裝快速、便于拆裝等優(yōu)點(diǎn)，2020年在國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電領(lǐng)域投入使用，相對(duì)于傳統(tǒng)的固定式樁基礎(chǔ)安裝作業(yè)，建設(shè)成本相對(duì)較低，安裝時(shí)間短，應(yīng)用范圍廣 ，具有廣闊的應(yīng)用前景。但海上風(fēng)電基礎(chǔ)需要克服來自風(fēng)電機(jī)組和環(huán)境荷載25年的循環(huán)載荷作用，而且海上風(fēng)電基礎(chǔ)的平整度要求更高，因此施工過程中的沉放姿態(tài)監(jiān)測(cè)、桶基礎(chǔ)精準(zhǔn)就位等多個(gè)階段都離不開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支持[2]。本文從吸力筒基礎(chǔ)安裝監(jiān)測(cè)參數(shù)、傳感器選配集成、施工監(jiān)測(cè)等方面入手，結(jié)合作業(yè)實(shí)踐，探討了吸力桶基礎(chǔ)應(yīng)用于海上風(fēng)電安裝過程中監(jiān)測(cè)的方法。

1? 風(fēng)電吸力桶基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)

1.1 吸力桶基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)

1.1.1 吸力桶施工監(jiān)測(cè)步驟

如圖1所示，吸力桶基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)步驟為：（1）沉放區(qū)域海底狀況掃測(cè)，工區(qū)整平;（2）主施工船、駁船進(jìn)場(chǎng);（3）桶基礎(chǔ)吊裝及沉放安裝監(jiān)測(cè);（4）安裝后結(jié)果復(fù)測(cè);（5）施工船舶轉(zhuǎn)場(chǎng)。

1.1.2 吸力桶施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容

吸力筒基礎(chǔ)安裝監(jiān)測(cè)是本文主要研究部分，通過對(duì)該部分工作環(huán)節(jié)進(jìn)一步細(xì)化，主要包括筒體憋氣、筒底觸泥、自沉入泥、抽水入泥、安裝復(fù)核等環(huán)節(jié)[3]。

（1）筒體憋氣。筒基礎(chǔ)入水后通過GPS、全轉(zhuǎn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架水平度、絕對(duì)位置、方位角，與設(shè)計(jì)位置偏差較大，則通過浮吊船移船或起落變幅進(jìn)行調(diào)整。

（2）筒底觸泥。通過測(cè)深儀監(jiān)測(cè)筒入水深度判斷筒底是否接觸泥面，當(dāng)筒底接觸泥面時(shí)，甲板操作人員同時(shí)打開四個(gè)氣管的閥門，筒內(nèi)被壓縮的氣體將被快速釋放，起重指揮人員控制吊鉤配合下放，確保水平度滿足要求[4]。

（3）自沉入泥。觸泥后，吸力筒導(dǎo)管架通過自重下沉入泥。整個(gè)下沉過程中，采用傾斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架水平度，若水平度偏差過大，則適當(dāng)通過不同起落不同鉤頭來調(diào)整水平度，直至導(dǎo)管架自沉停止。在下沉階段，當(dāng)筒體貫入到不同土層時(shí)，需要不同的貫入速度，因此需要對(duì)筒體貫入速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（4）吸力入泥。當(dāng)自重?zé)o法保證吸力筒繼續(xù)下沉?xí)r，筒基礎(chǔ)上水泵開始抽水，產(chǎn)生吸力。吸力筒繼續(xù)下沉，整個(gè)下沉過程與之前過程類似，測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架水平度，若水平度偏差過大，則通過控制水泵不同頻率達(dá)到流量不同的目的以對(duì)水平度進(jìn)行調(diào)整，直至基礎(chǔ)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

（5）復(fù)核監(jiān)測(cè)。吸力筒導(dǎo)管架基本安裝到位后，對(duì)基礎(chǔ)的水平度（含法蘭水平度）、絕對(duì)位置、方位角及高程等數(shù)據(jù)的進(jìn)行符合監(jiān)測(cè)。

1.2 桶基礎(chǔ)施工監(jiān)測(cè)設(shè)備選配

根據(jù)對(duì)筒基礎(chǔ)安裝監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)分析，筒基礎(chǔ)在安裝期間主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括5個(gè)方面：筒內(nèi)外壓差、實(shí)時(shí)空間位置、貫入深度（速度）、傾斜度、周圍土力學(xué)參數(shù)[5]。

實(shí)時(shí)空間地理位置采用能在海上獲得高精度的GPS接收機(jī)，平臺(tái)傾斜度采用高靈敏度的傾斜儀，貫入深度采用測(cè)深儀或高度計(jì)，筒內(nèi)外壓差采用壓力傳感器監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用流量計(jì)監(jiān)測(cè)筒內(nèi)抽水量，分析水頭變化，在筒基礎(chǔ)周邊土體貫入孔壓傳感器等土力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備，筒基礎(chǔ)安裝期間周圍土層力學(xué)性質(zhì)變化，使用全站儀獲得了各傳感器在吸力筒基礎(chǔ)的安裝位置。

1.3 桶基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)監(jiān)測(cè)所涉及的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議解析，位置傳感器主要包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、姿態(tài)儀、計(jì)程儀、測(cè)深儀等，主要用于提供吸力筒基礎(chǔ)位置信息;施工環(huán)境傳感器主要包括壓力計(jì)、流量計(jì)、土孔壓傳感器等[6]，主要提供施工過程中周圍環(huán)境的各種信息。采用C#編程語言和WPF界面引擎對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)，通過施工局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。

2? 應(yīng)用實(shí)例分析

本文結(jié)合某工程實(shí)踐——吸力桶導(dǎo)管架安裝監(jiān)測(cè)工程，對(duì)吸力桶基礎(chǔ)定位定向、姿態(tài)監(jiān)測(cè)、筒內(nèi)外壓差、下沉深度、水泵排水量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)安裝施工完成后，導(dǎo)管架的最終位置、艏向和平整度進(jìn)行了檢測(cè)。主要儀器包括8套壓力傳感器、5套流量計(jì)、4臺(tái)測(cè)深儀、1臺(tái)傾斜儀和1套衛(wèi)星差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）。本次監(jiān)測(cè)吸力桶導(dǎo)管架中心的絕對(duì)位置允許偏差≤±200mm;高程允許偏差0～-500mm;調(diào)平后吸力桶導(dǎo)管架頂部法蘭水平度偏差≤±3‰;吸力桶導(dǎo)管架整體方位角允許偏差≤±2.5°;安裝結(jié)束后，須進(jìn)行位置、水平度、法蘭頂高程的復(fù)核。

作業(yè)中根據(jù)前期標(biāo)定GPS位置與導(dǎo)管架中心及樁腿的相對(duì)位置關(guān)系，通過GPS獲取位置信息可以推算出導(dǎo)管架中心位置即艏向。通過GPS及導(dǎo)管架姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)管架基礎(chǔ)平臺(tái)各點(diǎn)位高程值。使用筒外壓力傳感器，測(cè)量壓力傳感器至水面的距離;使用測(cè)深儀，實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)深儀至海底的距離。根據(jù)壓力傳感器、測(cè)深儀、吸力桶相對(duì)位置關(guān)系，推算該吸力筒處實(shí)時(shí)水深數(shù)據(jù)（見圖2）。

根據(jù)每個(gè)吸力筒上測(cè)深儀實(shí)時(shí)測(cè)量得出吸力筒頂面距離海底距離，根據(jù)距離變化計(jì)算得出吸力筒下沉速度。通過筒內(nèi)外壓力傳感器實(shí)時(shí)計(jì)算吸力筒內(nèi)外壓差。流量計(jì)負(fù)責(zé)計(jì)算抽水流量。在導(dǎo)管架沉放過程中，通過安裝于導(dǎo)管架頂部姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)管架姿態(tài)值。

吸力筒基礎(chǔ)安裝后進(jìn)行位置復(fù)測(cè)，吸力筒基礎(chǔ)整體偏東南約0.18m，滿足業(yè)主安裝精度要求，吸力筒基礎(chǔ)實(shí)際安裝艏向誤差小于±2.5°，符合設(shè)計(jì)精度要求;吸力筒基礎(chǔ)法蘭面實(shí)測(cè)1985高程比設(shè)計(jì)低0.08m，符合設(shè)計(jì)精度要求。

吸力筒基礎(chǔ)安裝后水平度復(fù)測(cè)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量值，吸力筒基礎(chǔ)法蘭面最大值和最小值差為5mm，中心法蘭外徑6.5m，水平度為0.8‰，滿足安裝精度（小于±3‰）的要求。

3? 結(jié)語

吸力筒在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吸力筒基礎(chǔ)安裝過程中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，相對(duì)于傳統(tǒng)的固定式樁基礎(chǔ)安裝作業(yè)工期，有效縮短海上風(fēng)電基礎(chǔ)安裝時(shí)間，且部分傳感器在筒基礎(chǔ)安裝結(jié)束后可進(jìn)行拆除轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的多次重復(fù)利用。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該技術(shù)對(duì)吸力桶基礎(chǔ)沉放有較高的適用性，能為風(fēng)電吸力桶基礎(chǔ)施工提供圖形及數(shù)字信息。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭新杰，黃炳南.海上風(fēng)電鋼管樁斜樁基礎(chǔ)嵌巖施工技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2020，40（8）：63-67.

[2] AhmadIshfaq（伊法）.吸力筒多筒基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)值模擬研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[3] 全球首例：8MW風(fēng)機(jī)采用吸力筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2017（2）：71.

[4] 高本金，郝軍.吸力筒型基礎(chǔ)海上拆除技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2017，37（1）：50-53.

[5] 范榮山，張健.深水導(dǎo)管架在海上風(fēng)電項(xiàng)目的施工方法探討[J].水電與新能源，2020，34（9）：32-35.

[6] 王曉強(qiáng).樁-筒組合基礎(chǔ)水平承載機(jī)理及風(fēng)機(jī)模態(tài)數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江工 業(yè)大學(xué)，2020.