海上風電大直徑單樁浮運施工技術

王國平，王俊杰，黃艷紅

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海200137）

0 引言

在我國海上風電場建設中，大直徑單樁基礎由于其海上施工工效高、可工廠化制作等優(yōu)勢，得以廣泛應用。目前其海上作業(yè)主要是通過駁船運輸至海上，通過起重船抬吊翻身后沉樁的施工工藝，所需大型船機設備較多。浮運法是一種常用水上運輸技術，廣泛運用于港口[1]、橋梁[2]、沉管隧道[3]建設，具有良好的經(jīng)濟技術性能。浮運法運用于海上風電單樁運輸，將優(yōu)化施工，達到降本增效的目的。本文開展了海上風電大直徑單樁浮運施工研究，并應用于江蘇如東H14號項目。

1 工程概況

江蘇如東H14號海上風電場項目[4]位于如東近海海域，竹根沙東側。場地區(qū)域中心點離岸約為44 km，風機基礎均采用無過渡段單樁基礎的結構形式。選擇2號基礎為典型施工對象，直徑為5.5 m，樁長約為72 m，壁厚為55～70 mm，樁重約為627 t。單樁加工制作場地距離海上機位處約為27 n mile。

2 大直徑單樁浮運施工工藝

大直徑單樁浮運施工采用“樁頂、樁尖液壓封堵器封堵，以形成不透水密閉空間保證浮力、拖航平衡梁牽引與減小橫搖、遠程監(jiān)控系統(tǒng)感知與應急處理、拖輪吊拖、單起重船借浮力豎樁起吊并完成沉樁”的工藝原理[5]，具體施工總體流程如圖1所示。

圖1 單樁浮運施工工藝流程Fig.1 Monopile floating transportation construction process

3 封堵系統(tǒng)設計及浮運關鍵參數(shù)計算

3.1 浮運封堵系統(tǒng)設計總體方案

單樁浮運是通過在單樁的樁頂和樁尖部位進行封堵，使單樁內部形成不透水的空間，以保持在海面上足夠的浮力，可以使用拖輪等動力船舶拖帶的方式，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，并且能夠在起吊翻身時能夠借助浮力實現(xiàn)單吊機的扶正。

浮運封堵系統(tǒng)的設計需要考慮以下因素：

1）封堵器必須確保在施工過程中封堵性能的完好。在歐洲某風場的單樁浮運實施過程中，曾發(fā)生兩次因封堵失效導致單樁沉沒的運輸事故，因此必須保證浮運過程中封堵性能完好。

2）拖航過程減小單樁的橫搖。單樁結構由于其重心與形心重合，在風浪流作用下，容易發(fā)生橫搖，且沒有回復力矩來恢復至初始狀態(tài)。而單樁起吊吊耳在單樁的兩側，如橫搖后無法恢復，則吊耳可能沒入水下，給現(xiàn)場后續(xù)吊樁施工帶來不便。

3）拖航作用點不能直接作用在封堵器上。由于單樁采用管樁吊耳且位于樁身中間，無法直接設置拖航點，因此需要在樁頂附近設置拖曳點，且拖曳點不應直接作用在封堵器上，以防止拖航力使封堵器失效。

4）具備拖航狀態(tài)監(jiān)控和應急排水功能。拖航過程需要嚴密監(jiān)控單樁姿態(tài)、封堵系統(tǒng)狀態(tài)，并能夠感知單樁內部是否進水，并在進水警戒時及時將進水排出單樁外部以保證浮力。

通過設計與優(yōu)化，最終形成的單樁浮運封堵系統(tǒng)由樁頂封堵器、樁尖封堵器、拖航平衡梁和遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖2所示。樁頂封堵器[6]通過由液壓系統(tǒng)控制的L形勾爪，反向作用于內平臺環(huán)板，使橡膠密封圈正向作用在內平臺環(huán)板上實現(xiàn)端面密封。樁尖封堵器[7]通過液壓系統(tǒng)縱向擠壓橡膠密封圈，使密封圈徑向膨脹向外擴充，填充封堵器與單樁內壁縫隙，形成密封。拖航平衡梁為“啞鈴”狀，兩側浮箱在單樁橫搖時，一側沒入水中，一側出水面，兩側浮力不平衡形成回復力矩使單樁恢復初始狀態(tài)，同時在平衡梁上設置液壓固定裝置，使拖航平衡梁固定在單樁頂法蘭上，以避免拖曳力作用在樁頂封堵器上。遠程監(jiān)控系統(tǒng)設置蓄電池提供動力，配置壓力傳感器、液位傳感器、角度傳感器等，可遠程感知液壓系統(tǒng)壓力、內部進水情況、拖航姿態(tài)，并能夠通過蓄能器遠程補壓等。遠程監(jiān)控系統(tǒng)由單樁浮運數(shù)據(jù)監(jiān)測、液壓缸補壓控制兩部分組成，遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖2 單樁浮運封堵系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of monopile floating transportation plugging system

圖3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成圖Fig.3 Composition diagram of remote monitoring system

3.2 拖航參數(shù)計算

3.2.1 吃水深度

單樁筒體長度71.84 m，總重627 t，上下通徑外徑5.5 m，樁頂鋼板70 mm厚，樁尖鋼板60 mm厚，因此單樁的質量分布沿長度方向不均勻，各段吃水深度不相同，呈現(xiàn)一定角度的傾斜。

經(jīng)計算，單樁樁頂處吃水深度最大2.52 m，樁尖處吃水深度2.07 m。單樁與海面夾角0.362°。

3.2.2 拖航阻力

根據(jù)《海上拖航法定檢驗技術規(guī)則》[8]、《海上拖航指南》[9]規(guī)定以及考慮拖航安全的保證，限定單樁浮運的工況條件為，蒲式風力不大于6級，拖航航速6 kn。

拖航阻力計算按照中國船級社《海上拖航指南》推薦的估算方法對單樁浮運時的拖航阻力進行計算。

拖航阻力計算公式：

式中：Rf為被拖單樁基礎的摩擦阻力，kN；Rb為被拖單樁基礎的剩余阻力，kN；A1為被拖單樁基礎的水下濕表面積，m2；V為拖航航速，取6 kn；A2為浸水部分的船中橫剖面積，m2；Cb為方形系數(shù)，；Δ為排水體積，m3；B為吃水時寬度，m；L為樁長，m；H為吃水時深度，m。

考慮風荷載時，其拖航阻力還包括空氣阻力，如式（4）：

式中：ρ為空氣密度，一般取1.22 kg/m3；V為風速，考慮拖航途中突風，取20.6 m/s；A為受風面積，按照頂風計算，m2；Cs為受風面積A的形狀系數(shù)。

通過上述經(jīng)驗公式，計算得到單樁浮運的拖航阻力約為15.3 kN。

3.2.3 橫搖參數(shù)

浮運單樁在不受外界風浪流荷載作用時保持水平浮運狀態(tài)，拖航平衡梁左側浮箱浮力與右側浮箱浮力相等，如圖4（a）所示；當單樁在外界荷載作用下發(fā)生橫搖時，拖航平衡梁兩側浮箱所受浮力不均衡，此時可產(chǎn)生反向的回復力矩，使單樁逐步恢復水平狀態(tài)，如圖4（b）所示。

圖4 單樁橫搖受力簡圖Fig.4 Rolling force diagram of monopile

對單樁穩(wěn)心取力矩平衡可得：

式中：M為單樁所受合力矩；M1為單樁受到的阻力矩，由海水的黏性產(chǎn)生；M2為重力產(chǎn)生的回復力矩；M3為浮力產(chǎn)生的回復力矩；M4為外界荷載產(chǎn)生的驅動力矩。

代入設計參數(shù)，通過仿真計算，拖航平衡梁的作用下，在波傾角最大值為10°的情況下，橫搖角最大不會超過6.14°，達到最大橫搖角時間為8.8 s。

3.3 單吊機起吊參數(shù)計算

采用單樁浮運的方式，在運抵現(xiàn)場后的吊裝過程中，可借助浮力作用，只使用一艘起重船就可完成單樁整個扶正起吊過程。但必須在借助浮力扶正過程中，單樁樁尖在最大吃水工況下，距離海底泥面仍有0.5 m的安全富裕，以保證安全。

經(jīng)驗算，在借助浮力過程中，隨著吊耳的提升，樁尖入水深度越大，在單樁樁身傾斜約77°左右時，樁尖入水深度最大達到8.72 m，見表1。即機位水深超過9.2 m滿足要求。

表1 單樁扶正過程轉件入水深度計算統(tǒng)計表Table 1 Statistical table for calculation of water entry depth of rotating parts in the process of monopile centralization

4 單樁浮運技術施工應用

4.1 封堵器安裝及檢測

江蘇如東H14號海上風電場項目選擇2號樁位單樁浮運典型施工對象，在單樁預制場完成樁頂、樁尖和拖航牽引組件安裝作業(yè)后，依次進行了氣密性測試和液壓系統(tǒng)保壓測試。

1）氣密性測試，測試壓力設定為11 kPa（0.11 bar），經(jīng)肥皂水檢測密封處，未發(fā)現(xiàn)明顯泄露情況；穩(wěn)壓1 h后，氣壓檢測為10 kPa（0.10 bar）；保壓12 h后，氣壓穩(wěn)定在10 kPa（0.10 bar），氣密性合格。

2）液壓系統(tǒng)保壓測試，樁頂封堵器12個油缸平均油壓14.4 MPa，樁尖封堵器12個油缸平均油壓15.4 MPa，保壓時間48 h，樁頂封堵器壓力下降值平均為0.1 MPa，樁尖封堵器油壓平均下降0.9 MPa，所有油缸油壓均保持在工作壓力范圍內，滿足需求。

4.2 下水及拖航

在完成單樁封堵器安裝和檢測工作后，依次完成樁身綁靠纜繩安裝、航標燈安裝、浮球安裝及拖航纜繩安裝。單樁下水采用前后兜吊的方式進行吊點位置為主吊耳及單樁樁尾無油漆段。拖航為主拖輪在單樁前端主拖，拖曳點設置位于固定在樁頂法蘭上的拖航平衡梁上，以保證拖曳力作用在單樁上；輔助錨艇在單樁尾部帶纜防甩尾，帶纜點為加設的樁尖耳板上。

拖航過程中，單樁的俯仰角變化不大，始終保持在-1°左右，即樁頂部分吃水相比較樁尖部分較深，整個浮運過程平穩(wěn)。而橫搖角度在一定范圍內往復變化，絕對平均值為4.43°，在拖航過程中，轉向時，會發(fā)生較大的橫搖，極值小于15°，并在極值產(chǎn)生后均能夠及時震蕩恢復，可以看出拖航平衡梁對浮運過程中的橫搖糾偏作用有效。

4.3 起吊及沉樁施工

單樁到達現(xiàn)場后，主拖輪根據(jù)水流方向，將單樁按順水流方向拖至靠泊船指定位置，完成靠泊作業(yè)。掛主吊鋼絲繩，主起重船借助浮力完成扶正和起吊作業(yè)。依次入龍口、自重入泥、掛液壓錘和沉樁作業(yè)，經(jīng)檢驗單樁垂直度0.09%，滿足設計和規(guī)范要求。

5 結語

1）單樁基礎采用浮運的運輸方案，節(jié)約了運輸駁的配置，同時采用單起重船借助浮力扶正起吊的技術，省去了翻身輔助起重船的配置，節(jié)約了項目船機成本，具備較好的經(jīng)濟優(yōu)勢。

2）樁頂封堵器、樁尖封堵器采用液壓系統(tǒng)配合橡膠密封圈的封堵方法，能夠有效保證單樁浮運過程中密封性能的完好，確保單樁浮運的安全實施。

3）拖航平衡梁利用橫搖時兩側浮箱浮力不平衡而產(chǎn)生的回復力矩，實現(xiàn)拖航過程中單樁姿態(tài)的平穩(wěn)，方便了后續(xù)沉樁作業(yè)。

4）依托江蘇如東H14號海上風電項目，對單樁浮運技術進行了深入研究，研制了單樁浮運樁頂、樁尖封堵器和拖航平衡梁，形成了配套的施工工藝，并成功實施。單樁浮運技術的形成，也為將來海上風電超大型結構的轉運方式提供了一種新思路。