海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)海纜引入施工技術(shù)

范肖峰，張震宇，葉兆藝，蘇紀(jì)賢

( 1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

全球常規(guī)石油、煤炭、天然氣資源日益緊張，世界各國(guó)都在大力發(fā)展清潔的海洋資源[1]。當(dāng)前，我國(guó)也正處于大力發(fā)展海上風(fēng)電的黃金時(shí)期，各沿海省份都積極上馬近海海上風(fēng)電項(xiàng)目，其中江蘇省海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量、規(guī)模連續(xù)多年領(lǐng)跑全國(guó)。當(dāng)前，單樁基礎(chǔ)被廣泛地用于海上風(fēng)電工程[2-4]，并采用外套籠方案連接海纜和單樁，但是隨著海上風(fēng)電向離岸距離遠(yuǎn)的趨勢(shì)發(fā)展，導(dǎo)致套籠設(shè)計(jì)復(fù)雜，工程量變幅大，加工、運(yùn)輸、安裝難度加大[5-8]。另一方面，由于具有加工制作簡(jiǎn)潔及施工方便的優(yōu)點(diǎn)，樁身開孔的方式引入海纜進(jìn)入塔筒內(nèi)的方案逐漸運(yùn)用到海上風(fēng)電工程中，國(guó)內(nèi)首次在濱海H2號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)使用，并推廣至廣東、江蘇等海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目中[6]。

本文以江蘇某海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，對(duì)兩種常用的大直徑單樁基礎(chǔ)引入海纜施工工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，并開展兩種技術(shù)的利弊對(duì)比分析研究，并針對(duì)本工程特點(diǎn)選取合適的海纜引入布置方案。

1 傳統(tǒng)樁外電纜管引入方案

套籠結(jié)構(gòu)是大直徑單樁基礎(chǔ)最常用的附屬構(gòu)件結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，施工時(shí)間短，安裝風(fēng)險(xiǎn)低[6]。套籠附屬構(gòu)件包括單樁基礎(chǔ)配套用靠船防撞構(gòu)件、爬梯、內(nèi)平臺(tái)、外平臺(tái)、電纜管、外加電流等，如圖1所示。將上述構(gòu)件中除內(nèi)平臺(tái)以外的其他附屬構(gòu)件在陸域制作成集成式附屬構(gòu)件套籠結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸至海上施工現(xiàn)場(chǎng)后，利用起重船進(jìn)行整體吊裝安放。單樁基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)支撐牛腿焊接于樁體內(nèi)壁，與樁體成一體進(jìn)行沉樁施工，如圖2所示。樁外電纜管方案需要在樁外套籠上設(shè)置圈梁，用來(lái)支撐電纜管，電纜管喇叭口距離海床面一般為0.5～1 m，用于支撐電纜管的套籠也需要一直延伸到泥面以上約1 m位置。海纜保護(hù)喇叭口在海纜登陸風(fēng)機(jī)外平臺(tái)前對(duì)海纜起到保護(hù)作用，將其與外部環(huán)境隔離開，如圖3所示。樁身外側(cè)設(shè)置電纜管，進(jìn)行海纜布置，電纜管與附屬構(gòu)件套籠整體安裝，海纜經(jīng)電纜管由塔筒底部電纜孔進(jìn)入風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部。該方案目前已在華能如東、華能射陽(yáng)、華能大豐等海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目使用。

圖1 單樁基礎(chǔ)套籠示意圖

圖2 單樁基礎(chǔ)套籠安裝現(xiàn)場(chǎng)施工圖

圖3 套籠喇叭口電纜連接示意圖

2 樁身開孔式引入方案

當(dāng)前，工程上廣泛采用開孔大直徑單樁作為風(fēng)電基礎(chǔ)。樁身開孔引入海纜進(jìn)入塔筒內(nèi)的連接方式，如圖4所示。在泥面2～3 m處，單樁開一個(gè)橢圓小孔，開孔為橢圓形短軸100 mm，長(zhǎng)軸300 mm，通過(guò)開孔處海纜保護(hù)裝置及基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)設(shè)置錨固裝置進(jìn)行海纜固定，將海纜與發(fā)電設(shè)備連接進(jìn)行電力輸送，另一端海纜一端放置于海床土體。該方法施工成本低，省去了傳統(tǒng)的樁身外側(cè)設(shè)置電纜管與附屬構(gòu)件套籠整體安裝，簡(jiǎn)化了海纜的裝配部件。國(guó)內(nèi)通過(guò)國(guó)家電投濱海H2號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)初次使用，目前已在江蘇啟東、江蘇啟如東、大連莊河等海上風(fēng)電場(chǎng)使用。

圖4 樁身開孔方案圖

隨著我國(guó)海上風(fēng)電項(xiàng)目在近海淺水區(qū)域和潮間地區(qū)的大規(guī)模開發(fā),近海區(qū)域可開發(fā)利用的風(fēng)電資源逐漸減少,海上風(fēng)電必將向深遠(yuǎn)海發(fā)展。在海南、廣東、福建、浙江及山東等附近海域離岸10海里外水深可達(dá)20～60 m[7]。隨著風(fēng)電場(chǎng)區(qū)往深遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢(shì)，基礎(chǔ)安裝設(shè)備和施工技術(shù)成熟，未來(lái)40 m水深以內(nèi)的海上風(fēng)機(jī)建設(shè)項(xiàng)目，大直徑單樁基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、安裝便利，仍存在較大的優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)水深超過(guò)30 m時(shí)，若仍采用集成式單套籠附屬結(jié)構(gòu)，整體套籠的高度將超過(guò)50 m以上，總工程量預(yù)計(jì)將超過(guò)300 t，且制作、運(yùn)輸和安裝難度很大，同時(shí)也會(huì)顯著提高單樁基礎(chǔ)的波浪載荷，不利于單樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，樁身開孔引入的方案的效果即為針對(duì)傳統(tǒng)的單套籠附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用的局限性，提供一種適用于深水海域的單樁附屬結(jié)構(gòu)。該方案能夠大大減少深水海域單樁基礎(chǔ)集成式附屬結(jié)構(gòu)的工程量、減低制作、運(yùn)輸和安裝難度，同時(shí)有利減少作用在單樁主體結(jié)構(gòu)上的波浪載荷[8]。

目前，樁身開孔處海纜保護(hù)裝置及樁外海纜保護(hù)主要有三種型式，廠家特瑞堡生產(chǎn)的圓珠固定+防彎段+保護(hù)套管(圖5)、廠家tekmar生產(chǎn)的倒刺型+哈弗式抗彎段(圖6)和廠家seaproof生產(chǎn)的加強(qiáng)型+軟管(圖7)。國(guó)內(nèi)廠家如中天科技、大象、江陰久盛和希倍優(yōu)等對(duì)以上型式也有所研發(fā)及生產(chǎn)。

圖5 樁身開孔處固定型式1

圖6 樁身開孔處固定型式2

圖7 樁身開孔處固定型式3

海纜保護(hù)共有三種型式：哈弗式、軟管式及套管型式。哈弗式因其可隨意增加或減少海纜保護(hù)裝置的長(zhǎng)度，且海上安裝方便，因此在國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電項(xiàng)目中有較多的應(yīng)用。由于部分項(xiàng)目采用的哈弗式彎曲限制器出現(xiàn)了斷裂等損壞，軟管式彎曲限制器，在國(guó)內(nèi)部分海上風(fēng)電項(xiàng)目中也有應(yīng)用案例，但由于其安裝相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)需要施工船上具備較大的空間，且整體造價(jià)較高，因此在海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用較少。防彎段+保護(hù)套管型在國(guó)外海洋石油天然氣及海上風(fēng)電項(xiàng)目有一定應(yīng)用，目前尚無(wú)損壞案例。

3 兩種海纜進(jìn)風(fēng)機(jī)平臺(tái)對(duì)比分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建海上風(fēng)電場(chǎng)情況，海纜進(jìn)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部主要是上述介紹的樁外電纜管引入和樁身開孔式引入。樁外電纜管方案的優(yōu)點(diǎn)有：①鋼管樁設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單；②海纜施工方便；③國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用較多，有成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒。缺點(diǎn)主要有：①對(duì)于水深較深機(jī)位，套籠工程量較大；②對(duì)于地形變化較大場(chǎng)區(qū)，套籠設(shè)計(jì)較復(fù)雜；③電纜管隨著地形變化較大，導(dǎo)致套籠工程量變幅大，加工、運(yùn)輸、安裝難度加大。另外，樁身開孔式引入主要的優(yōu)點(diǎn)有：①樁外部套籠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化；②對(duì)于水深較深機(jī)位，套籠型式規(guī)格簡(jiǎn)化；③套籠加工制作及施工方便，對(duì)船機(jī)設(shè)備要求低。樁身開孔式引入主要的缺點(diǎn)有：①鋼管樁設(shè)計(jì)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)；②開孔處需增加樁體壁厚，增加工程量；③電纜施工較復(fù)雜；④內(nèi)部需配套防腐蝕措施。

4 工程概況

本工程位于江蘇某近海海域，場(chǎng)區(qū)中心離岸距離約32 km，水深在6～13 m之間。場(chǎng)區(qū)形狀呈矩形，南北長(zhǎng)約8 km，東西寬約5 km，規(guī)劃海域面積40 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量250 MW，共10個(gè)回路、42臺(tái)風(fēng)機(jī)。本工程基礎(chǔ)形式采用無(wú)過(guò)渡段單樁式基礎(chǔ)，鋼管樁樁徑分為6.5～7.2 m及6.5～7.48 m兩種，壁厚為64～78 mm，單樁最大長(zhǎng)度 77m，最大重量約1 000 t。海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。海區(qū)全年盛行偏北向浪，頻率為63%，最大波高出現(xiàn)在9月份，達(dá)到2.8 m，6月份最小值1.8 m。

綜合以上樁身外側(cè)設(shè)置電纜管引入和樁身開孔引入兩種方案的分析，并針對(duì)本工程海洋環(huán)境、地質(zhì)條件，推薦采用樁身開孔內(nèi)部布置海纜型式，如圖8所示。

圖8 開孔單樁基礎(chǔ)海纜引入示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建海上風(fēng)電場(chǎng)情況，海纜進(jìn)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部主要有兩種方式：樁身外側(cè)設(shè)置電纜管引入和樁身開孔引入。

1)樁外電纜管方案設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單、海纜施工方便等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用較多，有成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒；其主要缺點(diǎn)為對(duì)于水深較深機(jī)位及地形復(fù)雜的工程，套籠設(shè)計(jì)較復(fù)雜，導(dǎo)致套籠工程量變幅大，加工、運(yùn)輸、安裝難度加大。

2)樁身開孔式引入主要的優(yōu)點(diǎn)為樁外部套籠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化；且對(duì)于水深較深機(jī)位，套籠型式規(guī)格簡(jiǎn)化，套籠加工制作及施工方便，對(duì)船機(jī)設(shè)備要求較低。其主要的缺點(diǎn)為鋼管樁設(shè)計(jì)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)；開孔處需增加樁體壁厚，增加工程量；此外，樁體需配套開凈水孔、通氣孔，確保樁內(nèi)氣體便于排放，減少對(duì)塔筒內(nèi)電氣元件的損壞。

3)綜合樁身外側(cè)設(shè)置電纜管引入和樁身開孔引入兩種方案的利弊，并針對(duì)本工程海洋環(huán)境、地質(zhì)條件，推薦采用樁身開孔引入海纜的布置方式。