大連海域單樁基礎(chǔ)沖刷特征及防沖刷措施

劉仁海，孫 智，李 君，葛 暢

(1. 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 3111223；3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

近年來，我國海上風(fēng)電事業(yè)進入蓬勃發(fā)展階段，樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電工程中。海洋環(huán)境相較于陸地更為復(fù)雜，常常會有風(fēng)浪波流等復(fù)雜條件共同作用，導(dǎo)致風(fēng)機基礎(chǔ)發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，改變土體力學(xué)特征，從而影響海上風(fēng)機的穩(wěn)定性。因此，很多學(xué)者對樁基沖刷進行了相關(guān)研究[1-10]。袁建中[3]通過工程實踐驗證了固化土在單樁基礎(chǔ)沖刷修復(fù)中起到了較好的作用。姜萌[4]基于室內(nèi)物理模型試驗，提出了預(yù)測海上大直徑圓柱體沖刷深度的公式。王亞康[7]對比了固化土防護和拋石防護兩種防沖刷措施，根據(jù)工程實際情況選用拋石防護，通過工程實踐驗證拋石防護方案的效果。王玉芳[8]總結(jié)了幾種海上風(fēng)電工程中常用的沖刷防護方案，并對其工程造價進行對比分析。

本文以大連某海上風(fēng)電場Ⅳ(350 MW)項目為工程背景，對海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)沖刷防護技術(shù)進行研究，為類似工程提供參照。

1 工程概況

大連某海上風(fēng)電場Ⅳ(350 MW)項目位于遼寧省大連市某海域，在某規(guī)劃風(fēng)電場Ⅴ場址的東南側(cè)，場址中心離岸距離約35.2 km，規(guī)劃面積約55.8 km2。擬安裝24臺6.2 MW、26臺7.5 MW及1臺8.0 WM風(fēng)電機組。風(fēng)電場裝機規(guī)模為351.8 MW，擬配套建設(shè)1座220 kV海上升壓變電站和1座陸上集控中心，220 kV海上升壓站變電站經(jīng)2回220 kV海纜線路登陸后，轉(zhuǎn)路纜接入陸上集控中心。擬建風(fēng)電場區(qū)地理位置見圖1，風(fēng)機布置見圖2。

圖1 風(fēng)電場地理位置示意圖

圖2 風(fēng)機布置示意圖

2 工程地質(zhì)及海洋水文特征

2.1 地基土特征

本工程位于大連某海域，海底地形較平緩，整體呈北高南低趨勢。高平潮時海水深度約14.50～23.50 m，地貌類型為淺海堆積平原。根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合室內(nèi)土工試驗成果和區(qū)域地質(zhì)資料，勘探深度內(nèi)(最大勘探深度63.90 m，對應(yīng)高程91.10 m)均為第四系沉積物，共分為8個大層、15個亞層、3個夾層，本場區(qū)勘探深度范圍內(nèi)上部①～②層為第四系全新統(tǒng)(Q4)濱海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土，中下部為晚更新世(Q3)河口、濱海相沉積物。現(xiàn)自上而下分述如下：①層淤泥：為新近沉積土，灰色，流塑，夾薄層狀粉砂、粉土，含少量腐殖質(zhì)，該層絕大部分分布，層頂高程-32.00～-26.70 m，層厚1.20～5.20 m；①層粉質(zhì)粘土：灰色，流塑～軟塑，夾薄層狀粉砂、粉土，含少量腐殖質(zhì)及云母、貝殼碎屑，該層絕大部分分布，層頂埋深0.00～10.10 m，層頂高程-40.60～-28.80 m，層厚1.00～11.80 m；②層粉土：灰色，稍密為主，局部中密，濕，夾少量團塊狀粉質(zhì)粘土，含云母、貝殼碎屑，該層部分分布，層頂埋深1.70～14.00 m，層頂標高-45.50～-29.00 m，層厚0.60～9.80 m；③層粉砂：灰色，中密為主，局部稍密，飽和，局部夾少量薄層狀粉質(zhì)粘土，含云母、貝殼碎屑，該層大部分分布，層頂埋深3.90～17.00 m，層頂標高-48.30～-31.20 m，層厚1.00～12.70 m；③層粉質(zhì)粘土：灰色，可塑，夾薄層狀粉土、粉砂，含少量貝殼碎屑，該層大部分分布，層頂埋深5.30～26.00 m，層頂標高-55.40～-33.80 m，層厚0.70～12.20 m；③層粉砂夾粉質(zhì)粘土：灰色，稍密～中密，飽和，夾薄層狀粉質(zhì)粘土，含云母碎屑，該層大部分分布，層頂埋深10.00～24.30 m，層頂標高53.20～-40.60 m，層厚0.80～11.40 m。

2.2 水文特征

工程海域潮位屬規(guī)則半日潮類型，理論深度基準面在平均海面以下3.15 m，年平均海平面為0.04 m。根據(jù)專用潮位站潮位資料統(tǒng)計，觀測期間，最高潮位為3.60 m，最低潮位為-3.30 m，最大潮差5.75 m，平均潮差3.76 m，平均漲潮歷時為5 h 57 min，平均落潮歷時為6 h 23 min，漲潮歷時小于落潮歷時約30 min，年平均海平面0.04 m。

秋季大潮漲潮期表層、中層、底層最大實測流速范圍分別為88.7、88.5、73.8 cm/s，落潮期表層、中層、底層海流最大流速范圍分別為71.3、68.7、48.3 cm/s。最大實測漲潮流流速普遍高于對應(yīng)層位落潮流流速，最大實測漲潮流流向以N～NNE向為主，落潮流流向以SW～SSW為主。春季大潮漲潮期表層、中層、底層最大實測流速范圍分別為77.5、67.7、69.2 cm/s；落潮期間表層、中層、底層海流最大流速范圍分別為85.0、95.6、65.6 cm/s。最大實測漲潮流流向以NNE～NE向為主，落潮流流向以SSW～SW向為主。

受季風(fēng)氣候影響，春季工程海域波浪以S～SSW向為主，冬季工程海域NE～ENE向波浪顯著增強，但S～SSW向波浪仍占有相當大的比重。

工程海域固定冰分布范圍很小，冰情嚴重的年份固定冰離岸距離2～3 km，冰情較輕的時候只有幾百米。黃海北部海域比較開闊，不利于固定冰的生成和發(fā)展，固定冰離岸距離小，即使在冰情嚴重的年份固定冰也對場址影響不大。受潮流因素的影響，場址海域的海冰速度方向主要集中在東北和西南兩個方向占到所有方向的63%，在這兩個主要方向上的平均速度大小在10 cm/s左右。

3 樁基沖刷現(xiàn)場勘測情況

本工程需進行沖刷監(jiān)測的基礎(chǔ)有海上升壓站4根樁基礎(chǔ)和51臺風(fēng)機單樁基礎(chǔ)。本次風(fēng)機基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測外業(yè)時間為2021年9月13日～2021年9月17日，監(jiān)測24臺風(fēng)機基礎(chǔ)周邊半徑50m范圍內(nèi)海底地質(zhì)及沖刷溝發(fā)育情況，確定海底沖刷溝的位置、規(guī)模和深度。沖刷情況如下：

1)相對周邊高程沖刷量：距風(fēng)機中心半徑21 m范圍內(nèi)，高程最小值范圍為-32.70～-27.95 m，高程最大值范圍為-31.30～-26.60 m。相對周邊平均高程最大坑深度為0.77～1.93 m，最小、最大沖坑深度分別位于14號和47號風(fēng)機，分別為0.77 m和1.93 m(見圖3、圖4)。14號風(fēng)機周邊沖刷與淤積大致平衡，沖淤量為0，其余23臺風(fēng)機相對周邊平均高程呈沖刷狀態(tài)，沖刷量范圍為13～252 m3，平均沖刷量為113 m3，最小沖刷量分別位于5號、11號和16號風(fēng)機，最大沖刷量位于42號風(fēng)機。

圖3 47號風(fēng)機基礎(chǔ)周邊地形監(jiān)測三維圖(最大沖坑深度)

圖4 14號風(fēng)機基礎(chǔ)周邊地形監(jiān)測三維圖(最小沖坑深度)

2)相對設(shè)計高程沖刷量：距風(fēng)機中心半徑21 m范圍內(nèi)，最大坑深范圍為0.68～2.02 m，最小、最大沖坑深度分別位于16號和44號。2、16、25、51、55號和56號等6臺風(fēng)機相對設(shè)計高程呈淤積狀態(tài)，淤積量范圍為13～737 m3，平均淤積量為194 m3，最小淤積量位于25號風(fēng)機，最大淤積量位于16號風(fēng)機；4、5、6、8、9、11、14、15、26、27、42、43、44、45、47、49號和50號等17臺風(fēng)機相對設(shè)計高程呈沖刷狀態(tài)，沖刷量范圍為27～544 m3，平均沖刷量為218 m3，最小沖刷量位于27號風(fēng)機，最大沖刷量位于43號風(fēng)機；3號風(fēng)機周邊沖刷與淤積大致平衡，沖淤量為0。

從掃海情況可以看到，樁基附近三倍樁徑處的土體均受到?jīng)_刷作用影響較大，沖刷深度由樁基附近向外逐漸減小，形成倒圓臺狀沖刷坑。

4 風(fēng)機基礎(chǔ)防沖刷施工技術(shù)——袋裝砂回填

4.1 袋裝砂質(zhì)量要求

本工程小袋裝砂由230 g/m2聚丙烯編織布和150 g/m2聚酯短纖無紡布針刺復(fù)合而成。

1)土工織物。土工織物包括編織復(fù)合布及針刺復(fù)合土工布。土工織物縫制拼接強度要求：拼接縫制后強度不低于原織物設(shè)計強度的70%。

2)錦綸線。錦綸線主要用于土工織物縫制，采用35支3股規(guī)格，強度不小于150 N。

3)袋裝砂充填。袋裝砂充填砂粒徑≥0.05mm顆粒含量≥60%，粘粒(d≤0.005 mm)含量≤10%。在充填施工時，砂袋內(nèi)充填飽滿度宜為80%～85%，并經(jīng)泌水密實后方可用于拋投施工。

表1 380 g/m2編織復(fù)合布主要技術(shù)指標

4.2 水下拋砂袋水平落距確定

小砂袋的理論漂移距根據(jù)以下公式計算得出，在施工中需與現(xiàn)場試驗測得的實際漂移距相結(jié)合，綜合確定漂移距。

Ld=0.8×Vf×H/W1/6

(1)

式中：Ld為拋砂袋水平落距，m；H為水深，m；Vf為表面流速，m/s；W為袋裝砂重量，kg。

3 m×3 m砂袋充填后重量約為4 780 kg(2.5×2.5×0.45×1 700)。

4.3 主要施工工藝及技術(shù)措施

4.3.1 施工海域掃海

掃海包括風(fēng)電場范圍內(nèi)的漁網(wǎng)、養(yǎng)殖漂浮物等影響施工作業(yè)的漂浮物，查勘風(fēng)電場內(nèi)和所需通行的航道等海域，確保航行通暢和船舶設(shè)備正常運行。對淺水區(qū)進行實際水深探測，做好水深警示標記。對海圖上未標注的實際存在的海底管線及已敷設(shè)海纜路由均需與相關(guān)部門聯(lián)系，取得實際路由GPS坐標，對施工船舶進行交底，確保拋錨避開該區(qū)域，做好成品保護。

4.3.2 充填砂袋施工

充填袋裝砂為半柔性結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)適度變形，是沖刷坑回填防護較為可取的施工方法，本工程砂袋布料采用380 g/m2(230 g/m2編織布+150 g/m2無紡布針刺復(fù)合)編織復(fù)合布，試驗拋投砂袋主要采用3 m×3 m小袋型式。

4.3.3 鋪排船定位

鋪排船順水流布設(shè)，采用6錨定位法，鋪排船上采用6個液壓絞車控制6根鋼纜，從而控制鋪排船的定位和移動，鋪排船沿鋪設(shè)方向移船，拋錨注意避讓開海纜位置，拋錨位置遠離海纜線路不小于50 m，鋪排船滑板最近距風(fēng)電樁2 m，本工程沖刷坑拋填以樁為界左半幅、右半幅分別拋填到位(見圖5、圖6)。水下充砂管袋施工時，首先利用GPS-RTK軟件繪制袋體平面位置圖，指導(dǎo)鋪排船在下袋位置進行定位。充砂量根據(jù)袋體尺寸及計劃充填厚度確定。砂袋由岸邊按照要求疊置好，運至鋪排船上。

圖5 左半幅施工示意圖

圖6 右半幅施工示意圖

4.3.4 砂袋的鋪設(shè)充灌與拋填

1)鋪設(shè)砂袋，充砂袋在沉放前，先用GPS定位，充灌砂袋，采用鋪排船施工，砂袋鋪放在滑板上，利用水力沖挖機組充灌砂袋，充滿后利用高壓水流輔助下放滑板使得砂袋下放至指定位置。

2)模袋鋪設(shè)過程中應(yīng)盡量避免施工機械或人為破壞，一旦發(fā)現(xiàn)模袋被破壞，應(yīng)立即報告發(fā)包人和監(jiān)理人并按照監(jiān)理人的指示更換破損部分或進行補強。

3)砂袋拋填，由于樁基沖刷坑為漏斗狀，坑內(nèi)砂袋充填時先樁基附近砂袋，使得砂袋緩慢下沉且與基樁結(jié)合緊密，然后再拋填外部砂袋，直至沖刷坑填滿，確保表層砂袋充填平整。且與保護面緊密結(jié)合，起到應(yīng)有的防護作用。

4)充填控制，本工程小型砂袋3 m×3 m設(shè)置一個充填袖口，一個排水袖口，采用多次充填確保砂袋充填飽滿且相對平整。

5)分層分段，對回填區(qū)域進行網(wǎng)格劃分定量拋投。網(wǎng)格劃分原則上按40 m×2 m(長度根據(jù)鋪排船滑板長度定，寬度根據(jù)砂袋尺寸考慮搭接定，3 m×3 m小型砂袋充填完成后尺寸為2.5 m×2.5 m，排搭接0.5 m)的網(wǎng)格進行劃分，每次移船距離控制為2 m，其余不規(guī)則部分以方便現(xiàn)場施工為原則進行劃分，每個網(wǎng)格根據(jù)相應(yīng)厚度的斷面面積用橫斷面法計算相應(yīng)網(wǎng)格方量，并按照網(wǎng)格方量除以單個砂袋方量，得到每個網(wǎng)格所需拋砂袋的數(shù)量，根據(jù)網(wǎng)格面積計算砂袋拋投數(shù)量。拋完一個網(wǎng)格立即作好記錄，然后采用GPS控制絞船移位，進行下一個網(wǎng)格的拋投。每拋完一層砂袋，立即用測深儀進行檢測，符合要求后才能進行下一層的拋投施工(見圖7、圖8)。

圖7 拋填網(wǎng)格示意圖

圖8 分層拋填示意圖

5 結(jié) 語

以大連某海上風(fēng)電場Ⅳ(350 MW)項目為例，對大直徑單樁基礎(chǔ)沖刷防護工藝及關(guān)鍵技術(shù)進行研究，得出如下結(jié)論。

1)本次監(jiān)測24臺風(fēng)機基礎(chǔ)周邊半徑50 m范圍內(nèi)海底地質(zhì)及沖刷溝發(fā)育情況均存在不同程度的沖刷現(xiàn)象。相對周邊高程沖刷量：距風(fēng)機中心半徑21 m范圍內(nèi)，最大坑深度為0.77～1.93 m，沖刷量范圍為13～252 m3，平均沖刷量為113 m3。相對設(shè)計高程沖刷量：距風(fēng)機中心半徑21 m范圍內(nèi)，最大坑深范圍為0.68～2.02 m。

2)采用袋裝砂回填方法對風(fēng)機基礎(chǔ)進行沖刷防護施工，充砂袋在沉放前，先用GPS定位，充灌砂袋，采用鋪排船施工。先拋填樁基附近砂袋，再拋填外部砂袋。采用分層分段式拋填，對回填區(qū)域進行網(wǎng)格劃分定量拋投。

3)施工前必須對施工海域進行掃海，對淺水區(qū)進行實際水深探測，做好水深警示標記。對海圖上未標注的實際存在的海底管線及已敷設(shè)海纜路由均需與相關(guān)部門聯(lián)系，取得實際路由GPS坐標，對施工船舶進行交底，確保拋錨避開該區(qū)域，做好成品保護。