重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工技術(shù)要點(diǎn)

董 偉

（中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300457）

風(fēng)能屬于清潔的可再生能源的范疇，人們對風(fēng)能的重視程度逐年提高。如今風(fēng)電場建設(shè)的范圍慢慢向近海區(qū)域發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的特點(diǎn)表現(xiàn)為施工周期長、施工技術(shù)復(fù)雜以及施工成本投入大等，這也給海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展帶來了巨大的阻礙。重力式基礎(chǔ)比海上風(fēng)電場建設(shè)的時(shí)間要早，該技術(shù)得到了人們的普遍認(rèn)可，其在淺水區(qū)中具有較強(qiáng)的可行性。但是重力式基礎(chǔ)的缺點(diǎn)也不容忽視，其體積和質(zhì)量比較大，需要采取高效的措施來將其質(zhì)量和體積降到合理的范圍內(nèi)，控制運(yùn)輸成本和施工成本。

1 重力式海上風(fēng)電機(jī)組

海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為動力響應(yīng)明顯、傾覆力矩比較大以及重心比較高等，還會受到海冰、海床地質(zhì)情況、海流和海浪的影響。在船塢和碼頭場地中完成重力式基礎(chǔ)的預(yù)制施工，用船運(yùn)或是浮運(yùn)的方式將其運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫诨A(chǔ)內(nèi)部空腔填充施工時(shí)，使用的主要材料為砂礫，然后將其下沉到整平施工完成的海床面上。

當(dāng)淤泥層比較厚或者在軟土層地基處理時(shí)，盡量不要使用重力式基礎(chǔ)，重力式基礎(chǔ)在液化土層、傾斜的海床環(huán)境、沖刷效應(yīng)等基礎(chǔ)環(huán)境中也很難發(fā)揮出應(yīng)有的作用。對Nvsted風(fēng)電項(xiàng)目來說，海床表層的軟土地基厚度大約為6m，在施工時(shí)，采取換填的方式處理該軟土地基。對London Arrav West項(xiàng)目來說，存在淤泥質(zhì)土層，有些海床出現(xiàn)了傾斜的情況。

2 分析關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 預(yù)制重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

重力式基礎(chǔ)的下水方式和預(yù)制情況受基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制場地的直接影響，預(yù)制場地要達(dá)到大型混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制施工的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置大型混凝土構(gòu)件運(yùn)輸碼頭。

重力式基礎(chǔ)的特點(diǎn)表現(xiàn)為混凝土用量多、基礎(chǔ)體積較大。重力式基礎(chǔ)處于海洋腐蝕環(huán)境中，要想保持其耐久性，滿足力學(xué)性能指標(biāo)，要嚴(yán)格控制表面混凝土的裂縫寬度，同時(shí)使用后張法預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)。

重力式結(jié)構(gòu)具有超大的質(zhì)量和尺寸，最大海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)的重量達(dá)到3000t，高度達(dá)到40m。1）使用軌道臺車或高壓氣囊滑移、“蜈蚣車”移運(yùn)的方式來運(yùn)輸重力式基礎(chǔ)，滾筒搬運(yùn)重物的原理與氣囊出運(yùn)的原理一致，將充氣圓形膠囊放置在沉箱底部，借助充氣加壓的方式來對沉箱進(jìn)行頂升，將牽引力施加到需要移動的方向上，帶動氣囊滾動，使構(gòu)件移運(yùn)得以實(shí)現(xiàn)。2）基礎(chǔ)下水主要包括4 種情況：①使用起重船吊運(yùn)到船上；②利用半潛駁下水；③在船塢中制作完成，并完成充水作業(yè)，起重船吊利用基礎(chǔ)自帶的浮力將其吊運(yùn)到甲板上；④在浮式船塢中完成預(yù)制施工。3）基礎(chǔ)運(yùn)輸要全面分析天氣等因素。主要考慮3 個方面：①以基礎(chǔ)和運(yùn)輸類型為基礎(chǔ)，詳細(xì)剖析冰雪、波浪以及風(fēng)速等信息；②運(yùn)輸天氣、距離和海面情況決定著運(yùn)輸?shù)拇翱谄?，施工窗口期有明顯的季節(jié)性，將運(yùn)輸窗口期計(jì)算放在核心位置上；③船舶平穩(wěn)性。即考慮船舶具有的抵御外力保持船身平穩(wěn)的特性。

2.2 處理海床

巨大的荷載會通過重力式基礎(chǔ)傳遞到地表上，因此在處理海床時(shí)，保證海床的平整度和承載力滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

在基槽挖掘施工過程中，先粗挖、后精挖。將海底松散的砂土和泥土挖至承載力土層處，挖掘施工使用的主要設(shè)備為反鏟挖掘機(jī)，根據(jù)工程地質(zhì)情況來確定泥土挖掘的厚度。在挖掘施工厚度＞3m 時(shí)，使用分層挖掘施工的方法；挖掘施工厚度＜3m 時(shí)，一次性完成挖掘施工。

挖掘基槽時(shí)，當(dāng)基床寬度和厚度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，確保邊坡挖掘施工與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。潛水員要下水對已經(jīng)完成挖掘施工部分的淤泥回淤分布情況進(jìn)行詳細(xì)了解，依據(jù)淤泥回淤的情況合理設(shè)置清淤方法。

基槽拋石的施工步驟：1）拋石時(shí)，下放中心定位裝置和鋼制框架來輔助施工，潛水員利用GPS（Global Position System，全球定位系統(tǒng)）來完成精準(zhǔn)定位。2）清理干凈海床上的浮土和雜質(zhì)。3）將碎石或者是礫石填充到鋼制框架中。4）潛水員在推平砂石層時(shí)，需要使用鋼制框架上的平板來完成輔助施工。5）將鋼制框架拆除掉。6）在一些特定的區(qū)域中，需要對碎石層進(jìn)行灌漿處理，或者是壓實(shí)碎石層。

在夯實(shí)基床過程中，使用方駁吊機(jī)起吊重錘完成縱橫向夯擊施工。在夯擊施工前，潛水員事先將基床整平，使夯實(shí)達(dá)到最佳效果。使用方駁吊機(jī)定量、定點(diǎn)完成局部不平整區(qū)域的夯實(shí)施工，使局部高差控制在30cm 以內(nèi)。

平底錘是夯錘的主要形式，一般錘重為8t～12t，將落距控制好，每錘的沖擊能量要滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采取初夯和復(fù)夯方式進(jìn)行夯擊施工，將基床漏夯或是局部隆起的問題控制到最少。根據(jù)試夯情況來確定夯擊施工的次數(shù)，在基床夯擊施工時(shí)，采取分層分段施工的方法，每層的厚度要盡量一致，如果夯擊能比較大，適當(dāng)增加分層的厚度。

使用“導(dǎo)軌刮道法”來整平基床，在測量導(dǎo)軌墊塊時(shí)，需要有潛水員的密切配合，將厚度不同的鋼板墊在導(dǎo)軌與墊塊中間，整平標(biāo)高與軌頂一致。潛水員在水下整平施工時(shí)，以刮尺底部為依據(jù)，潛水員將高出刮尺底部的石塊全部從基床中搬離，使用2 片石填充刮尺底部石間不平整的位置，使用碎石將2 片石間的空隙填平。

2.3 安裝基礎(chǔ)

安裝基礎(chǔ)時(shí)，在目標(biāo)海床點(diǎn)做好基礎(chǔ)定位工作，基礎(chǔ)安裝定位使用的主要設(shè)備為水下定位系統(tǒng)和GPS 定位系統(tǒng)。

使用大型浮吊完成基礎(chǔ)的吊升和安放施工，假如重力式基礎(chǔ)空載重力比較大，無法找到合適的浮吊，使用半潛駁下潛，使基礎(chǔ)能夠承受住一些浮力，接著使用浮吊吊裝施工。在吊裝施工前，將基礎(chǔ)定傾高度計(jì)算準(zhǔn)確。如定傾高度不能滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，使用壓載水加壓，保證基礎(chǔ)能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

重力式基礎(chǔ)設(shè)置好以后，在基礎(chǔ)空腔中填入處理海床時(shí)挖掘出來的碎石或者是事先準(zhǔn)備好的碎石。如果砂是主要的填充物，一般情況下，會在攪拌船上將水和砂攪拌均勻后，用泵將其吸入基礎(chǔ)空腔中。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

預(yù)制預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要形式，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括底部大直徑圓形底板、圓弧過渡段殼體、錐形殼體和上部小直徑圓柱形殼體等，殼體的平均厚度保持在60cm 左右，底板的平均厚度保持在1.5m 左右，重力式基礎(chǔ)參數(shù)為總質(zhì)量119kg，總高度46m，中心高度9m，正浮吃水深度169m，排水體積42659m，浮心高度5586m，初穩(wěn)性高度-3m。

3.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算過程

對海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)來說，其承受的偏心荷載比較大，基礎(chǔ)底板以圓形或者對稱的多邊形為主，該文使用的是圓形基礎(chǔ)底板。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要包括工作臺、抗冰錐、圓柱段殼體和混凝土底板等，風(fēng)電機(jī)組塔筒與基礎(chǔ)頂部相連，在海平面位置處設(shè)置抗冰錐，在整平的碎石墊層上安裝基礎(chǔ)。海域重力式基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的具體情況如圖1 所示。

圖1 海域重力式基礎(chǔ)的典型結(jié)構(gòu)圖

基床摩擦力、基床反力、靜水壓力、波浪或海流引起的水平力、風(fēng)電機(jī)組、基礎(chǔ)自身重量和上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向力等是重力式基礎(chǔ)基底上承擔(dān)的所有荷載。

在計(jì)算海上風(fēng)電機(jī)組的重力式基礎(chǔ)穩(wěn)定性時(shí)，其所包括的主要內(nèi)容有基礎(chǔ)抗滑移穩(wěn)定性、基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性和地基承載力等。在DNV 規(guī)定中，對重力式基礎(chǔ)所承受的扭知作用進(jìn)行了明確的要求：在對地基承載力進(jìn)行計(jì)算的過程中，將扭知作用下的公式轉(zhuǎn)變成為具有同等效力的水平荷載。在我國的相關(guān)規(guī)定中，關(guān)于重力式基礎(chǔ)受扭知荷載影響的相關(guān)論述基本沒有，還需不斷地增加該方面的研究。

在重力式基礎(chǔ)下沉過程中，浪、風(fēng)等環(huán)境荷載，會帶來不同程度的影響，要想使其保持平衡的狀態(tài)，需要由4 條風(fēng)電施工船舶的纜繩來穩(wěn)定支撐。以三維勢流理論為基礎(chǔ)，對頻域范圍內(nèi)的重力式基礎(chǔ)波浪荷載進(jìn)行計(jì)算，通過繞射力和入射力表達(dá)波浪載荷，見式（1）。

結(jié)合卡明斯脈沖理論，把頻域范圍之內(nèi)所得波浪荷載轉(zhuǎn)化成為時(shí)域，見式（2）。

式中：F（）為時(shí)域波浪載荷；h（t-）為脈沖響應(yīng)函數(shù)，為自由度，第個自由度使用下標(biāo)來表示，為沉箱高度（m），為沉箱吃水（m）；（）為時(shí)刻的波面升高值。

以O(shè)CIMF 規(guī)范（油船規(guī)范）為基礎(chǔ)，對重力式基礎(chǔ)風(fēng)流載荷F和F進(jìn)行計(jì)算，見式（3）和式（4）。

式中：ρ為空氣密度；V為作業(yè)海域風(fēng)速；C、C分別為縱向和橫向風(fēng)力系數(shù)；A、A分別為重力式基礎(chǔ)縱向和橫向受風(fēng)面積。

流載荷可用式（5）和式（6）計(jì)算：

式中：ρ為海水密度；V為流速；C、C為流力系數(shù)；為重力式基礎(chǔ)投影長度；為吃水。

在海流、浪、風(fēng)環(huán)境載荷的影響下，重力式基礎(chǔ)保持平衡狀態(tài)主要是借助外部纜繩供給的回復(fù)力得以實(shí)現(xiàn)，時(shí)域運(yùn)動方程見式（7）。

海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)需要承受來自各個方向的大偏心荷載，下文進(jìn)行詳細(xì)分析。1）目標(biāo)海域的水深達(dá)到了42m，定常風(fēng)，表層海流，Jonswap 譜為波浪譜的主要形式，形狀參數(shù)Gamma 設(shè)置為3.3，風(fēng)、浪、海流的方向全部選取為180°，具體環(huán)境參數(shù)見表2。2）在重力式基礎(chǔ)和施工船模型創(chuàng)建過程中，使用AQWA 水動力軟件，用尼龍纜繩將重力式基礎(chǔ)與施工船連接起來，每條風(fēng)電施工船上配備1 根纜繩，使其約束重力式基礎(chǔ)。3）分析計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，使用4 根纜繩進(jìn)行約束時(shí)，在初始狀態(tài)下，在風(fēng)、浪、海流作用影響下，重力式基礎(chǔ)會出現(xiàn)傾覆的情況。造成這種情況的主要原因?yàn)?，重力式基礎(chǔ)不但會受到風(fēng)荷載的影響，水面以下的海流載荷也會給其帶來一定的影響，海流載荷不會產(chǎn)生相應(yīng)的回復(fù)力。因此，當(dāng)風(fēng)、浪、海流的方向全部處于180°時(shí)，水下部分不會有回復(fù)力存在，于是重力式基礎(chǔ)就會出現(xiàn)傾覆的情況。以初始方案為基礎(chǔ)，優(yōu)化升級下沉方案，使用4 根纜繩來約束重力式基礎(chǔ)的水下部分，抵抗海流荷載作用。重力式基礎(chǔ)6 自由度運(yùn)動統(tǒng)計(jì)值見表3。重力式基礎(chǔ)與風(fēng)電施工船間的纜繩張力見表4。纜繩安全系數(shù)的計(jì)算公式為纜繩安全系數(shù)=纜繩破斷力/纜繩最大張力。對表3 和表4 進(jìn)行分析，可知在特定的環(huán)境條件中，優(yōu)化后的方案具有較強(qiáng)的可行性，重力式基礎(chǔ)的運(yùn)動趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，重力式基礎(chǔ)與施工船間連接纜繩的安全系數(shù)比較高。4）在施工時(shí)，波高為0.5m 的條件十分嚴(yán)苛。分析海域統(tǒng)計(jì)資料后得知，海域中海況以4 級和5 級居多，4 級所占比例為33%，5 級所占比例為22%，3 級以下所占比例為38%，5 級以上所占比例為7%。將#1、#2 纜繩張力值和縱蕩、縱搖運(yùn)動值設(shè)置為控制量，開展相關(guān)對比工作，結(jié)果顯示，在波高不斷增加的過程中，重力式基礎(chǔ)運(yùn)動量也會隨之發(fā)生巨大改變，在波高達(dá)到2m 時(shí)，重力式基礎(chǔ)就會出現(xiàn)傾覆的情況，波高給重力式基礎(chǔ)運(yùn)動造成的影響，以非線性為主。

表2 具體環(huán)境參數(shù)

表3 重力式基礎(chǔ)6 自由度運(yùn)動統(tǒng)計(jì)值

表4 纜繩張力統(tǒng)計(jì)值

在波高的影響下，重力式基礎(chǔ)與施工船間的連接纜繩張力最大值達(dá)到了3.46E+05，纜繩編號設(shè)置為#1，安全系數(shù)取值為5。重力式基礎(chǔ)安裝定位時(shí)，縱搖角過大會造成不利影響，同時(shí)也會給下沉施工的安全性帶來不同程度的影響。結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，下沉施工的縱搖角要保持在2°左右，所以，在下沉施工時(shí)，有益波高設(shè)置在1m 以內(nèi)。

4 結(jié)語

該文分析海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)施工，制定下沉施工方案，探討下沉施工的穩(wěn)定性，得出3 個結(jié)論。1）在重力式基礎(chǔ)下沉施工的過程中，使用4 條施工船輔助施工，4 條施工船上分別設(shè)置1 根纜繩來與重力式基礎(chǔ)相連。重力式基礎(chǔ)下沉穩(wěn)定性比較差，會有傾覆的情況發(fā)生，4 條施工船上的纜繩不能將風(fēng)、浪、海流聯(lián)合作用徹底消除。2）優(yōu)化升級初步方案，4 條施工船上分別設(shè)置2 根纜繩。在指定環(huán)境中，重力式基礎(chǔ)運(yùn)動能夠保持在穩(wěn)定狀態(tài)下，重力式基礎(chǔ)與施工船間的連接纜繩能夠起到較好的穩(wěn)定作用，且安全系數(shù)較高。3）在優(yōu)化升級初步方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析重力式基礎(chǔ)受環(huán)境條件的影響。最終結(jié)果顯示，重力式基礎(chǔ)運(yùn)動受波高的影響主要體現(xiàn)為非線性特點(diǎn)。當(dāng)波高＞2m 時(shí)，重力式基礎(chǔ)就會出現(xiàn)傾覆的情況。要想保障重力式基礎(chǔ)下沉施工的安全，就對下沉作業(yè)波高進(jìn)行控制，將其保持在1m 內(nèi)。