海上風(fēng)電高樁承臺基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究

吉偉，裴立勤，池德星，黨浩然，王晨潤，林逸凡

（1.華電（浙江）新能源有限公司，浙江 杭州 310000；2.華電重工股份有限公司，北京 100070）

海上風(fēng)電場在風(fēng)能資源方面優(yōu)勢顯著，無需占用過多土地，風(fēng)切變小、湍流強度小、穩(wěn)定性強且污染噪聲低。高樁承臺基礎(chǔ)與諸多專業(yè)存在密切關(guān)聯(lián)，涉及較長的工序流程，施工管理面臨諸多挑戰(zhàn)。同時，風(fēng)電基礎(chǔ)承臺包含大量預(yù)埋件，且安裝預(yù)埋件時面臨極高的精度要求，穿插實施澆筑混凝土與螺栓組合件，進一步加大精確控制預(yù)埋件定位的難度。加之外海作業(yè)一般存在較差的環(huán)境條件，承臺在澆筑大體積混凝土?xí)r，理應(yīng)高度重視溫差變化問題。因此，以海上風(fēng)電高樁承臺為對象，研究基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)，意義深刻。

1 工程概況

某島海上風(fēng)電場項目年平均風(fēng)速9.8m/s，東北與西南為主風(fēng)向，屬I 類風(fēng)區(qū)。該項目引入WT4.0-130 風(fēng)機（西門子公司），所處海域地層起伏劇烈、溝壑縱橫、暗礁流叢生且?guī)r基裸露，帶給風(fēng)機基礎(chǔ)選型、設(shè)計及施工前所未有的挑戰(zhàn)。該工程具備以下特點：（1）海上存在相當大的風(fēng)浪，夏季在熱點氣旋的影響下，會相應(yīng)減少海上有效作業(yè)時間，加之該地區(qū)臺風(fēng)多發(fā)，面向施工設(shè)備及工藝提出極高的要求。（2）場區(qū)島礁、暗礁分布較多，沉積物厚度變化明顯，地層分布不均。場區(qū)機位基巖未達到符合要求的埋深，樁基入土深度不足，涉及嵌巖施工的需求。樁基為直徑大的斜樁，存在較高可鉆性級別的巖石。施工面臨較大難度。（3）澆筑承臺時引入大體積混凝土，澆筑難度更大。

2 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計

2.1 基礎(chǔ)選型

以某島海域環(huán)境條件、荷載復(fù)雜多變?yōu)楦鶕?jù)，結(jié)合國內(nèi)施工能力、風(fēng)機荷載等，考慮結(jié)構(gòu)、施工等因素，擬定3 種方案，分別為高、中、低。經(jīng)試驗后，采用有效作業(yè)時間利用更充分且易于控制工期的中承臺基礎(chǔ)高度方案。同時，設(shè)置的承臺高程適宜，起吊作業(yè)施工更方便，因此，確定選擇高樁中承臺基礎(chǔ)方案。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該項目工程總裝機為400MW 的容量，從風(fēng)電場工程安全規(guī)定標準出發(fā)，依照裝機規(guī)模劃分，確定該工程項目是大型的規(guī)模，工程等別為Ⅰ等，標準重現(xiàn)期設(shè)計中考慮50 年，風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級一級。

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核

承臺設(shè)計為14m，承臺厚度和底高程分別為5.6m、3.4m。鋼管樁1.8m，30mm 壁厚，樁長平均55m。樁端持力層為弱、強風(fēng)化的散體狀花崗巖的為促進基礎(chǔ)水平剛度的提高，圍繞嵌巖鉆孔施工效率和難度同時加以考慮，引入5:1 斜鋼管樁。混凝土承臺中，需要事先安排高強預(yù)應(yīng)力錨栓埋設(shè)作業(yè)，經(jīng)過渡段連接塔筒，最終形成的風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)集混凝土承臺、地腳螺栓、鋼管樁、過渡段和塔筒為一體。

2.2.2 荷載計算

在對比DNV 基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，計算基礎(chǔ)荷載分項與抗力系數(shù)，見表1。

表1 樁基礎(chǔ)荷載分項及抗力系數(shù)

2.3 基礎(chǔ)安全監(jiān)測

在嚴格遵循全面、經(jīng)濟原則的基礎(chǔ)上，布置監(jiān)測設(shè)備至3 臺風(fēng)機上。監(jiān)測工作開展中，主要針對承臺與基礎(chǔ)承臺波浪力、鋼管柱應(yīng)力應(yīng)變、風(fēng)機傾斜與振動、鋼管樁保護電位、塔筒過渡段內(nèi)力等項目展開監(jiān)測。通過監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)：經(jīng)計算后得到的支撐結(jié)構(gòu)相關(guān)結(jié)果，有著與塔筒振型與頻率基本一致的趨勢，表面約束假定的設(shè)計階段支撐結(jié)果無誤。承臺中，結(jié)構(gòu)并沒有出現(xiàn)超限的鋼筋應(yīng)力，表現(xiàn)為拉應(yīng)力的壓應(yīng)力變化趨勢；承臺結(jié)構(gòu)中，應(yīng)變是以壓應(yīng)變?yōu)橹?。鋼管柱?nèi)，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)2 號嵌巖機位樁尖部分位置存在處于零值范圍的錨筋應(yīng)力，呈現(xiàn)出平緩的波動變化，表示嵌巖段沒有過多貢獻，可能是設(shè)計嵌巖樁時過于保守，后續(xù)可對嵌巖樁數(shù)及長度進行優(yōu)化。

3 風(fēng)機基礎(chǔ)施工

3.1 基礎(chǔ)施工工藝流程

結(jié)合液壓錘保證沉樁一次性到位；碼頭組裝加工鋼套箱，吊裝加固；綁扎封底鋼筋，封底后混凝土澆筑一次性完成。待封底混凝土強度達標后，拆除桁架梁并完成部分承載鋼筋的預(yù)綁扎，轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場后，對剩余鋼筋綁扎，并進行預(yù)埋件的埋設(shè)，鋼套箱模板可在做好承臺混凝土澆筑作業(yè)后拆除。在密切考慮海域地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，確定高樁承臺基礎(chǔ)類型為摩擦、嵌巖，后者施工工藝具備更高的復(fù)雜性，且體現(xiàn)出的海域地質(zhì)特點更顯著。

3.2 樁基施工

嵌巖樁基施工中，涉及的工藝主要包含鋼管樁成樁、嵌巖鉆進及搭設(shè)鉆孔平臺等。打樁作業(yè)中選擇液壓沖擊錘，在打樁架上固定液壓沖擊錘，可規(guī)避沉樁受偏心力的影響，為樁身傾斜度提供保障。沉樁期間，無須進行打樁錘的更換，有利于沉樁效率的提高。引入裝配式整體結(jié)構(gòu)完成海上嵌巖平臺的搭設(shè)，碼頭處加工制作平臺后，現(xiàn)場整體吊安，施工效率更高。針對鋼管樁，在嵌巖平臺底部提前做好對應(yīng)樁孔的預(yù)留作業(yè)，每個樁孔上進行1 根用于平臺與鋼管樁連接的扁擔梁設(shè)置。連續(xù)2次加固，提高平臺穩(wěn)固性。鉆孔平臺由于為整體式，因此在安裝或移除時皆可整體完成。該平臺支持對鉆，即同時鉆進2 個對稱位置的鉆孔，能夠取得更可觀的施工效率。

3.3 承臺施工

碼頭制作組裝鋼套箱，整體吊裝。承臺需提前在岸上布置部分預(yù)埋件及鋼筋，水上完成剩余部分的布置。一次性澆筑基礎(chǔ)承臺混凝土，并妥善控制承臺溫度、落實水化熱處理，澆筑時多在夜間進行。工程如果處于較高溫度的海域環(huán)境，造成澆筑中溫控要求很難得到滿足時，應(yīng)當結(jié)合人工降溫措施，具體包含：（1）混凝土拌制中，在不改變水灰比的基礎(chǔ)上，將部分水用冰塊代替；（2）預(yù)置水循環(huán)管線在承臺內(nèi)，澆筑期間水冷降溫。

4 施工質(zhì)量控制措施

（1）沉樁定位控制措施隸屬于外海作業(yè)的承臺放樣，常規(guī)儀器無法使用，此時定位放樣作業(yè)需結(jié)合GPS，針對校核無法使用常規(guī)儀器的情況，為確保沉樁正位率，各承臺首個沉樁中核定樁位時選擇GPS 流動站。本工程在海上高程與沉樁平面控制中，最終選擇定位技術(shù)為GPS-RTK（厘米級），施工前采集提前確定的GPS 基準點坐標和國家高程基準，經(jīng)復(fù)核后，于測風(fēng)塔上進行GPS 基準站的設(shè)置。準備階段，根據(jù)圖紙細致落實高程、尺寸、坐標等信息的復(fù)核工作，結(jié)合CAD 軟件繪制，細致查驗有無差錯。施工中，定期開展儀器校對工作，輔以相關(guān)措施為儀器精確度提供保障。定位放樣時，參照系描述步驟進行：一是沉樁定位中，以GPS 遠距離打樁定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合圖形實時顯示位置；二是結(jié)合樁架進行鋼樁傾斜度的調(diào)整，結(jié)合打樁船絞錨船進行平面扭角的調(diào)整；三是緩慢移船，確保樁架實際樁位與界面擬打樁不會出現(xiàn)偏差，合理落實定位中落后量的標記作業(yè)；四是船頭樁架上，復(fù)核鋼樁樁位時建立在GPS 流動站的基礎(chǔ)上進行，經(jīng)查驗確定為正確時開錘沉樁。

（2）整體鋼套箱模板控制。承臺基礎(chǔ)基于整套鋼套箱模流水作業(yè)的過程中，構(gòu)成整體鋼箱模板的結(jié)構(gòu)包含4 部分，即底部桁架、上與下挑梁、側(cè)壁模板，選擇鉸接螺栓連接的上下挑梁支持拆卸。鋼箱模板側(cè)壁是4 個拼裝的單片組成，經(jīng)專業(yè)設(shè)計、建模驗算，保證剛度與強度要求得到滿足。陸地完成鋼箱模板的加工制作后，整體落駁并向現(xiàn)場拖運、安裝。拼裝縫不得出現(xiàn)超過3mm 誤差的平整度。側(cè)壁單片連接時使用螺栓，側(cè)壁與桁架梁牛腿連接時使用插銷方式。拼縫止水使用定制橡膠條，避免有漏水滲水的情況出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中。鋼箱模板安裝時，從模板鋼梁主梁邊線著手，精準標記安裝裝訂的定位，樁頂上焊接導(dǎo)向板，沿導(dǎo)向板安裝鋼箱模板。安裝與測量調(diào)整同步進行，可實現(xiàn)更精確的就位，共同引入導(dǎo)向板與逐步焊接限位板方法。鋼箱模板中心如果出現(xiàn)偏位或與規(guī)范和設(shè)計要求不符合的傾斜度時，及時調(diào)整。完成安裝后，結(jié)合纖維鋼板將8 根樁頂和鋼套箱焊接為整體，消除施工中鋼管樁晃動的可能性。

（3）預(yù)埋件施工控制。預(yù)應(yīng)力螺栓組合件是風(fēng)機設(shè)備基礎(chǔ)的主要預(yù)埋件。該預(yù)埋件安裝中引入整體工藝，承臺首次澆筑混凝土?xí)r，預(yù)埋件和頂面埋設(shè)對應(yīng)部位的鋼板，做好安裝標高的控制?；炷吝_到與設(shè)計要求相符合的強度后，底板與高支撐螺柱經(jīng)焊接后在預(yù)埋鋼板上固定，選用標高調(diào)校螺帽在支撐螺柱頂部安置。在履帶吊向的作用下，向支撐螺柱調(diào)校螺帽處僅需預(yù)埋件的吊裝。調(diào)校螺帽后再進行高程的調(diào)整，即可保證預(yù)埋件與設(shè)計要求相符合的平整度及頂部法蘭墊板標高。調(diào)平后，寧靜緊固支撐螺柱的螺帽，同時在支撐螺柱上固定組合件。組合件頂部處，用二硫化鉬涂抹各個螺帽及螺栓頭。

（4）控制承臺混凝土溫差?；诖篌w積混凝土的海上風(fēng)電高樁承臺中，由于海上存在一系列施工限制因素、條件，大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性相當高，而澆筑溫差是至關(guān)重要的控制要素。建立在集成模塊化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上監(jiān)測溫差，數(shù)據(jù)采集時間間隔為0.5h，通過網(wǎng)絡(luò)支持溫度值的遠程接收，同時自動分析溫差。維持至少14d 的監(jiān)測周期，當內(nèi)外存在不超過25℃的溫差時，模板即可拆除。在控制承臺混凝土溫差時，可從以下幾方面著手：①膠凝材料以低水化熱水泥為主，高效減水劑與水泥相匹配，拌合用水選擇船載低溫水。②優(yōu)化配合比，適當減少使用的水泥量，促進水化熱降低。③重視材料熱傳導(dǎo)性能的改善，優(yōu)選粗骨料且導(dǎo)熱系數(shù)更大的材料，用水量盡量減少。④澆筑混凝土?xí)r，出現(xiàn)超過28℃的溫度，需加大原材料溫度控制力度，若有必要可用冷水對集料沖洗，降低入機時骨料初始溫度，重測噴水后的骨料含水率，并以測試結(jié)果為根據(jù)重新調(diào)整配合比。⑤混凝土終凝前，通過二次振搗，促使粗骨料下部及水平鋼筋混凝土等部位由于泌水引起的空隙及水分等情況得以規(guī)避，消除混凝土沉落引起裂縫的情況。⑥做好養(yǎng)護作業(yè)，延長拆模時間。冬季時，拆模時間需適當延長，提高保溫保水效果；夏季時，拆模時間同樣需要適當延長，取得更好的保水效果。做好養(yǎng)護作業(yè)，為混凝土水化提供保障，促進抗裂作用的提高。⑦視具體情況進行冷卻水管的布置。在溫差控制理論的支撐下，在大體積混凝土內(nèi)部進行冷卻水管的設(shè)置，一旦出現(xiàn)超限的溫差監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，結(jié)合注水冷卻措施保證溫差始終處于規(guī)定范圍。

5 結(jié)語

綜上所述，本文圍繞海上風(fēng)電高樁承臺展開研究，從選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，經(jīng)試驗確認擬定的嵌巖方案符合設(shè)計規(guī)范要求。同時，從樁基施工及承臺施工著手，對嵌巖基礎(chǔ)施工工藝展開分析，并探討了控制施工質(zhì)量的措施。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，引入整體式嵌巖平臺，聯(lián)合裝配式預(yù)制鋼套箱工藝及打樁架固定式沉樁，有利于施工效率的提升，保證工程建設(shè)要求得到滿足。