海上风电机组导管架基础水下灌浆技术分析

朱荣华，田振亚，龙正如，张美阳，孙香，余畅

（1.广东明阳风电产业集团有限公司，中山 528437； 2.南方海上风电联合开发有限公司，珠海 519080）

海上风电机组导管架基础水下灌浆技术分析

朱荣华1，田振亚1，龙正如1，张美阳1，孙香1，余畅2

（1.广东明阳风电产业集团有限公司，中山 528437； 2.南方海上风电联合开发有限公司，珠海 519080）

先打桩导管架基础结构轻巧、施工方便，但是水下灌浆技术成为该基础形式应用和施工的难点。本文介绍了该类基础的水下灌浆连接技术和施工工艺。结合欧洲该类施工经验，重点阐述了先打桩导管架基础的水下灌浆连接结构，该结构实现了高效灌浆，并提高了基础灌浆质量，对类似基础在中国的推广给予借鉴。

海上风电机组；先打桩导管架；水下灌浆

0 引言

导管架作为一种重量轻、海床地质条件适应性好、稳定性好、适合较深海域的海上风电基础，在欧洲海上风电场得到了广泛应用。风电机组、波浪和洋流等载荷主要通过导管架结构经混凝土传递至钢管桩，钢管桩再把载荷传递到海床。而导管架基础和钢管桩连接主要通过灌浆方式进行，灌浆质量直接影响到导管架的整体稳定性能和安全性。灌浆技术作为导管架安装的重要关键技术，越来越受到业界的关注，我国目前灌浆技术的应用主要是在江苏如东潮间带风电场，采用的是水上灌浆的方法，对于水深较深的海域，主要采用水下灌浆的方法。由于波浪、海流等水文环境较为复杂，可操作性差，导致水下灌浆作业难度高，特别对于海况恶劣的海域，施工窗口期短，影响海上风电机组基础支撑结构的安装，容易引起风电场建设项目的滞后。

1 导管架基础

导管架基础主体为框架对称结构，均为钢制材料。导管架结构主要分过渡段、导管架基础主体两部分，过渡段包括主筒体、主斜撑、平台甲板等结构。在过渡段设置一外挑平台，用于放置风电机组主要电气设备。四根主腿作为导管架的主要支撑腿，按照一定的斜度分布，在主腿之间均布X斜撑，这样和四根主腿形成稳定的桁架结构。四根钢管桩呈正四边形分布在海床之上，桩顶位于泥面以下，导管架的四根主腿末端分别插入钢管桩顶部内腔，然后通过水下灌浆形式连成整体，其结构形式如图1所示。

一般情况下，导管架基础有两种结构形式——先打桩导管架和后打桩导管架，先打桩导管架是先在海底固定安装模架，然后打入四根呈正方形布置的钢管桩，最后进行导管架基础整体吊装，如图2所示。吊装过程中通过导管架支撑腿端部插入钢管桩，再完成导管架调平工作，最后进行水下灌浆，连接固定导管架和钢管桩[1]。后打桩导管架基础结构形式是在导管架支腿末端设置桩靴，进行海上施工时，先进行导管架吊装，通过桩靴把钢管桩打入海床（如图3所示），然后进行灌浆，连接导管架和钢管桩。

先打桩导管架与后打桩导管架相比，有以下几点优势：

（1）先打桩导管架与后打桩导管架主体结构相同，先打桩导管架支撑腿末端不用设置桩靴，而后打桩导管架基础支撑腿末端设置桩靴，后打桩导管架基础支撑腿末端设置桩靴之后，不仅材料费用增加，而且焊接加工、人力成本等也大幅增加。虽然先打桩导管架基础在安装钢管桩时需要模架来定位安装，但是把模架建造成本均分到整个风场的基础成本里，相比带桩靴的单台导管架基础成本要小很多。一般后打桩导管架基础形式主要用在石油工业行业，但是大规模的风场开发应用先打桩导管架基础形式较多，这样可以大幅度节省成本；

（2）后打桩导管架基础形式的导管架一般需要大型的安装船只进行安装，而钢管桩也需要大型的安装船进行安装。先打桩导管架基础形式的导管架需要大型的安装船，但是打桩可以用起重能力较小的辅助船完成。同时，导管架的生产加工可以和打桩作业同时进行，节省了工程建设周期。

图1 导管架结构示意图

2 先打桩导管架基础灌浆结构

2.1 先打桩导管架支撑腿结构

图2 先打桩导管架基础

图3 后打桩导管架基础

先打桩导管架支撑腿与钢管桩连接部分形成导管架基础环形灌浆腔，在支撑腿末端上设置有导向板和剪切键，将导管架支撑腿插入海底钢管桩时，通过导向板可确保导管架上的支撑腿均匀插入海底钢管桩，防止在安装过程中支撑腿与海底钢管桩轴心偏离过大时，造成环形密封圈单边压力过大而损坏；导向板还能保证支撑腿与海底钢管桩之间的同轴度，让环形灌浆腔内水泥砂浆的体积圆周更均匀，有利于载荷的合理分布。

2.2 封浆结构

钢管桩上端端口内壁设法兰，法兰上垫密封圈，密封圈为环形垫圈，一般采用橡胶密封圈，环形密封圈能与海底钢管桩、支撑腿紧密贴合，通过环形密封与导管架支腿端部实现对钢管桩密封，防止混凝土浆液溢出，避免浪费，同时保证灌浆施工质量。

2.3 灌浆管线布置

先打桩导管架支撑腿内侧上焊接灌浆导管，灌浆导管上端设在导管架平台上，下端与导管支撑腿末端一起插入钢桩上端的端口内。灌浆导管末端设有两根分叉管，包括插入连接缝隙上部的高位注浆管和插入连接缝隙底部的低位注浆管，低位灌浆管伸至环形橡胶垫附近，从灌浆区域底部进行灌浆。高位灌浆管伸至钢桩端部附近，从灌浆区域顶部进行灌浆。灌浆时先使用低位注浆管进行灌浆作业，从底部开始灌浆，由于水泥砂浆的密度比海水大，灌浆腔内的海水逐渐从海底桩顶端管口排出，水泥浆不会被稀释，不容易产生空洞，从而保证了灌浆施工质量；待灌浆到一定高度后，采用高位注浆管灌浆，这样可以避免灌浆机械压力不足而引起的注浆口堵塞。

当其中一根叉管出现堵塞、损坏等问题时可通过另外一根叉管进行灌浆，从而确保灌浆施工的顺利进行，同时两根灌浆导管管可以使混凝土浆料快速将导管架支撑腿与钢桩的连接缝隙填塞满，提高工作效率[2]。

3 先打桩导管架灌浆施工

先打桩导管架基础进行海上施工时，将钢管桩打入海底固定，起吊导管架，将导管架支撑腿末端插入钢管桩上端端口，导管架支撑腿末端穿过密封圈与钢管桩连接，形成连接缝隙，然后进行导管架调平，至其顶部法兰面倾斜度满足要求且导管架固定后，施工人员在导管架平台上利用灌浆导管，将混凝土浆料导入连接缝隙。

对桩基础与导管架腿柱之间的环形空间进行灌浆，通过混凝土浆料与钢管桩表面剪切键等机械装置之间的粘合和密闭摩擦综合作用，将导管架与桩基础连接成一个有机整体，使基础连接更加可靠，风电机组运行更加平稳[3]。

图4 导管架支撑腿结构

图5 灌浆连接封浆结构

4 结语

本文结合作者参与欧洲该类海上风电机组基础施工经验，提出一种先打桩导管架水下灌浆技术，介绍了导管架基础、导管架与钢管桩的连接结构和灌浆管线布置，同时介绍了导管架水下灌浆方法和技术，该技术可广泛应用于海上风电场基础水下灌浆，具有施工效率高，灌浆质量好，节省灌浆施工成本等优点，值得广泛推广和应用。

[1]Dierk Jensen,Dr.Detlef Koenemann. ALPHA VENTUS unternehmen offshore operation offshore[M].Germany：BVA Bielefeder Verlag GmbH&Co.KG, 2010.

[2]朱荣华,傅强,张美阳,何仁伟. 一种灌浆连接的导管架支撑结构：中国：CN 201320191973 [P],2013-04-17 .

[3]黄立维,杨锋,张金接.海上风机桩基础与导管架的灌浆连接[J],水利水电技术,2009(9):54-57.

Analysis of Underwater Grouting Technology of Offshore Wind Turbine Jacket Foundation

Zhu Ronghua1, Tian Zhenya1, Long Zhengru1, Zhang Meiyang1, Sun Xiang1, Yu Chang2
(1. Guangdong MingYang Wind Power Industry Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China; 2. Southern Ofshore Wind Power Joint Development Co., Ltd., Zhuhai 519080, China)

Less self-weight and efciency of installation are the main advantages of pre-piling jacket foundation. However, the underwater grouting technology is difcult. Combining the real project experience, this paper described the jacket grouting structure and the technology. The underwater grouting technology could improve the grouting connection quality, which has a certain reference value for similar ofshore wind turbine jacket foundation in China.

ofshore wind turbine; pre-piling jacket; underwater grouting

TM614

A

1674-9219(2013)12-0104-04

2013-10-24。

朱荣华（1977-），男，博士，中国明阳风电产业集团副总裁，首席科学家，目前在明阳风电产业集团负责海上风电技术的研发和领导工作；

田振亚（1982-），男，硕士，副首席工程师，负责海上钢结构的设计分析工作；

龙正如（1990-），男，本科，工程师，主要从事海上风电项目PC管理；

张美阳（1981-），女，硕士，结构工程师，主要从事海上风电机组导管架基础设计，海上风电机组基础优化工作；

孙香（1988-），女，本科，项目助理，主要负责项目规划、整体协调、文件控制管理工作。

余畅（1977-），男，博士，高级工程师，主要负责珠海桂山海上风电示范项目实施性施工组织设计。