重力式海上风电机组基础施工技术

文 | 高宏飙，孙小钎

重力式海上风电机组基础施工技术

文 | 高宏飙，孙小钎

海上风电机组基础常采用桩基型式，但对于表面残积层较薄的岩基海床，难于施打摩擦桩，且桩基初期不能自稳，无法借其搭设嵌岩桩基施工平台，实施桩基基础难度大、造价高。而重力式海上风电机组基础（图1），结构简单、造价较低，抗风暴和风浪袭击性能好，对水深较浅、海底表层地基承载力较好的岩基海床具有明显的优势，而国内没有先例可供借鉴。本文结合国内港工施工装备和经验，对重力式海上风电基础施工技术进行分析研究。

重力式基础施工基本流程

海上风电机组重力式基础施工流程与大型沉箱结构施工流程相似，主要施工工艺流程如图2所示。

重力式基础结构预制

一、结构预制基地的选择

重力式基础结构预制场地影响基础的预制和下水方式，预制场地满足大型混凝土结构的预制生产要求，需要配备大型砼构件出运的码头泊位，如图3所示。

二、基础混凝土结构预制

（一）制作工艺

重力式基础体积庞大，混凝土用量多，基础预制施工工艺的流程如图4所示。

（二）制作质量控制

处于海洋腐蚀环境的重力式基础，为确保其力学性能指标和耐久性，规范对表面混凝土裂缝宽度有严格的要求，一般使用预应力混凝土，采用后张法预应力施工工艺。

基础运输

重力式结构的尺寸和重量巨大，目前运行的最大海上风电机组重力式基础重达3000t，高约40m。

一、场内运输

制作完成的重力式砼基础场内运输可以通过“蜈蚣车”移运、轨道台车或高压气囊滑移等方式。

（一）气囊移运

气囊出运工作原理与滚筒搬运重物的工作原理基本相同，是指在沉箱的下面放置可充气的圆形胶囊，通过充气加压顶升沉箱，再在需移动的方向上施加牵引力，使气囊产生滚动，从而实现构件的移运。

（二）“蜈蚣车”移运

重力式基础预制场内“蜈蚣车”运输如图5所示。

二、基础下水

基础下水大致有以下几种方式：一是起重船吊至船上（图6）；二是利用半潜驳下水；三是在干船坞中预制，预制完成后船坞充水，借助基础自身浮力，起重船吊基础至甲板；四是在浮式船坞中预制。

三、基础运输需要考虑的关键因素

（一）天气和海况

根据运输类型以及基础的设计，分析可以允许的风速、能见度、波高、波浪周期、潮流以及冰雪。

（二）施工窗口

运输的窗口期取决于运输距离、天气和海况，施工窗口期具有季节性变动的特点，必须严格计算运输窗口期。

（三）船舶横稳性

同时又因为多样性的本质是适应的多样性，因此这一生命观念又可以解释多样性的来源。要建立这一生命观念，需要在“种群、基因频率、生物进化、生物多样性”等多个概念和事实之间建立联系，在联系、整合和分析中，逐步形成“选择与适应观”。

船舶稳性指的是船舶具有抵抗外力（风、浪等）而不致倾覆的能力，可分为横稳性和纵稳性（图7）。横稳性指船舶绕纵向轴横倾时的稳性，纵稳性指船舶绕横向轴纵倾时的稳性。

海床处理

由于重力式基础直接将其巨大的重量和所受载荷传给地表，所以需对海床进行处理，确保海床具有足够的承载力和平整度。

一、基槽开挖

先是粗挖，然后是精确挖泥。用反铲挖掘机（图8）挖去海底的泥土和松散的砂土直至达到承载力土层，挖泥厚度因工程地质情况的不同而不同，一般为0.5m-10m。当开挖厚度超过3m时采取分层开挖，不足3m厚的基槽一次开挖。

基槽开挖在基床厚度和宽度满足要求的前提下注意开挖边坡是否符合设计要求，开挖边坡以自然坡稳为准。基槽开挖过程中应派潜水员下水检查已挖部分回淤情况，根据回淤情况制定相应的清淤措施，开挖后及时抛石以防基槽回淤。

基槽抛石的基本步骤如下：

（1）下放一个钢制框架和一个中心定位装置来辅助抛石，精确的定位需要潜水员和GPS定位系统；（2）扫去海床上的淤泥和浮土；（3）在钢制框架里填上砾石或者压碎的石头；（4）潜水员利用钢制框架上的平板推平砾石层；（5）拆除钢制框架；（6）某些场合需要对碎石层进行压实或者对碎石层灌浆（图9）。

通常碎石层分为两层：底层为0mm-63mm粒径大小的透水层，上层为10mm-80mm粒径大小的砾石层。在要求苛刻的Thorntonbank海上风电场，透水层约为1.5m厚，上层约为0.7m厚，碎石层总厚度2.2m。

三、基床夯实

基床夯实的方法主要有重锤夯实法和水下爆破夯实法两种。重锤夯实用起重设备吊重锤，按一定的规则和指标要求进行施工；水下爆破夯实法利用爆破冲击力和震动力进行夯实。

一般采用方驳吊机吊重锤（图10）纵横向进行基床夯实，夯前，为了增进夯实效果，安排潜水员粗平基床。对于局部不平整的区域，采用方驳吊机，进行定点、定量抛补，确保局部高差不大于300mm。

夯锤选用平底锤，锤重8t或12t，控制落距，确保每锤的冲击能量，采用纵、横向均邻接压半夯（图11），并分二遍（初夯、复夯各一遍）的夯实方法，以防止基床局部隆起或漏夯，夯击遍数由试夯确定，基床分段分层夯实，每层厚度应大致相等，夯实厚度不大于2m，分段夯实的搭接长度不小于2m，若夯击能量较大时，分层厚度可适当加大。

四、基床整平

基床整平可采用座底式抛石整平平台（图12），平台采用GPS定位，通过四根桩腿将整平船抬升离开海面，安装在平台甲板上的克令吊从石料驳船上抓取石料，并通过浮鼓式漏斗连接溜槽或溜管向水下送石料。

基床整平采用“导轨刮道法”，在基床的整平范围内，由潜水员配合测量工测放导轨垫块，垫块与导轨之间垫放厚薄不一的钢板，轨顶即为整平标高。潜水员在水下以刮尺底为准进行整平，高于刮尺底的块石由潜水员搬出基床外，低于刮尺底的石间不平整部分用二片石填充，二片石间的空隙用碎石填充，刮尺底与二片石的空隙用碎石填塞。

基础安装

一、定位

基础安装过程首先是将基础精确定位在目标海床点上，采用GPS定位系统和水下定位系统进行基础安装定位。

二、基础的吊升和安放

基础的吊升和安放可使用大型浮吊完成（图13），如重力式基础空载重量过大，没有适合的浮吊，可以采用半潜驳下潜使基础承受一定的浮力（图14），再用浮吊吊装，但在吊装前应计算基础定倾高度，如定倾高度不满足要求，应加载压载水，确保基础能自稳。

三、压载物填充

在重力式基础就位以后，会将预先准备好的碎石块或者之前海床处理时挖出来的碎石填入基础的空腔。如果填充物是砂，通常会将砂和水在搅拌船上混合然后用泵抽入基础空腔内（图15）。

结语

我国东南沿海拟建海上风电场，处在岩基海床，风大浪高，施工窗口小，摩擦沉桩难于实施，嵌岩桩基工效低。而海上风电机组重力式基础，不需要沉桩，且基础在岸上预制，海上工序少，与桩基础型式相比建设成本具有明显优势。本文梳理重力式基础施工关键技术，分析各施工环节，借鉴欧洲海上风电工程经验，利用国内港工重力式码头相似施工技术及装备，编制了经济、可行的施工方案，为重力式基础实施提供了技术指导。

（作者单位：高宏飙：福建龙源风力发电有限责任公司；孙小钎：中能电力科技开发有限公司）