海上测风塔导管架群桩施工技术在外海海域的应用研究

2020-04-14陈进河杨浩淼吴加文

广东水利水电 2020年3期

陈进河,杨浩淼,李智,吴加文

(长江三峡集团福建能源投资有限公司,福建福州 350309)

海上风能资源储量巨大，世界各国正在纷纷发展海上风电产业[1-2]。我国海上风电规划总量超过8 000万kW，重点布局在福建、广东、江苏、浙江等地，开发前景广阔[3-4]。福建海域受台湾海峡“狭管效应”影响，海平面以上90 m高度处平均风速达8.5～10 m/s，是我国海上风能资源最丰富的地区。风能资源的测量与评估作为风电场开发建设的重要技术支撑，影响着整个风电场的经济效益[5]。因此，有必要在工程建设场地进行海上测风塔建设，获取准确的风资源数据，为设计和建设提供依据。

长乐外海地处台湾海峡，地质条件复杂，场地多为丘陵、海岸阶地地貌，局部有海沟，地形起伏大。场址区海况恶劣，常年盛行东北季风，风力时常超过6级，流速超过2 m/s，外海涌浪是近海的3～4倍、波浪有效波高是近海的1.5～3倍，且施工窗口期短，在每年10月至次年的4月，基本无施工窗口期[6]，其余月份存在施工安全的窗口期，但不连续。长乐外海海域规划风电场址离岸距离超过25 km，水深超过40 m，在规划风电场址内建设测风塔，无成熟设计和施工经验可借鉴，施工难度极大。本文结合前期测风塔建设失败教训，总结长乐外海测风塔成功建设经验，以期为将来海上风电场的建设积累实践经验，也可为海上桩基施工提供参考。

1 前期测风塔建设分析

2017年4月，在长乐外海海域开展自立式测风塔建设，测风塔设计采用传统四桩导管架基础，即钢管桩+水上导管架基础，钢管桩长度为125 m、单根桩重为170 t，导管架高度为10 m，重量约200 t。在施工海域完成测风塔4根钢管桩沉桩作业和夹桩后，受风浪影响，船机被迫撤离作业现场，一段时间后，现场巡视发现、钢管桩发生倾倒破坏。

分析原因，一方面，外海海域波浪力作用强烈，成桩后桩顶若未约束自由摆动幅度可超过1 m。因桩顶临时夹桩措施失效，群桩未形成整体结构，造成单桩疲劳破坏。另一方面，作业船的船舶型深及吃水深度浅，抗涌浪能力弱，在外海海域无法形成连续施工作业。综上，近海区域海上风电、桥梁等设计和施工技术经验，无法照搬至外海海域海上风电建设，需要加强对深远海的认识，进行设计方案、施工技术的探讨与论证。

2 项目概况

2.1 新建测风塔位置

新建海上测风塔位于福州市长乐区东南方外海海域，离岸距离为29.5 km，水深超过40 m，测风塔位置见图1。

图1 测风塔位置示意

2.2 水文地质条件

2.2.1地质条件

勘察报告显示，场址泥面高程为-37.9 m，地貌类型为丘陵海岸地貌，场区覆盖层厚度为85 m，主要以粘性土、砂土为主，浅部埋深22 m范围内均为淤泥质土及淤泥混砂，呈流动～流塑状。勘察期间测风塔位置水深在41～44 m范围内。

2.2.2水文条件

海洋水文资料，采用工程附近区域平潭海洋站的相关资料。

1) 气象

福建沿海总体受季风气候影响，冬季风向以北风或偏北风为主，平均风力达5级左右；夏季风向以南风或偏南风为主，平均风力3级。夏、秋季台风多发，沿海地区地形复杂，风况变化大，最大风速一般在24 ～40 m/s左右，当台风登陆或过境时，极大风速可达60 m/s以上。

2) 潮汐

长乐外海海域属于正规半日潮，平均潮差为4.24 m。以1985国家高程为基准，极端高水位为4.56 m，极端低水位为-3.79 m。潮位基面关系见图2。

3) 风暴潮

根据福建沿海各潮位站实测潮位资料，将天文潮位和台风暴潮水位分离后得到各测站的台风暴潮增水情况，最大增水幅度达2.5 m以上，增幅大于1 m的经常出现。

图2 潮位基面关系示意

4) 潮流

受正规半日潮影响，本工程海域潮流为往复流。受海流、季节风、地形影响，潮流显得比较复杂。潮流可能最大流速为89 cm/s，流向为300°。

5) 波浪

施工海域海浪大，全年有效波高平均值为1.09 m，最大值为5.51 m。全年以风浪和涌浪兼有的混合浪居多，年频率达86%，其中，以涌浪为主的波形占63%，以风浪为主的波形占6%，风浪和涌浪同高分不清主次的占17%，单一风浪的情况不多，年频率占13%；单一涌浪更为少见，年频率不足1%。秋冬春三季以涌浪为主，夏季以单一风浪为主。

2.2.3施工期间实测数据

2019年6月2日至6月10日基础施工期间，利用作业船的探测设备，对施工海域的水文气象进行监测。施工期间最大流速超过1.5 m/s，平均潮差为4.8 m，涌浪无规律可循。水下作业过程中发现，施工海域随水深不同呈多层旋转流，海底流速大。利用工作母船的测风仪，对距海面高度30 m处的风速风向进行实时测量，每4 h读取1次数据。此外，通过作业船的水深探测仪对水深实时测量，每1 h读取1次数据。实测风速、风向及水深数据见表1。

表1 施工期间实测水文数据

由实测数据可知，施工海域流速、潮差均大于平潭海洋站的测量数据，且风速、风向波动较大。此外，作业期间发现施工海域涨潮期或退潮期，常出现海面风浪大但海底涌流小，或海面风浪小但海底涌流大的状况，仅平潮期风浪流条件相对均衡，适合开展水下作业。但平潮期持续时间短、时间间隔长，对施工效率影响大；由于水下存在多层旋转流，给水下定位测量控制和潜水员水下施工带来极大困难。

3 测风塔基础形式选择

目前海上风电场的基础形式主要有桩基础、重力式基础、桶形基础、漂浮式基础等[7-9]，不同的基础形式适用于不同的水深(如表1所示)。

表1 不同基础结构形式适用水深范围

坐底式导管架基础结构水平刚度大、稳定性好、施工便利、适于水深较深的海域[10]。根据场址的地质条件、水深情况、施工难易程度及前期测风塔设计施工经验，选择外侧打桩的坐底式导管架基础方案(如图3所示)。

图3 外侧打桩的坐底式导管架基础示意

外侧打桩方案通过导管架自身的柱套筒定位，无需设置水下打桩定位架，且桩长较短，无需接桩。但海上窗口期有限，施工海域波浪较大，导管架自稳存在一定风险，且部分工序需水下作业，如水下送桩、水下灌浆。

新建海上测风塔基础结构采用四桩导管架，钢管桩直径为1.6 m，长度为73.9 m，重量为80 t/根，合计为320 t；导管架底部尺寸为22.7 m×22.7 m，上部平台为10.2 m×10.2 m，高度为50.9 m，重量为380 t；钢管桩与导管架连接段采用灌浆连接。

4 四桩导管架基础施工技术

4.1 施工准备

测风塔施工的各项工序均需考虑外海海域的大风、大雾、海浪等条件，应做好施工前的准备，包括适合测风塔施工时段的调查、施工设备资源的投入、施工工艺的确定、对现场施工环境的认识等。

4.1.1浮吊船抛锚就位

工作母船利用DGPS设备，在测风塔建设位置附近进行抛锚就位，同时根据现场海流方向及风向情况进行船位设计(如图4所示)。

图4 工作母船抛锚位置示意

4.1.2船机设备

导管架基础施工船舶设备包括工作母船为1700T全回转浮吊船“德瀛”，抛锚船为“北海救131”，拖船为“东海救131”，运输驳船为“振新8”，警戒船为“新港拖6”。

浮吊船总长为115 m、型宽为45 m、型深为9 m、满载吃水10 m，具有较强的抗风浪能力。浮吊船主钩起吊能力1 700 t，副钩起吊能力200 t，起吊高度超过80 m，满足此次吊装作业。

4.2 基础施工流程

浮吊船抛锚就位→地貌调查→导管架定位安装→钢管桩沉桩→水下灌浆→完成测风塔基础安装。钢管桩采用液压锤击法沉桩。

4.3 桩基施工工艺

4.3.1导管架沉放

导管架安装流程：运输驳船靠泊工作母船→主钩连接导管架顶部平台吊耳→拆除运输固定工装→导管架起吊悬空→驳船驶出→导管架下沉→导管架坐底→施工测量→解钩。

导管架6月4日07:00起吊，11:50坐底完成，整个安装过程历时近5 h。导管架下沉过程中，利用工作船自带的定位系统进行实时监测，及时调整导管架中心位置和结构自身姿态。安装完成经过测量，导管架定位中心距、方位角及导管架自身的水平度均满足设计要求(如图5所示)。

图5 导管架完成坐底示意

4.3.2钢管桩施工

施工流程：运输驳船靠泊工作母船→吊桩→钢管桩反正→定位插桩→潜水员下水辅助插桩→钢管桩套入导管架套筒→解钩→插对角桩→锤击沉桩→至设计标高后停锤→沉桩结束→进行剩余钢管桩插桩沉桩作业。施工区域风浪较大，为防止导管架及钢管桩倾覆，采取先对角插桩后沉桩，再进行剩余2根钢管桩插桩沉桩作业，即1#桩插桩→3#桩插桩→1#桩沉桩→3#桩沉桩→4#桩插桩→2#桩插桩→4#桩沉桩→2#桩沉桩，其中桩位编号见图4。

6月4日18:40进行1#桩插桩，6月6日05:50 钢管桩沉桩全部完成，沉桩数据见表3所示。因水下定位插桩采取潜水员水下引导的方式，受风浪条件影响，潜水员只能在风浪流相对均衡的平潮期内下水作业，若在平潮期内未能完成引导定位工作，只能等待下一个平潮期，极大增加了现场水下定位工作的难度，此次沉桩过程历时35 h。