深远海海上风电导管架基础安装技术与实践探索

兰世平，周 通，贾小刚

(福州海峡发电有限公司，福建 福州 350001)

随着陆地风电开发趋于饱和，海上风电开发愈来愈迫切，目前我国海上风电场的建设主要集中在浅海海域，且呈现由近海到远海、由浅水到深水、由小规模示范到大规模集中开发的特点[1]。为获取更多的海上风能资源，海上风电项目将逐渐向深远海方向发展。浅海海域风电基础施工技术将难以应用在深远海海域，迫切需要更多的深远海施工经验。而传统海洋石油工程行业平台制作技术虽成熟，但其开发成本高，不适用于追求低成本建设的海上风电项目。

长乐A区测风塔项目导管架安装采用后桩法施工，其主要工序有导管架沉放、钢管桩沉桩、水下灌浆等。本文通过总结项目实施经验，并结合深远海环境工况以及实施过程中出现的问题，对深远海导管架安装提出建议，为大规模开发深远海海上风电基础设计提供参考。

1 工程概况

长乐A区测风塔位于外海海域，离岸距离29.5 km，最高水深42 m，在白犬岛灯塔和牛山岛灯塔连线以西。海域海洋水文条件异常复杂，涌浪、潮汐等无规律可循，潮差大于5 m，随水深不同呈多层旋转流，流速较大。测风塔海域东北风风速较大，最大达20 m/s，外海作业施工窗口期短。

该测风塔基础结构采用四桩导管架基础型式，由四根钢管桩垂直定位于海底，桩与导管架通过水下灌浆材料连接。钢管桩桩基直径1.6 m，长度73.9 m，重量80 t/根；导管架底部尺寸22.7 m×22.7 m，上部平台10.2 m×10.2 m，高度50.9 m，重量380 t。设计如图1、2所示。设计中心点绝对位置偏差≤500 mm，桩顶水平位置的相对偏差≤200 mm，高程允许偏差<50 mm，纵轴线倾斜度偏差<1%。

图1 测风塔导管架基础俯视图

图2 测风塔导管架基础立面图

2 导管架安装过程分析

2.1 导管架定位沉放

运输驳船靠泊—主钩挂钩—拆除运输固定工装—导管架起吊悬空—驳船退出—导管架下沉—过程实时监控定位—导管架坐底—充分自沉后解钩[2]。

风电机组导管架水平精度要求高，后桩法导管架沉放往往无辅助定位设施，定位调平困难。且本项目地质条件差，淤泥覆盖层厚，导管架沉放可能因沉降不均匀倾倒[3]。因此定位沉放需采取相关措施重点保证精准定位及水平控制。

1)导管架底部设计防沉板，扩大导管架底部与淤泥接触面，增加下沉阻力并使导管架受力均匀，以保证缓慢沉放并且有效控制沉放水平度。

2)在导管架上安装GPS罗经、倾斜仪以及无线网桥等设备。吊装作业中，将位置和方位数据实时传输到吊装控制中心，实现动态实时显示导管架位置以及设计位置。根据倾斜仪的数值，监测导管架的水平度情况。导管架安装作业结束后，拆除GPS罗经和网桥等设备，保留倾斜仪，进行打桩过程中的水平度监测。

2.2 钢管桩沉桩

钢管桩翻身起吊—钢管桩下沉—潜水员辅助插桩—充分自沉—桩锤起吊—沉桩。

后桩法钢管桩定位主要通过导管架桩靴来确定，难点在于需进行深水海域潜水辅助插桩作业，本项目海洋水文条件恶劣，随水深不同呈多层旋转流，最大涌流达3 m/s，潜水员下水后需借助外力才能固定位置，对潜水员经验要求高[4]。

本项目沉桩以桩端设计标高为主，以控制贯入度为校核。施工过程中应经常检查桩的贯入度情况、桩顶完整性状况、桩体倾斜度等项目，并根据检查情况及时采取适当的措施。

图3 导管架定位沉放示意图

图4 钢管桩沉桩示意图

2.3 导管架调平措施

完成四根钢管桩沉桩后灌浆前，需对导管架水平度进行复核，导管架调平控制应贯于全过程。

1)控制海床平整度：在导管架沉放前，需要对海底进行水下探摸，并对发现的障碍物进行清理和海床整平；

2)导管架安装沉放后，测量导管架平整度，如若误差超过设计要求，则应该采取措施调整导管架平整度；

3)打桩过程中要时刻监测导管架水平度，过程中如出现贯入度反常、桩身突然下降、过大倾斜、移位等现象，立即停止锤击，及时查明原因，采取有效措施。

2.4 水下灌浆

水下灌浆管、灌浆封隔器气管连接—灌浆封隔器充气密封—泵送灌浆料—水下检查灌浆料溢出—水下灌浆管、封浆器气管拆除。

本项目灌浆封堵采用主动式灌浆封隔器，需要在打桩完成后、灌浆前，通过潜水员连接充气管线，因此增加水下作业。

灌浆过程初期利用灌浆料与海水密度差产生的虹吸作用，采用小流量浆料缓慢沉淀，使大粒径骨料将封隔器与桩管之间可能存在的间隙填实密封，灌浆形成稳定流速后逐渐调节灌浆泵的压力进行灌浆[5]。

3 深远海导管架设计及安装工程建议

根据本项目实施过程中所遇到的问题，针对深远海导管架基础设计提出如下建议。

1)为避免因沉桩及导管架不均匀沉降造成水平度超允许偏差而无法调整，建议在导管架后桩法施工中增加抱桩装置设计，实现灌浆前再次对导管架调平功能。

2)采用替打桩存在受力不均匀，导致桩锤能力损失大的风险。建议采用可水下作业的打桩锤，钢管桩可一次性沉桩到位；如必须采用替打桩，则应采用与桩锤能量配套的替打桩，以减少能量损失。

3)灌浆管需在水下连接，且管径较大，需采用卡扣连接，每次连接需两名潜水员下水配合。因此建议导管架制作时，将灌浆管沿导管架上引，引至最低水位面，利用低潮期进行水上接管，减少水下作业。

4)为避免灌浆封隔器充气管在沉桩过程中被震断，导致封隔器无法充气密封，且减少水下连接作业。建议将充气管同灌浆管一同引上至水面，减少水下作业。同时，建议采用被动式灌浆封隔器，提高密封可靠性。

5)水下灌浆质量要求高，各施工工艺及设计参数控制难度极大。水下作业，均只能依靠潜水员下水检查，潜水员个人主观判断可能存在较大误差。因此建议后续施工过程增加水下可视化装置，提高对水下施工质量监控。

4 结 语

随着海上风电场向深远海发展，为了对风电场的风能资源进行观测、收集和评估，给风电场设计和建设提供基础性支持，海上固定式测风塔往往作为前期工程先行建设。因此海上固定式测风塔建设将为风电场主体工程积累宝贵的经验。