海上风电项目中导管架基础施工技术综述

2020-06-01田伟丽汪冬冬高健岳

中国港湾建设 2020年5期

田伟丽，汪冬冬，高健岳

（1.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；2.中交港湾（上海）科技有限公司，上海 200032）

1 概述

中国海上风能资源丰富，5～25 m 水深、50 m高度海上风电开发潜力约2 亿kW；5～50 m 水深、70 m 高度海上风电开发潜力约5 亿kW[1]，远海的风能资源储备远高于近海，深远海风电具有广阔的发展前景。目前国内已建和在建的海上风电项目集中在潮间带和近海浅水区，风电机组基础常见形式有重力式基础、单桩基础、导管架基础及新型吸力桶基础等。在深远海建设海上风电项目，深水导管架基础和浮式风电基础将成为解决问题的关键。不同基础结构适用于不同水深[2]。单桩基础直径随着水深增加急剧变大，0～30 m 水深适用，导管架结构适用于任何水深但水浅时不经济。我国海上风电建设从2008 年亚洲第一个海上风电场东海大桥海上风电示范项目开始，2010 年以后逐步开展潮间带和近海风电场开发建设，从“项目示范”走向了“快速开发”快车道。2018 年以来国内潮间带和近海风电资源开发逐渐饱和，海上风电发展趋势呈现由近海到远海、浅水到深水的开发趋势，“双 40（40 m 水深、40 km 离岸距离）环境条件下海上风电建设工程技术”成为当前海上风电行业研究热点。2015 年至今，近海大量海上升压站基础、珠海桂山海上风电示范项目和广东阳江海上风电项目开始批量采用导管架基础，但应用水深普遍小于30 m。

2 导管架基础在海上风电项目的应用

导管架基础是近海风电项目基础形式之一，导管架基础与钢管桩之间通过高强度灌浆材料连接后固定于海底[3]。在海洋石油工程中较深水海域油田多采用固定式导管架结构形式，而较深水导管架一般采用水下裙桩形式[4]。海上灌浆连接[5]最早用于连接石油平台导管架基础与桩基，该工艺已有超过40 a 的使用历史。在海上风电领域中，欧洲大量海上风电基础采用导管架结构。表1 是国外海上风电导管架基础工程实例，苏格兰最大海上风电项目Beatrice offshore wind 于2019 年全部完工，项目采用四桩导管架结构，水深最深超过56 m。

我国海上风电建设起步较晚，2015 年至今近海十几米水深海上升压站大量采用“后桩法”斜桩导管架基础，江苏如东潮间带风电场（0～12 m水深）少量风机基础采用四桩和五桩导管架基础，2019 年福建兴化湾海上升压站（水深10 m 左右）采用“先桩法”直桩（嵌岩桩）导管架基础。上述这类导管架属于浅水导管架，其特点是应用水深较浅，灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以上（见图1），无论是打桩、导管架安装调平与锁定，以及灌浆作业均在水面以上，目前国内已经掌握这类导管架基础的设计和施工技术。

2016 年，珠海桂山海上风电示范项目国内首次采用“先桩法”四桩内插腿式导管架结构，场区平均水深7～11 m。这是我国第一个真正意义的四桩导管架基础结构海上风电项目[6-8]，该项目34 台海上风电基础采用外挑平台式四桩基础结构，国内首次在风机基础结构中采用水下灌浆技术。2018—2019 年广东阳江地区20～30 m 水深多个海上风电场大规模采用导管架基础，风机基础采用与桂山风电类似的“先桩法”四桩导管架，海上升压站基础国内首次采用类似海油工程的裙桩外套筒结构导管架[9-11]。与此同时，广东、福建30～50 m 水深多个海上测风塔基础也采用三桩、四桩“后桩法”裙桩外套筒形式导管架。上述这类导管架采用深水导管架结构形式与施工方法，其特点是灌浆连接段顶部和溢浆口完全位于水面以下，沉桩定位、导管架安装调平与锁定以及水下灌浆作业难度很大，目前海上风电领域国内在这一类导管架基础设计、制造与施工等方面仍然处于起步和探索阶段。灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以下的深水导管架见图2。

图2 灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以下的深水导管架Fig.2 Deepwater jacket with top of grouting connection section and overflow port below the surface of water

3 海上风电导管架基础施工关键技术

在海上风电行业，潮间带和近海浅水区已完成项目中在导管架基础设计、制造和施工方面积累了较为丰富的经验，最近两年广东阳江30 m 水深导管架基础成功应用进一步推动海上风电行业导管架基础设计、制作与施工整套核心技术的突破。但随着导管架结构应用水深加深，导管架越来越大型化，风场离岸距离越来越远，海况越来越差，导管架基础施工涉及导管架制作、运输、安装，水下沉桩及精度控制以及导管架调平、锁定与深水灌浆等诸多问题需要深入解决。

首先，分析导管架基础沉桩技术。针对“先桩法”工艺导管架工程桩沉桩，一般要求钢管桩平面允许偏差＜50 mm，高程允许偏差＜50 mm，纵轴线倾斜度偏差≤0.5%。钢管桩施工位于开阔的外海并且钢管桩顶标高位于水面以下，必须采用可靠的限位措施达到桩位准确，并尽可能减小相对偏位，以保证后续导管架的顺利安放。在水深7～11 m 桂山风电项目中，采用桩基固定式定位架，应用坐底式定位架沉桩工艺。在水深20～30 m 的阳江海上风电项目中，多家施工单位分别采用浮式新型稳桩定位平台、吸力筒导管架稳桩定位平台等多种形式的沉桩定位平台（见图3）。随着水深进一步加深，需要解决减少风浪流对沉桩作业的影响，将海上作业调整为水下作业，开发海床沉桩智能定位系统是深水导管架打桩的研究方向，国外采用的水下定位架施工技术值得借鉴。深水打桩定位系统满足30～80 m 水深水下作业要求，同时配备自动化液压控制系统和水下施工监控系统，提高沉桩作业精度。对于“后桩法”裙桩导管架沉桩而言，工程桩通过导管架限位，但打桩过程的调平与打桩完成后导管架调平与锁定更为关键。

图3 多种不同形式的导管架打桩定位平台Fig.3 Different types of jacket piling positioning platform

其次分析导管架调平与锁定技术。目前导管架的调平方法一般有两种[2]，一种是通过卡桩器加调平器的方式，即普通的深水导管架调平方式；另一种是先通过提升导管架低点，然后将导管架与钢桩固定，边打桩边调平的方式，即普通的浅水导管架调平方式。上文提及的“后桩法”斜桩导管架调平采用浅水导管架调平技术，并采用“刀把法”锁定导管架。所谓“刀把法”导管架调平与锁定技术是通过在导管架顶部采用“7 字板”对钢管桩和导管架顶部进行焊接的方式临时固定，交替打桩时对打桩的桩位解除导管架和钢管桩之间的临时固结，靠其他桩位的临时固结承担导管架自重的方式防止导管架下沉的方法。对于深水导管架安装调平及其安装后的灌浆工艺都是用卡桩器来完成，即利用调平器将导管架调到误差范围内之后，焊接在群桩套筒上的卡桩器夹住钢桩，使导管架保持水平和稳定[2]。

最后，分析深水导管架水下灌浆技术。与海洋石油平台的灌浆相比，无论是材料、受力机理、还是施工，海上风电灌浆都有自身特点[5]。海上风电导管架基础施工中，水下灌浆技术是施工难点，导管架基础和钢管桩连接主要通过灌浆方式进行[12]。在海上风电项目中，导管架灌浆连接通常采用泵送压浆的方式将灌浆料灌注到海平面以下的灌浆连接段。在灌浆施工中，要求在海上恶劣施工条件下较短时间内完成水下灌浆，对材料的工作性、可泵送性和早期强度提出较为苛刻的技术要求。导管架基础结构具有稳定性好，海床地质适应性强等特点，风电机组、波浪和洋流等荷载作用在导管架上，导管架将荷载传递至钢管桩，再传递至海床，作为连接钢管桩和导管架的灌浆施工质量直接影响到风机的整体结构安全。海上风电导管架水下灌浆涉及材料、设备、工艺、灌浆管路及灌浆方案、灌浆水下封堵以及水下灌浆施工质量检测等诸多关键技术。国内海上风电导管架灌浆料产品开发与工程应用研究[13]形成具有自主知识产权的材料、设备和工艺，优固特UHPG-120导管架灌浆料产品及灌浆连接技术打破国外垄断，填补国内空白。对于浅水导管架灌浆而言，虽然也涉及水下灌浆，但灌浆连接段顶部位于水面以上，溢浆口位于水面以上，灌浆前导管架调平与锁定在水面以上进行，由于溢浆口位于水面以上灌浆终点可见，风险相对较小。对于深水导管架基础灌浆施工而言，灌浆连接段和溢浆口完全位于水面以下，灌浆过程需要潜水员和水下ROV 配合，技术难度和技术风险更高。

4 深水导管架施工案例分析与应用前景

中交三航局2018—2019 年实施中广核阳江南鹏岛400 MW 海上风电项目，该项目包含18 台“先桩法”四桩导管架风机基础和一个“后桩法”四桩裙桩外套筒式导管架海上升压站基础。本项目是我国海上风电项目中首次在30 m 水深大规模采用导管架基础，灌浆连接段位于水下-20～-30 m 水深以下区域。该项目风电机基础导管架总重超过900 t，是当时国内最大最重的海上风电基础导管架。本工程采用浮式稳桩平台打桩，导管架安装采用的水下对位、水下灌浆等技术均是国内海上风电施工的首次尝试。本项目海上升压站基础也是国内首次采用四桩裙桩外套筒式导管架，导管架重1 700 t。2019 年广东阳江多个海上风电项目均采用上述结构形式的导管架基础，对后续深远海海上风电场导管架基础施工起到良好的示范引领作用。中广核阳江“先桩法”四桩导管架风机基础和“后桩法”裙桩导管架海上升压站基础见图4。

图4 中广核阳江“先桩法”四桩导管架风机基础和“后桩法”裙桩导管架海上升压站基础Fig.4 Wind powder foundation of"pile first method"four pile jacket and foundation of"pile later method"skirt pile jacket sea rising pressure station in CGN Yangjiang

海上风电场从近海逐渐走向深远海和单机容量大型化已成为国际风电发展的趋势。我国于2017 年发布的《全国海洋经济发展“十三五”规划》亦鼓励在深远海建设海上风电场。目前已核准的海上风电项目表明，未来几年我国的广东、福建30～50 m 水深海上风电场将大量采用导管架基础。广东省阳江、揭阳等地，福建省漳浦六鳌、长乐外海等地在规划大量导管架基础风电场。未来面对深水、强涌浪海域导管架基础施工涉及复杂地质、海况条件施工作业，对施工工艺和设备提出更高的要求。