海上风电大直径单桩基础海缆引入施工技术

范肖峰，张震宇，叶兆艺，苏纪贤

( 1. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122；3. 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

全球常规石油、煤炭、天然气资源日益紧张，世界各国都在大力发展清洁的海洋资源[1]。当前，我国也正处于大力发展海上风电的黄金时期，各沿海省份都积极上马近海海上风电项目，其中江苏省海上风电累计装机容量、规模连续多年领跑全国。当前，单桩基础被广泛地用于海上风电工程[2-4]，并采用外套笼方案连接海缆和单桩，但是随着海上风电向离岸距离远的趋势发展，导致套笼设计复杂，工程量变幅大，加工、运输、安装难度加大[5-8]。另一方面，由于具有加工制作简洁及施工方便的优点，桩身开孔的方式引入海缆进入塔筒内的方案逐渐运用到海上风电工程中，国内首次在滨海H2号海上风电场使用，并推广至广东、江苏等海上风电场项目中[6]。

本文以江苏某海上风电单桩基础为研究对象，对两种常用的大直径单桩基础引入海缆施工工艺及关键技术进行阐述，并开展两种技术的利弊对比分析研究，并针对本工程特点选取合适的海缆引入布置方案。

1 传统桩外电缆管引入方案

套笼结构是大直径单桩基础最常用的附属构件结构型式，这种结构型式结构简单，现场安装方便，施工时间短，安装风险低[6]。套笼附属构件包括单桩基础配套用靠船防撞构件、爬梯、内平台、外平台、电缆管、外加电流等，如图1所示。将上述构件中除内平台以外的其他附属构件在陆域制作成集成式附属构件套笼结构，运输至海上施工现场后，利用起重船进行整体吊装安放。单桩基础内平台支撑牛腿焊接于桩体内壁，与桩体成一体进行沉桩施工，如图2所示。桩外电缆管方案需要在桩外套笼上设置圈梁，用来支撑电缆管，电缆管喇叭口距离海床面一般为0.5～1 m，用于支撑电缆管的套笼也需要一直延伸到泥面以上约1 m位置。海缆保护喇叭口在海缆登陆风机外平台前对海缆起到保护作用，将其与外部环境隔离开，如图3所示。桩身外侧设置电缆管，进行海缆布置，电缆管与附属构件套笼整体安装，海缆经电缆管由塔筒底部电缆孔进入风机塔筒内部。该方案目前已在华能如东、华能射阳、华能大丰等海上风电场项目使用。

图1 单桩基础套笼示意图

图2 单桩基础套笼安装现场施工图

图3 套笼喇叭口电缆连接示意图

2 桩身开孔式引入方案

当前，工程上广泛采用开孔大直径单桩作为风电基础。桩身开孔引入海缆进入塔筒内的连接方式，如图4所示。在泥面2～3 m处，单桩开一个椭圆小孔，开孔为椭圆形短轴100 mm，长轴300 mm，通过开孔处海缆保护装置及基础内平台设置锚固装置进行海缆固定，将海缆与发电设备连接进行电力输送，另一端海缆一端放置于海床土体。该方法施工成本低，省去了传统的桩身外侧设置电缆管与附属构件套笼整体安装，简化了海缆的装配部件。国内通过国家电投滨海H2号海上风电场初次使用，目前已在江苏启东、江苏启如东、大连庄河等海上风电场使用。

图4 桩身开孔方案图

随着我国海上风电项目在近海浅水区域和潮间地区的大规模开发,近海区域可开发利用的风电资源逐渐减少,海上风电必将向深远海发展。在海南、广东、福建、浙江及山东等附近海域离岸10海里外水深可达20～60 m[7]。随着风电场区往深远海发展的趋势，基础安装设备和施工技术成熟，未来40 m水深以内的海上风机建设项目，大直径单桩基础由于结构型式简单、安装便利，仍存在较大的优势。然而，当水深超过30 m时，若仍采用集成式单套笼附属结构，整体套笼的高度将超过50 m以上，总工程量预计将超过300 t，且制作、运输和安装难度很大，同时也会显著提高单桩基础的波浪载荷，不利于单桩基础的优化设计。因此，桩身开孔引入的方案的效果即为针对传统的单套笼附属结构应用的局限性，提供一种适用于深水海域的单桩附属结构。该方案能够大大减少深水海域单桩基础集成式附属结构的工程量、减低制作、运输和安装难度，同时有利减少作用在单桩主体结构上的波浪载荷[8]。

目前，桩身开孔处海缆保护装置及桩外海缆保护主要有三种型式，厂家特瑞堡生产的圆珠固定+防弯段+保护套管(图5)、厂家tekmar生产的倒刺型+哈弗式抗弯段(图6)和厂家seaproof生产的加强型+软管(图7)。国内厂家如中天科技、大象、江阴久盛和希倍优等对以上型式也有所研发及生产。

图5 桩身开孔处固定型式1

图6 桩身开孔处固定型式2

图7 桩身开孔处固定型式3

海缆保护共有三种型式：哈弗式、软管式及套管型式。哈弗式因其可随意增加或减少海缆保护装置的长度，且海上安装方便，因此在国内外海上风电项目中有较多的应用。由于部分项目采用的哈弗式弯曲限制器出现了断裂等损坏，软管式弯曲限制器，在国内部分海上风电项目中也有应用案例，但由于其安装相对复杂，同时需要施工船上具备较大的空间，且整体造价较高，因此在海上风电场应用较少。防弯段+保护套管型在国外海洋石油天然气及海上风电项目有一定应用，目前尚无损坏案例。

3 两种海缆进风机平台对比分析

根据国内外已建海上风电场情况，海缆进风机塔筒内部主要是上述介绍的桩外电缆管引入和桩身开孔式引入。桩外电缆管方案的优点有：①钢管桩设计较简单；②海缆施工方便；③国内外海上风电场应用较多，有成熟经验借鉴。缺点主要有：①对于水深较深机位，套笼工程量较大；②对于地形变化较大场区，套笼设计较复杂；③电缆管随着地形变化较大，导致套笼工程量变幅大，加工、运输、安装难度加大。另外，桩身开孔式引入主要的优点有：①桩外部套笼设计简化；②对于水深较深机位，套笼型式规格简化；③套笼加工制作及施工方便，对船机设备要求低。桩身开孔式引入主要的缺点有：①钢管桩设计较复杂，设计周期长；②开孔处需增加桩体壁厚，增加工程量；③电缆施工较复杂；④内部需配套防腐蚀措施。

4 工程概况

本工程位于江苏某近海海域，场区中心离岸距离约32 km，水深在6～13 m之间。场区形状呈矩形，南北长约8 km，东西宽约5 km，规划海域面积40 km2，规划装机容量250 MW，共10个回路、42台风机。本工程基础形式采用无过渡段单桩式基础，钢管桩桩径分为6.5～7.2 m及6.5～7.48 m两种，壁厚为64～78 mm，单桩最大长度 77m，最大重量约1 000 t。海底地形变化较为平缓，属南黄海滨海相沉积地貌单元。场区内地基土表层以粉砂为主。水深为6～13 m之间。海区全年盛行偏北向浪，频率为63%，最大波高出现在9月份，达到2.8 m，6月份最小值1.8 m。

综合以上桩身外侧设置电缆管引入和桩身开孔引入两种方案的分析，并针对本工程海洋环境、地质条件，推荐采用桩身开孔内部布置海缆型式，如图8所示。

图8 开孔单桩基础海缆引入示意图

5 结 语

根据国内外已建海上风电场情况，海缆进风机塔筒内部主要有两种方式：桩身外侧设置电缆管引入和桩身开孔引入。

1)桩外电缆管方案设计较简单、海缆施工方便等优点，国内外海上风电场应用较多，有成熟经验借鉴；其主要缺点为对于水深较深机位及地形复杂的工程，套笼设计较复杂，导致套笼工程量变幅大，加工、运输、安装难度加大。

2)桩身开孔式引入主要的优点为桩外部套笼设计简化；且对于水深较深机位，套笼型式规格简化，套笼加工制作及施工方便，对船机设备要求较低。其主要的缺点为钢管桩设计较复杂，设计周期长；开孔处需增加桩体壁厚，增加工程量；此外，桩体需配套开净水孔、通气孔，确保桩内气体便于排放，减少对塔筒内电气元件的损坏。

3)综合桩身外侧设置电缆管引入和桩身开孔引入两种方案的利弊，并针对本工程海洋环境、地质条件，推荐采用桩身开孔引入海缆的布置方式。