海上測風塔導管架群樁施工技術在外海海域的應用研究

陳進河,楊浩淼,李 智,吳加文

(長江三峽集團福建能源投資有限公司,福建 福州 350309)

海上風能資源儲量巨大，世界各國正在紛紛發展海上風電產業[1-2]。我國海上風電規劃總量超過8 000萬kW，重點布局在福建、廣東、江蘇、浙江等地，開發前景廣闊[3-4]。福建海域受臺灣海峽“狹管效應”影響，海平面以上90 m高度處平均風速達8.5～10 m/s，是我國海上風能資源最豐富的地區。風能資源的測量與評估作為風電場開發建設的重要技術支撐，影響著整個風電場的經濟效益[5]。因此，有必要在工程建設場地進行海上測風塔建設，獲取準確的風資源數據，為設計和建設提供依據。

長樂外海地處臺灣海峽，地質條件復雜，場地多為丘陵、海岸階地地貌，局部有海溝，地形起伏大。場址區海況惡劣，常年盛行東北季風，風力時常超過6級，流速超過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，基本無施工窗口期[6]，其余月份存在施工安全的窗口期，但不連續。長樂外海海域規劃風電場址離岸距離超過25 km，水深超過40 m，在規劃風電場址內建設測風塔，無成熟設計和施工經驗可借鑒，施工難度極大。本文結合前期測風塔建設失敗教訓，總結長樂外海測風塔成功建設經驗，以期為將來海上風電場的建設積累實踐經驗，也可為海上樁基施工提供參考。

1 前期測風塔建設分析

2017年4月，在長樂外海海域開展自立式測風塔建設，測風塔設計采用傳統四樁導管架基礎，即鋼管樁+水上導管架基礎，鋼管樁長度為125 m、單根樁重為170 t，導管架高度為10 m，重量約200 t。在施工海域完成測風塔4根鋼管樁沉樁作業和夾樁后，受風浪影響，船機被迫撤離作業現場，一段時間后，現場巡視發現、鋼管樁發生傾倒破壞。

分析原因，一方面，外海海域波浪力作用強烈，成樁后樁頂若未約束自由擺動幅度可超過1 m。因樁頂臨時夾樁措施失效，群樁未形成整體結構，造成單樁疲勞破壞。另一方面，作業船的船舶型深及吃水深度淺，抗涌浪能力弱，在外海海域無法形成連續施工作業。綜上，近海區域海上風電、橋梁等設計和施工技術經驗，無法照搬至外海海域海上風電建設，需要加強對深遠海的認識，進行設計方案、施工技術的探討與論證。

2 項目概況

2.1 新建測風塔位置

新建海上測風塔位于福州市長樂區東南方外海海域，離岸距離為29.5 km，水深超過40 m，測風塔位置見圖1。

圖1 測風塔位置示意

2.2 水文地質條件

2.2.1地質條件

勘察報告顯示，場址泥面高程為-37.9 m，地貌類型為丘陵海岸地貌，場區覆蓋層厚度為85 m，主要以粘性土、砂土為主，淺部埋深22 m范圍內均為淤泥質土及淤泥混砂，呈流動～流塑狀。勘察期間測風塔位置水深在41～44 m范圍內。

2.2.2水文條件

海洋水文資料，采用工程附近區域平潭海洋站的相關資料。

1) 氣象

福建沿海總體受季風氣候影響，冬季風向以北風或偏北風為主，平均風力達5級左右；夏季風向以南風或偏南風為主，平均風力3級。夏、秋季臺風多發，沿海地區地形復雜，風況變化大，最大風速一般在24 ～40 m/s左右，當臺風登陸或過境時，極大風速可達60 m/s以上。

2) 潮汐

長樂外海海域屬于正規半日潮，平均潮差為4.24 m。以1985國家高程為基準，極端高水位為4.56 m，極端低水位為-3.79 m。潮位基面關系見圖2。

3) 風暴潮

根據福建沿海各潮位站實測潮位資料，將天文潮位和臺風暴潮水位分離后得到各測站的臺風暴潮增水情況，最大增水幅度達2.5 m以上，增幅大于1 m的經常出現。

圖2 潮位基面關系示意

4) 潮流

受正規半日潮影響，本工程海域潮流為往復流。受海流、季節風、地形影響，潮流顯得比較復雜。潮流可能最大流速為89 cm/s，流向為300°。

5) 波浪

施工海域海浪大，全年有效波高平均值為1.09 m，最大值為5.51 m。全年以風浪和涌浪兼有的混合浪居多，年頻率達86%，其中，以涌浪為主的波形占63%，以風浪為主的波形占6%，風浪和涌浪同高分不清主次的占17%，單一風浪的情況不多，年頻率占13%；單一涌浪更為少見，年頻率不足1%。秋冬春三季以涌浪為主，夏季以單一風浪為主。

2.2.3施工期間實測數據

2019年6月2日至6月10日基礎施工期間，利用作業船的探測設備，對施工海域的水文氣象進行監測。施工期間最大流速超過1.5 m/s，平均潮差為4.8 m，涌浪無規律可循。水下作業過程中發現，施工海域隨水深不同呈多層旋轉流，海底流速大。利用工作母船的測風儀，對距海面高度30 m處的風速風向進行實時測量，每4 h讀取1次數據。此外，通過作業船的水深探測儀對水深實時測量，每1 h讀取1次數據。實測風速、風向及水深數據見表1。

表1 施工期間實測水文數據

由實測數據可知，施工海域流速、潮差均大于平潭海洋站的測量數據，且風速、風向波動較大。此外，作業期間發現施工海域漲潮期或退潮期，常出現海面風浪大但海底涌流小，或海面風浪小但海底涌流大的狀況，僅平潮期風浪流條件相對均衡，適合開展水下作業。但平潮期持續時間短、時間間隔長，對施工效率影響大；由于水下存在多層旋轉流，給水下定位測量控制和潛水員水下施工帶來極大困難。

3 測風塔基礎形式選擇

目前海上風電場的基礎形式主要有樁基礎、重力式基礎、桶形基礎、漂浮式基礎等[7-9]，不同的基礎形式適用于不同的水深(如表1所示)。

表1 不同基礎結構形式適用水深范圍

坐底式導管架基礎結構水平剛度大、穩定性好、施工便利、適于水深較深的海域[10]。根據場址的地質條件、水深情況、施工難易程度及前期測風塔設計施工經驗，選擇外側打樁的坐底式導管架基礎方案(如圖3所示)。

圖3 外側打樁的坐底式導管架基礎示意

外側打樁方案通過導管架自身的柱套筒定位，無需設置水下打樁定位架，且樁長較短，無需接樁。但海上窗口期有限，施工海域波浪較大，導管架自穩存在一定風險，且部分工序需水下作業，如水下送樁、水下灌漿。

新建海上測風塔基礎結構采用四樁導管架，鋼管樁直徑為1.6 m，長度為73.9 m，重量為80 t/根，合計為320 t；導管架底部尺寸為22.7 m×22.7 m，上部平臺為10.2 m×10.2 m，高度為50.9 m，重量為380 t；鋼管樁與導管架連接段采用灌漿連接。

4 四樁導管架基礎施工技術

4.1 施工準備

測風塔施工的各項工序均需考慮外海海域的大風、大霧、海浪等條件，應做好施工前的準備，包括適合測風塔施工時段的調查、施工設備資源的投入、施工工藝的確定、對現場施工環境的認識等。

4.1.1浮吊船拋錨就位

工作母船利用DGPS設備，在測風塔建設位置附近進行拋錨就位，同時根據現場海流方向及風向情況進行船位設計(如圖4所示)。

圖4 工作母船拋錨位置示意

4.1.2船機設備

導管架基礎施工船舶設備包括工作母船為1700T全回轉浮吊船“德瀛”，拋錨船為“北海救131”，拖船為“東海救131”，運輸駁船為“振新8”，警戒船為“新港拖6”。

浮吊船總長為115 m、型寬為45 m、型深為9 m、滿載吃水10 m，具有較強的抗風浪能力。浮吊船主鉤起吊能力1 700 t，副鉤起吊能力200 t，起吊高度超過80 m，滿足此次吊裝作業。

4.2 基礎施工流程

浮吊船拋錨就位→地貌調查→導管架定位安裝→鋼管樁沉樁→水下灌漿→完成測風塔基礎安裝。鋼管樁采用液壓錘擊法沉樁。

4.3 樁基施工工藝

4.3.1導管架沉放

導管架安裝流程：運輸駁船靠泊工作母船→主鉤連接導管架頂部平臺吊耳→拆除運輸固定工裝→導管架起吊懸空→駁船駛出→導管架下沉→導管架坐底→施工測量→解鉤。

導管架6月4日07:00起吊，11:50坐底完成，整個安裝過程歷時近5 h。導管架下沉過程中，利用工作船自帶的定位系統進行實時監測，及時調整導管架中心位置和結構自身姿態。安裝完成經過測量，導管架定位中心距、方位角及導管架自身的水平度均滿足設計要求(如圖5所示)。

圖5 導管架完成坐底示意

4.3.2鋼管樁施工

施工流程：運輸駁船靠泊工作母船→吊樁→鋼管樁反正→定位插樁→潛水員下水輔助插樁→鋼管樁套入導管架套筒→解鉤→插對角樁→錘擊沉樁→至設計標高后停錘→沉樁結束→進行剩余鋼管樁插樁沉樁作業。施工區域風浪較大，為防止導管架及鋼管樁傾覆，采取先對角插樁后沉樁，再進行剩余2根鋼管樁插樁沉樁作業，即1#樁插樁→3#樁插樁→1#樁沉樁→3#樁沉樁→4#樁插樁→2#樁插樁→4#樁沉樁→2#樁沉樁，其中樁位編號見圖4。

6月4日18:40進行1#樁插樁，6月6日05:50 鋼管樁沉樁全部完成，沉樁數據見表3所示。因水下定位插樁采取潛水員水下引導的方式，受風浪條件影響，潛水員只能在風浪流相對均衡的平潮期內下水作業，若在平潮期內未能完成引導定位工作，只能等待下一個平潮期，極大增加了現場水下定位工作的難度，此次沉樁過程歷時35 h。

表3 打樁過程情況記錄

4.3.3連接段灌漿施工

施工流程：攪拌平臺搭建→水下灌漿管、灌漿封隔器氣管連接→灌漿封隔器充氣密封→泵送灌漿料→水下檢查灌漿料溢出→水下灌漿管、封漿器氣管拆除。

6月8日09:15第1根樁開始灌漿，09:55完成灌漿。6月10日10:20第4根樁開始灌漿，10:58完成灌漿，每根樁的灌漿數據見表4。

表4 灌漿過程情況記錄

施工過程中發現，灌漿封堵及水下灌漿是灌漿連接的重點也是難點。一方面，在樁靴內預埋灌漿封隔器，通過充氣來封堵鋼管樁與樁靴空隙，若封堵不嚴將導致灌漿料流失；另一方面，水下灌漿質量控制難度極大，只能通過潛水員下水查看灌漿料是否溢出的方式來檢測。受水下作業時機的限制，此次灌漿施工歷時約50 h。

5 結語

針對外海海域開發建設海上測風塔缺乏成熟施工經驗的問題，總結長樂外海海上測風塔基礎施工經驗，探討外側打樁四樁導管架基礎在外海海域的施工工藝，得到如下結論：

外海的施工窗口期極短，且不連續，加大施工設備資源投入，尤其是船機設備，提高抗風浪能力，可適當延長施工窗口期，保證施工方案可靠、安全實施。

外海海域僅平潮期風浪流條件相對均衡，適合開展水下作業。但平潮期時間短暫，且時間間隔較長，對外海施工效率影響較大。因此，應盡量減少水下作業。