大連海上風電單樁抗冰錐結構灌漿施工研究

孫烜，王強，李孟超，鐘茗秋，黃祥聲

（1. 中交港灣（上海）科技有限公司，上海200032；2. 中國長江三峽集團公司福建分公司，福州350003；3. 福建省新能海上風電研發(fā)中心有限公司，福州350108）

海上風能是一種分布廣泛的清潔能源，有著廣闊的應用前景，也是促進我國能源轉型、實現(xiàn)經濟可持續(xù)發(fā)展的重要推力。在經歷“十二五”期間的技術探索和市場示范后，“十三五”期間，國內海上風電市場迎來爆發(fā)式增長，截止到2017 年8 月，我國已經開工投建的海上風電項目共計19 個，總裝機量合計4.799 GW，分別位于江蘇、福建、浙江、廣東、遼寧等附近海域。計劃到2020年，開工建設10 GW，確保建成5 GW［1-8］。

大連某海上風電場項目，屬于高緯度海域，每年冬季都會出現(xiàn)不同程度的冰凍，而海冰會對風機的結構和安全運營造成重要的影響［9-10］。為防止海冰對單樁結構造成影響，設計在國內首次提出了單樁基礎抗冰錐結構。從外觀看，抗冰錐由正、倒錐組合而成。冰力由冰的抗彎強度控制，當浮冰撞擊在上錐或下錐時，浮冰發(fā)生彎曲破壞，這樣就可以充分地借助錐體結構減小冰力［11-12］，如圖1 所示。在冰期可以有效抵御浮冰的侵襲，保護樁身的安全。

本研究通過大連某海上風電項目單樁抗冰錐灌漿連接的工程實踐，總結單樁抗冰錐灌漿管路設計、抗冰錐結構安裝、抗冰錐灌漿封堵、抗冰錐灌漿材料研發(fā)應用、抗冰錐施工質量控制與檢測等技術要點，總結形成單樁抗冰錐結構特有的灌漿連接工藝。

圖1 抗冰錐破壞冰力示意圖Fig.1 Ice-force failure by icebreaking cone structure

1 抗冰錐灌漿簡介

根據(jù)設計圖紙，鋼管樁外徑5.5 m，抗冰錐鋼管內徑5.7 m，對抗冰錐與鋼管樁之間的寬度為0.1 m 的環(huán)形空間進行灌漿施工。灌漿連接段標高位于-4.30 m～+4.90 m，平均海平面以下灌漿高度約4.28 m。每個環(huán)空灌漿料理論用量大約16.35 m3，應一次灌注完成?？贡F結構圖及灌漿部位如圖2所示，實物如圖3所示。

圖2 抗冰錐及灌漿部位結構示意圖Fig.2 Icebreaking cone and grounting structure

圖3 抗冰錐實物圖Fig.3 Icebreaking cone

2 灌漿材料

根據(jù)設計文件要求，抗冰錐連接段灌漿料必須具備大流動性、高早強、超高強、微膨脹和抗疲勞性等技術特點。同時，為滿足水下灌漿特殊需求，材料必須具備較好的抗水分散特性；針對單個環(huán)空灌漿量較大或在氣溫較低環(huán)境下使用需求，材料既要能保證有足夠的施工時間，又要在早期（1 d）有較高的強度。具體技術要求如下：

1）最大骨料直徑≤4.75 mm。

2）初始流動度不低于290 mm，30 min 流動度保留值不低于260 mm。

3）灌漿材料應為無收縮材料。

4）灌漿材料泌水率為0。

5）試件1 d 抗壓強度≥50.0 MPa；3 d 抗壓強度≥75.0 MPa；28 d抗壓強度≥100.0 MPa。

6）試件28 d 抗折強度≥13.5 MPa，28 d 彈性模量≥50 GPa。

為此，本工程采用中交港灣（上海）科技有限公司自主研發(fā)的優(yōu)固特?SKG-V 高強灌漿料。該產品由特種水泥、超細礦物摻合料、納米微粉和復合膨脹劑等組成的膠凝材料與優(yōu)質天然高強石英砂、高效減水劑、聚合物和其他各類化學改性劑組成的干混材料。產品主要性能如表1所示。

3 灌漿施工

3.1 灌漿前期準備

灌漿施工前的準備工作包括灌漿設備上船安置，灌漿料存放與保護，設備檢修與標定，灌漿人員技術培訓，灌漿接口的制作與加工等，以及設備就位后對灌漿管線的連接等。根據(jù)海上風電灌漿經驗，灌漿前必須確保兩個灌漿技術要點，一是灌漿底部封堵措施到位確保灌漿時不漏漿，二是灌漿前必須采取措施確保需要灌漿的結構內外鋼管臨時固結無相對位移。

表1 優(yōu)固特?SKG-V高強灌漿料性能指標Tab.1 Properties of ugrount?SKG-V high performance grounting material

3.2 灌漿設備

針對該項目，中交港灣（上海）科技有限公司專門定制了集裝箱小型一體化專業(yè)灌漿設備，如圖4所示。內部集成了2臺5.5 kW 功率的攪拌機，2套進水設備，灌漿管線，一臺主灌漿泵為活塞泵，輸出能力100 L/min，另配備一臺備用泵，同時集成了上水、卸料和泵送控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作能力為3～4 m3/h。

圖4 中交港灣（上海）科技有限公司集裝箱小型一體化專業(yè)灌漿設備Fig.4 Small-scale integrated grouting equipment of CCCC Harbour（Shanghai）Science and Technology Co.，Ltd.

3.3 灌漿工藝及流程

單樁抗冰錐結構灌漿工藝流程主要包括灌漿管線的連接、潤管料漿體制備、潤管、灌漿料漿體制備、灌漿、溢漿、壓力屏漿和設備的清洗：

1）灌漿掛線的連接：灌漿施工船就位后，采用快速接頭連接的方式，將灌漿軟管與抗冰錐結構灌漿口連接。

2）潤管：在泵送灌漿料漿體前，使用專用潤管料對灌漿泵和灌漿軟管進行潤滑。潤管料漿體流動度320～350 mm，潤管結束后進行灌漿作業(yè)。

3）灌漿料制備：施工時噸包通過吊機起吊，利用破袋器自動破袋后加水攪拌制作漿體。根據(jù)材料使用說明，現(xiàn)場施工時用水量87 kg/t、攪拌時間5～7 min，控制灌漿料漿體初始流動度滿足設計要求不小于290 mm。

4）泵送壓漿：為確保單個環(huán)形空間一次性灌注完成，兩臺攪拌機同時制備漿體，交替為灌漿泵喂料，泵送壓漿持續(xù)進行。通過控制漿體制備速度、攪拌機卸料速度與泵送速度的控制，使泵送壓漿的速度始終維持在連續(xù)不斷勻速泵送。當實際用量接近理論用量時，控制泵送速度，觀察溢漿孔，直到溢漿后停止泵送壓漿。

5）灌漿停止：判斷環(huán)空內漿體是否完全灌滿需要同時滿足以下條件：一是實際泵送用量超過理論計算用量；二是觀察確認環(huán)空頂部溢漿。溢漿后停止泵送，靜置14～16 min 后，進行壓力屏漿。所謂壓力屏漿是采用低流量、低泵速進行二次灌漿，壓力屏漿結束后灌漿結束。

3.4 施工工效

2017年完成的兩臺抗冰錐灌漿作業(yè)，采用了小型設備進行施工，2018年在此基礎上定制了集裝箱小型一體化專業(yè)設備。理論施工工效、2017 年及2018年實際施工工效如表2所示。

表2 施工工效分析Tab.2 Analysis of construction efficiency

2017年施工時，現(xiàn)場氣溫低，適當延長了攪拌時間，且采用起重船大吊機進行施工，速度慢、上料準確性差，需7 h左右才能完成一個機位的施工。2018年的集裝箱小型一體化專業(yè)設備，對灌漿泵升級，系統(tǒng)集成供水系統(tǒng)，施工現(xiàn)場配備了履帶吊，工效比2017 年提高了1 倍，每小時可灌漿10 t，完成一個機位的灌漿作業(yè)大約在4 h左右。

3.5 現(xiàn)場檢測與質量控制

現(xiàn)場檢測是灌漿施工質量控制的重要環(huán)節(jié)。為確保灌漿質量得到有效控制，在每個環(huán)形空間灌漿施工的開始、中間和結束前對材料取樣測試。施工過程現(xiàn)場檢測指標和檢測頻率見表3。

表3 現(xiàn)場檢測項目及頻次表Tab.3 Test items and frequency on site

3.6 三方送檢測試結果分析

灌漿施工時，現(xiàn)場測試與留樣試塊抗壓強度測試結果見匯總表4和圖5。上述試驗結果說明采用SKGV高強灌漿料在外海工況條件下，灌漿料性能滿足單樁抗冰錐灌漿連接設計和施工技術要求，不僅和易性、可泵性好，并且具有充裕的可工作時間，硬化漿體力學性能優(yōu)異，具有高早強和超高強的特點。

表4 灌漿料現(xiàn)場檢測試驗結果匯總Tab.4 Summary of grounting material test results on site

4 單樁抗冰錐灌漿技術難點及解決措施

4.1 抗冰錐結構安裝

本項目是單樁抗冰錐結構國內首次使用，設計和施工缺乏經驗。由于抗冰錐自身重力小于浮力，首個抗冰錐安裝后未進行固定，位置及角度產生了變化。為解決該問題，采用候潮作業(yè)的方式，在低潮位安裝抗冰錐，依靠抗冰錐自重使抗冰錐底部環(huán)板與樁身環(huán)板緊貼，并在抗冰錐頂部一周焊接上壓板固定，防止抗冰錐隨潮水上浮。上壓板固定見圖6。

圖5 各樁位28天抗壓強度測試結果Fig.5 28-day compressive strength of each pile position

圖6 上壓板固定Fig.6 Hold-down plate fixation

圖7 抗冰錐灌漿管路示意圖Fig.7 Ice cone grounting pipeline

4.2 灌漿材料選擇

灌漿連接在抗冰錐結構服役期內需要承受冰錐結構傳遞的各種復合荷載作用，對灌漿料硬化漿體力學性能和耐久性要求很高，抗冰錐特殊的灌漿工況以及水下灌漿施工條件對材料施工性提出較高的技術要求。本工程選用的優(yōu)固特?SKG-V 高強灌漿料滿足上述特殊要求，現(xiàn)場檢測與留樣試塊的三方送檢試驗結果表明材料各項性能指標滿足北方抗冰錐結構灌漿設計與施工要求。

圖7（續(xù)） 抗冰錐灌漿管路示意圖Fig.7（Cont.） Ice cone grounting pipeline

4.3 灌漿管路設計

單樁基礎抗冰錐結構是特殊的新結構，灌漿管路設計（包括灌漿管線尺寸、灌漿管路走向排布、灌漿孔位置數(shù)量設計、灌漿管線數(shù)量以及預制灌漿管線與灌漿軟管的對接等）影響灌漿連接實施。根據(jù)海上風電灌漿經驗，灌漿管線必須包括有主灌漿管線和備用灌漿管線，本項目共設計了兩個主灌漿管路，1個備用灌漿管路。如圖7（a）、（b）和（c）所示。

圖7（a）中，①#為主灌漿管線，布設在抗冰錐對角的位置，從抗冰錐底部引出，為低位灌漿管線，灌漿管的另一端延伸到水面標高以上位置，施工時采用快速接頭與灌漿軟管相對接。②#為備用灌漿管線，從抗冰錐中間部位引出，為高位灌漿管線，若施工過程中發(fā)現(xiàn)主灌漿管路無法正常使用，則可采用備用管線進行灌漿。備用管線設置在主灌漿管線旁，方便將灌漿軟管從主灌漿管轉接至備用管。

4.4 灌漿封堵

灌漿封堵是海上風電灌漿尤其是水下灌漿質量的重要影響因素。本項目結構具有特殊性，單樁上設有裙板，抗冰錐安裝就位后抗冰錐結構底部的裙板與單樁環(huán)板貼合，灌漿封堵通過抗冰錐裙板和單樁環(huán)板之間設置一圈三元乙丙環(huán)型橡膠板實現(xiàn)。封堵結構如圖8所示。

圖8 灌漿封堵設計Fig.8 Design of grounting plugging

在灌漿前，潛水員下水檢查抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板之間的橡膠封堵情況，并通過水下焊接將抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板焊接固定，確保環(huán)空灌漿時抗冰錐與鋼管樁之間無相對位移。若存在橡膠破損缺失、滲漏面積不大的部位，采用塞土工布的方法進行封堵。檢查完畢后才能開始灌漿。灌漿過程中潛水員定期下水對環(huán)縫進行檢查，對滲漏點進行封堵。

5 結 論

本項目是國內首個單樁抗冰錐灌漿連接施工。在抗冰錐灌漿施工過程中，通過技術論證和工程實踐，總結單樁基礎抗冰錐灌漿連接施工的關鍵技術，歸納技術要點如下：

1）抗冰錐安裝采用候潮作業(yè)方式在低潮位安裝抗冰錐并通過上壓板固定。

2）灌漿封堵設計是灌漿施工中的關鍵措施，灌漿前潛水員水下檢查抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板之間的橡膠封堵情況，并通過水下焊接將抗冰錐底部裙板與鋼管樁環(huán)板焊接固定，確保環(huán)空灌漿時抗冰錐與鋼管樁之間無相對位移。灌漿管路設計總體采用兩個主灌漿管路和一個備用灌漿管路，灌漿管線引到水面以上采用快速接頭與橡膠軟管對接，灌漿管路設計合理，灌漿施工方便，效果可靠。

3）材料采用中交港灣（上海）科技有限公司自主研發(fā)的優(yōu)固特?SKG-V 高強灌漿料，產品流動度、強度、豎向膨脹率指標完全滿足設計要求，現(xiàn)場檢測與三方送檢試驗結果表明材料各項性能指標滿足要求。半噸包裝灌漿材料和自主研發(fā)的集裝箱小型一體化專業(yè)灌漿專用設備施工，在4 h 內完成16.35 m3，灌漿工效滿足工程要求。