吸力桶基礎安裝監測技術在海上風電施工中的應用

趙陽

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-5570

摘? 要：在我國新能源大發展背景下，海上風電發展突飛猛進，吸力筒基礎具有安裝快速、便于拆裝等優點，在海上風電建設中引入使用。本文以海上風電建設中吸力桶沉放為例，在桶基礎沉放過程中，對桶基礎內外壓差、實時空間位置、貫入深度（速度）、傾斜度監測，并為吸力桶基礎吊裝等施工人員提供實時監測數據。采用高精度GPS、傾斜儀、測深儀、壓力計和流量計組合進行風電吸力桶沉放過程數據實時監測。

關鍵詞：海上風電? 吸力桶基礎? 沉放? 監測

中圖分類號：TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0033-03

Application of Suction Bucket Foundation Installation Monitoring Technology in Offshore Wind Power Construction

ZHAO Yang

（Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering? Co.， Ltd.， Tianjin， 300456? China）

Abstract： Under the background of the great development of new energy in China， offshore wind power is developing rapidly. Suction tube foundation has the advantages of fast installation and easy disassembly， which is introduced into the construction of offshore wind power. In this paper， the suction bucket sinking in offshore wind power construction is taken as an example. In the process of bucket foundation sinking， the internal and external pressure difference， real-time spatial position， penetration depth （velocity） and inclination of the bucket foundation are monitored， and the real-time monitoring data are provided for the construction personnel of suction bucket foundation lifting. The combination of high-precision GPS， inclinometer， depth sounder， pressure gauge and flowmeter is used for real-time monitoring of wind power suction bucket sinking process data.

Key Words： Offshore wind power; Suction bucket foundation; Sinking; Monitoring

在我國新能源大發展背景下，海上風電發展突飛猛進，我國風電行業迎來了安裝熱潮。2020年，中國海上風電新增裝機3.06GW，同時在中國沿海（包括臺灣）有約5.12GW海上風電正在施工建設[1]。

吸力筒基礎是近年發展起來適用于淺覆蓋層海床地質的一種基礎形式，憑借環境友好、安裝快速、便于拆裝等優點，2020年在國內海上風電領域投入使用，相對于傳統的固定式樁基礎安裝作業，建設成本相對較低，安裝時間短，應用范圍廣 ，具有廣闊的應用前景。但海上風電基礎需要克服來自風電機組和環境荷載25年的循環載荷作用，而且海上風電基礎的平整度要求更高，因此施工過程中的沉放姿態監測、桶基礎精準就位等多個階段都離不開實時監測數據的支持[2]。本文從吸力筒基礎安裝監測參數、傳感器選配集成、施工監測等方面入手，結合作業實踐，探討了吸力桶基礎應用于海上風電安裝過程中監測的方法。

1? 風電吸力桶基礎施工監測

1.1 吸力桶基礎施工監測

1.1.1 吸力桶施工監測步驟

如圖1所示，吸力桶基礎施工監測步驟為：（1）沉放區域海底狀況掃測，工區整平;（2）主施工船、駁船進場;（3）桶基礎吊裝及沉放安裝監測;（4）安裝后結果復測;（5）施工船舶轉場。

1.1.2 吸力桶施工監測內容

吸力筒基礎安裝監測是本文主要研究部分，通過對該部分工作環節進一步細化，主要包括筒體憋氣、筒底觸泥、自沉入泥、抽水入泥、安裝復核等環節[3]。

（1）筒體憋氣。筒基礎入水后通過GPS、全轉儀實時監測導管架水平度、絕對位置、方位角，與設計位置偏差較大，則通過浮吊船移船或起落變幅進行調整。

（2）筒底觸泥。通過測深儀監測筒入水深度判斷筒底是否接觸泥面，當筒底接觸泥面時，甲板操作人員同時打開四個氣管的閥門，筒內被壓縮的氣體將被快速釋放，起重指揮人員控制吊鉤配合下放，確保水平度滿足要求[4]。

（3）自沉入泥。觸泥后，吸力筒導管架通過自重下沉入泥。整個下沉過程中，采用傾斜儀實時監測導管架水平度，若水平度偏差過大，則適當通過不同起落不同鉤頭來調整水平度，直至導管架自沉停止。在下沉階段，當筒體貫入到不同土層時，需要不同的貫入速度，因此需要對筒體貫入速度進行監測。

（4）吸力入泥。當自重無法保證吸力筒繼續下沉時，筒基礎上水泵開始抽水，產生吸力。吸力筒繼續下沉，整個下沉過程與之前過程類似，測量設備實時監測導管架水平度，若水平度偏差過大，則通過控制水泵不同頻率達到流量不同的目的以對水平度進行調整，直至基礎下沉至設計標高。

（5）復核監測。吸力筒導管架基本安裝到位后，對基礎的水平度（含法蘭水平度）、絕對位置、方位角及高程等數據的進行符合監測。

1.2 桶基礎施工監測設備選配

根據對筒基礎安裝監測環節分析，筒基礎在安裝期間主要監測內容包括5個方面：筒內外壓差、實時空間位置、貫入深度（速度）、傾斜度、周圍土力學參數[5]。

實時空間地理位置采用能在海上獲得高精度的GPS接收機，平臺傾斜度采用高靈敏度的傾斜儀，貫入深度采用測深儀或高度計，筒內外壓差采用壓力傳感器監測，同時采用流量計監測筒內抽水量，分析水頭變化，在筒基礎周邊土體貫入孔壓傳感器等土力學監測設備，筒基礎安裝期間周圍土層力學性質變化，使用全站儀獲得了各傳感器在吸力筒基礎的安裝位置。

1.3 桶基礎監測系統

對監測所涉及的傳感器進行數據格式和通訊協議解析，位置傳感器主要包括衛星定位系統、姿態儀、計程儀、測深儀等，主要用于提供吸力筒基礎位置信息;施工環境傳感器主要包括壓力計、流量計、土孔壓傳感器等[6]，主要提供施工過程中周圍環境的各種信息。采用C#編程語言和WPF界面引擎對軟件系統進行了開發，通過施工局域網絡構建，實現數據實時顯示。

2? 應用實例分析

本文結合某工程實踐——吸力桶導管架安裝監測工程，對吸力桶基礎定位定向、姿態監測、筒內外壓差、下沉深度、水泵排水量等實時監測，并對安裝施工完成后，導管架的最終位置、艏向和平整度進行了檢測。主要儀器包括8套壓力傳感器、5套流量計、4臺測深儀、1臺傾斜儀和1套衛星差分全球定位系統（DGPS）。本次監測吸力桶導管架中心的絕對位置允許偏差≤±200mm;高程允許偏差0～-500mm;調平后吸力桶導管架頂部法蘭水平度偏差≤±3‰;吸力桶導管架整體方位角允許偏差≤±2.5°;安裝結束后，須進行位置、水平度、法蘭頂高程的復核。

作業中根據前期標定GPS位置與導管架中心及樁腿的相對位置關系，通過GPS獲取位置信息可以推算出導管架中心位置即艏向。通過GPS及導管架姿態數據，實時計算導管架基礎平臺各點位高程值。使用筒外壓力傳感器，測量壓力傳感器至水面的距離;使用測深儀，實時測量測深儀至海底的距離。根據壓力傳感器、測深儀、吸力桶相對位置關系，推算該吸力筒處實時水深數據（見圖2）。

根據每個吸力筒上測深儀實時測量得出吸力筒頂面距離海底距離，根據距離變化計算得出吸力筒下沉速度。通過筒內外壓力傳感器實時計算吸力筒內外壓差。流量計負責計算抽水流量。在導管架沉放過程中，通過安裝于導管架頂部姿態傳感器實時測量導管架姿態值。

吸力筒基礎安裝后進行位置復測，吸力筒基礎整體偏東南約0.18m，滿足業主安裝精度要求，吸力筒基礎實際安裝艏向誤差小于±2.5°，符合設計精度要求;吸力筒基礎法蘭面實測1985高程比設計低0.08m，符合設計精度要求。

吸力筒基礎安裝后水平度復測，根據實際測量值，吸力筒基礎法蘭面最大值和最小值差為5mm，中心法蘭外徑6.5m，水平度為0.8‰，滿足安裝精度（小于±3‰）的要求。

3? 結語

吸力筒在線監測技術，實現吸力筒基礎安裝過程中的各項監測參數實時數據顯示，相對于傳統的固定式樁基礎安裝作業工期，有效縮短海上風電基礎安裝時間，且部分傳感器在筒基礎安裝結束后可進行拆除轉移，實現了設備的多次重復利用。經實踐檢驗，該技術對吸力桶基礎沉放有較高的適用性，能為風電吸力桶基礎施工提供圖形及數字信息。

參考文獻

[1] 郭新杰，黃炳南.海上風電鋼管樁斜樁基礎嵌巖施工技術[J].中國港灣建設，2020，40（8）：63-67.

[2] AhmadIshfaq（伊法）.吸力筒多筒基礎優化設計數值模擬研究[D].南京：東南大學，2019.

[3] 全球首例：8MW風機采用吸力筒型基礎結構[J].電力勘測設計，2017（2）：71.

[4] 高本金，郝軍.吸力筒型基礎海上拆除技術[J].中國港灣建設，2017，37（1）：50-53.

[5] 范榮山，張健.深水導管架在海上風電項目的施工方法探討[J].水電與新能源，2020，34（9）：32-35.

[6] 王曉強.樁-筒組合基礎水平承載機理及風機模態數值模擬研究[D].杭州：浙江工 業大學，2020.