海上風電場單樁基礎防沖刷施工技術

雷 傳，范肖峰，葉兆藝，張震宇

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3. 浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

海上風能是海洋資源中具有商業發展潛力的清潔能源。我國《風電發展“十三五”規劃》特別強調繼續大力開展沿海省份的海上風電項目。目前，由于大直徑單樁基礎具有樁基承載性能優越及施工便捷等優點，已經被廣泛的使用于海上風電工程，并成為首要選擇[1]。海上風電單樁基礎會受波浪流的影響，在樁基周圍形成渦流，使得樁基周圍的土體發生局部沖刷，從而影響土體的力學特性及樁基的穩定性。國內外很多學者也開展了相關的研究[2-8]。比如，魏凱等[2]開展了潮汐流作用下的單樁基礎模型局部沖刷試驗及防沖刷研究。袁建中[3]基于江蘇某海上風電項目，對海上風電單樁基礎的多種防沖刷方案開展了對比分析研究。因此，采取合適的防沖刷措施，阻止樁基土體的局部沖刷，是海上風電工程亟需解決的重要問題。

1 工程概況

江蘇某海上風電場工程位于江蘇近海海域，場區中心離岸距離約32 km。場區呈長方形，南北長約8 km，東西寬約5 km，場區規劃面積約40 km2，安裝42臺單機容量6 MW的風電機組，總裝機容量為252 MW，水深在6～13 m之間。風電場風機機位平面布置如圖1所示。

圖1 風電場風機機位平面布置圖

2 海洋水文及工程地質

2.1 水文特征

本工程位于江蘇近海輻射沙洲區域，受輻射沙洲區潮波輻聚作用影響。本海域正西方向有呂四海洋站，具有1959年至今潮位資料，工程場區100年一遇高、低水位分別為4.03、-2.92 m，50年一遇高、低水位分別為3.84、-2.85 m。場區內風電場區的設計潮位取值為(1985國家高程基準)：波浪的季節變化主要受季風影響，秋季是全年風浪盛行的季節，最大波高出現在8月份，達到3.89 m，5月份最小值0.44 m。受輻射沙洲灘槽相間的地形特點影響，大多數潮流通道內的測點潮流主要為往復流形態，潮流橢圓長軸與水道走向基本一致。根據各站潮流與潮位的變化過程可以看出，測區水域潮波基本具有駐波性質，最大流速基本出現在半潮面時刻，而轉流時刻則大致在高平和低平時刻，此時流速最小。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09 m/s之間。可能最大流速最大值為1.09 m/s。測區夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33 m/s之間。可能最大流速最大值為1.33 m/s。

水體的含沙量的變化受制于地形、潮流、徑流、波浪、水深、風速和底質等諸多因素，不同海域的含沙量有較明顯的變化。冬季大潮期含沙量的變化范圍為0.438～0.486 kg/m3，平均含沙量為0.458 kg/m3；夏季大潮期含沙量的變化范圍為0.192～0.362 kg/m3，平均含沙量為0.262 kg/m3。

2.2 地質特征

海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。場區內地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。根根據鄰近場區勘察成果，場區地層自上而下分述如下：①層粉砂，為新近沉積土，灰黃色，松散～稍密，局部夾粉土，含有機質及云母碎屑。該層全場分布，層頂標高-14.45～-12.30 m，層厚2.40～3.00 m。②層淤泥質粉質粘土，灰色，流塑，局部夾薄層狀粉砂，含少量云母、貝殼碎屑。該層全場分布，層頂埋深 2.40～3.00 m，層頂標高-17.45～-14.70 m，層厚11.00～13.70 m。②層粉質粘土夾粉砂，灰、灰褐色，軟塑，局部流塑，局部夾團塊狀粉砂，含少量云母、貝殼碎屑。該層全場分布，層頂埋深13.40～16.50 m，層頂標高-29.10～-25.70 m，層厚3.90～7.60 m。③層粉砂，灰色，中密，局部稍密，局部夾層狀淤泥質粉質粘土，含云母、貝殼殘體。該層全場分布，層頂埋深 19.00～30.00 m，層頂標高-42.60～-33.00 m，層厚 4.60～12.30 m。

3 樁基沖刷現場勘測情況

截止2020年9月8日～2020年9月11日監測前，共有13臺風機已沉樁，本次共對12臺單樁風機基礎周邊半徑50 m范圍內海底底質及沖刷溝發育情況監測，H3-39號風機因施工船只停靠未測。本次所測12臺單樁基礎周邊海底地形均存在不同程度的沖刷現象。

1)相對設計高程最大坑深。距風機中心半徑23 m范圍內，最大坑深范圍為0.49～6.3 m，最小、最大沖坑深度分別是H3-44號風機和H1-1號風機。最大沖坑深度大于5 m的共有2臺，風機編號分別為H1-1號和H1-24號。

2)相對設計高程沖刷量。距風機中心半徑23 m范圍內，沖刷量范圍為2 079～5 415 m3，平均沖刷量為3 689 m3，最小、最大沖刷量分別是H3-23號風機和H1-1號風機。

3)相對設計高程淤積量。H3-44號風機相對設計高程有淤積趨勢，距風機中心23 m范圍內淤積量為1 015 m3。根據2020年9月的測量報告，去除最大、最小沖刷坑，計算得出平均沖刷方量約為3 402 m3，本次共134根風電樁基，合計45.6萬m3。典型沖刷情況如圖2所示。

圖2 風機基礎周邊地形監測三維圖(最大沖刷量)

4 風機基礎防沖刷施工技術

4.1 設計方案

根據設計圖紙及現場每根樁基的實際沖刷測量數據，采用復合吹砂袋和固化土相結合方法施工，先采用編織復合布充填袋裝砂(小砂袋尺寸1.5 m×1.5 m×0.4 m小袋型式；小袋裝砂由230 g/m2聚丙烯編織布和150 g/m2聚酯短纖無紡布復合而)進行沖刷坑回填防護，再采用標準固化土吹填約2 m，自然流淌至防護圍，標準固化土吹填完成的灘面標高與周邊平均海床面高程相差不宜大于1.5 m。形成一個整板固化土抗沖刷樁基護底結構。圖3為樁基固化土沖刷防護平面圖，圖4為固化土抗沖刷設計斷面圖。單樁基礎受波浪流的影響，在樁基周圍形成渦流，采用固化土沖刷防護平面后，一方面增加了土體的力學性質，另一方面覆蓋了樁基的土體，從而可以改變樁基周圍的渦流形態，有效的防止樁基周圍的土體發生局部沖刷，提高樁基的穩定性。

圖3 固化土沖刷防護平面示意圖

4.2 技術標準

實驗室前期依據淤泥類型和含水率、聚合力、抗沖刷等設計要求的指標進行確定。袋裝砂回填完畢后再在上部吹填標準固化土，固化劑摻量為160 kg/m3，形成貼合海床緊密的整版結構，抵抗海底水流沖刷。本工程測區潮流最大底層流速1.33 m/s，樁身周邊最大流速約為海底最大流速的1.5倍，為1.995 m/s，考慮富余，固化土抗沖刷能力設計為可以抵抗4 m/s以上流速的水流沖刷。標準固化土質量標準要求如表1。

4.3 袋體制作與施工

本工程在現場設置土工織物加工廠，滿足本工程各類土工布袋加工制作，配置相應的加工設備。①土工織物袋可根據填筑尺寸在現場加工制作加工成型；砂袋縫縫或拼縫宜采用“包縫”或“丁縫”，縫縫處折疊三道，折疊寬度5～10 cm，袋的縫制做到疊接到位，線腳順直，均勻牢固，本工程砂袋規格尺寸為5 m×6 m×0.4 m(寬×長×高)，根據施工需要，設置多種砂袋規格。②根據本工程情況土工織物袋上表面設置袖口，5 m×6 m×0.4 m(寬×長×高)砂袋設置一個充填袖口一個排水袖口，袖口伸出砂袋表面長1 m，采用230 g/m2機織布，袖口與砂袋縫制要求連接平順緊密，避免砂袋充填時袖口損壞跑漿。③土工織物袋在運輸、儲存和施工過程中，均不能長期暴露在太陽光下，以免老化變脆、強度降低。特別是在施工中，上一層袋體不能及時充填覆蓋，坡面未及時相應鋪護時，應及時覆蓋和保護。袋裝砂施工工藝如圖5所示。

圖5 袋裝砂施工流程圖

4.4 施工前的掃測

施工前必須對單樁基礎沖刷進行地形掃測，掃測采用多波束雙頻測深儀掃測成圖，為吹填工程量、現狀地形、灘涂標高差、海纜路由圖等提供精確數據。掃測時選擇天氣晴好、無風浪、無波浪的時段，并嚴格計算出潮高和潮低時(掃測結果由甲方提供)。確保航行通暢和船舶設備正常運行。對淺水區進行實際水深探測，做好水深警示標記。對海圖上未標注的實際存在的海底管線及已敷設海纜路由均需與相關部門聯系，取得實際路由GPS坐標，對施工船舶進行交底，確保拋錨避開該區域，做好成品保護。

4.5 機械設備準備

根據本工程施工進度的總體安排，投入本工程的大型船機設備依托我公司的船機設備資源，并借助長期合作方的優勢資源。船機設備的配備符合本工程的施工特點，船舶的抗風浪能力和防走錨能力滿足施工海域的需求；施工設備數量滿足本工程施工進度需要；拋、移錨時間較長且只能在白天進行，爭取在較小的情況下一天完成一根基樁防護。

本工程拋投船舶為金馬工1199鋪排船，并配備1艘吸沙船，1艘3 000 m3深倉運砂船。鋪排船正常配備4套6PNL-20型神龍泵，直接鋪排船上將泥漿泵吊放入深倉駁內將抽出進行砂袋充填，充砂完成后打放下滑板進行拋投，如此往復循環。根據以往施工經驗，鋪排船每天能完成1 500 m3的拋砂袋量，考慮到拋砂袋施工受潮汐影響，風浪、現場施工船舶相互影響等因素，施工效率按照30%計算，袋裝砂拋填施工每天能夠完成450 m3，因此，配備1艘鋪排船可以滿足每天拋袋裝砂319 m3的要求。

3 結 語

以江蘇某海上風電工程為例，對單樁基礎防沖刷工藝及關鍵技術進行研究，主要結論如下：

1)本次所測12臺單樁基礎周邊海底地形均存在不同程度的沖刷現象：相對設計高程最大坑深距風機中心半徑23 m范圍內，最大坑深范圍為0.49～6.3 m，計算得出平均沖刷方量約為3 402 m3。

2)采用復合吹砂袋和固化土相結合方法施工，先采用編織復合布充填袋裝砂進行沖刷坑回填防護，再采用標準固化土吹填約2 m，自然流淌至防護圍，形成一個整板固化土抗沖刷樁基護底結構。

3)施工前必須對單樁基礎沖刷進行地形掃測，掃測采用多波束雙頻測深儀掃測成圖，為吹填工程量、現狀地形、灘涂標高差、海纜路由圖等提供精確數據，確保航行通暢和船舶設備正常運行。