海岸灘涂風電場建設工程保障策略探討

李志剛，鄭 峰，肖 斌

(解放軍理工大學工程兵工程學院野戰工程系，南京 210007)

1 前言

隨著風電開發規模的擴大，陸上風電受土地資源、風資源、噪聲與環境等因素的制約越來越明顯。海上風電場建設逐漸成為可再生能源開發的新方向和新動力。但海上風電場建設的工程技術問題和陸上相比較為突出，其最主要的問題是物資和材料的運輸、基礎施工、風機吊裝及風電場運行維護。對于灘涂風電場來說，這些問題尤為突出［1］。

2 海岸灘涂風電場建設工程保障面臨的挑戰

2．1 我國東部沿海海岸灘涂資源豐富

我國東部沿海海岸灘涂資源豐富，以江蘇省鹽城市為例，該市位于江蘇沿海中部，東瀕黃海，海岸線長582 km，沿海灘涂面積45．3×104km2，其中潮上帶16．7 ×104km2，潮間帶15．3 ×104km2，輻射沙洲 12．7 ×104km2［2］。

2．2 海岸灘涂地質狀況對風電場建設、運行的影響

物料運輸、基礎施工、風機吊裝及風電場的運行維護是灘涂風電開發面臨的最為核心的四大技術難題，由于施工受氣象、水文、地質、沖刷等多種自然條件的影響，施工環境極為惡劣。風電場區在漲潮時被水淹沒，退潮時露出陸地，既不能用海上浮吊也不能使用陸上起重機械，導致常規的水陸施工設備均無法在該環境下進行施工作業。所以，潮間帶海上風電場基礎施工，需要使用專門為潮間帶環境而設計的施工工藝和施工設備［3］。

潮間帶風電場建成之后，在一日兩潮，有水無水交替的環境下長期運行。因此，對風機及基礎的運行維護存在同樣的問題。漲潮時，水淺，可用小型船只到達，但是如不能在落潮之前結束維護工作，就無法返回。當落潮時發生故障則只能動用價格昂貴的直升飛機到達。

2．3 沿海風電場建設需求

目前，我國沿海風電場建設規劃區域大都位于沿海灘涂。主要集中在兩個區域:一是位于灘涂的潮上帶或圍墾區;二是位于潮間帶和潮下帶的灘涂。以江蘇鹽城市為例，在建與規劃的沿海風電項目裝機容量共約有1 000 MW［4］，且大部分規劃項目都在工程船只不能作業的潮間帶及輻射沙洲海域。

3 海岸灘涂風電場建設及運行維護工程保障方案

3．1 潮上帶灘涂風電場工程保障方案

潮上帶灘涂風電場建設工程保障采用系列的灘涂通道構筑器材及筑路技術，一般可根據建設費用、建設工期和后期維修進入費用的比較，選用構筑永久性道路和構筑臨時通道的工程保障方案。

3．1．1 構筑永久性道路方案

在輻射沙洲上構筑永久性道路，筑路材料運輸距離遠，一次性投入較大，道路施工周期較長，永久道路及構筑施工過程對灘涂濕地的生態環境影響較大。但可采取相應的技術措施減少投入，當前技術成熟的可用于在灘涂上構筑永久性道路的工程措施為:直接對作為道路地基的灘涂采用化學固化處理，以便形成道路基礎，并對直接取于灘涂的構筑路堤的材料進行化學改性，使其適應需要。同時，利用土工合成材料對地基和路堤進行排水及加固處理，提高其在灘涂軟基上的穩定性。采取構筑永久性道路方案的灘涂風電場后期運行維護進入方式和陸上風電場相同［5］。

3．1．2 構筑臨時通道方案

構筑臨時性通道是根據灘涂風電場內風機建設位置變化的需要，利用可撤收重復使用的土工材料和通道器材構筑臨時通道。構筑臨時通道一次性投入較小，通道施工周期較短，工程完成后通道構筑器材即可撤收完畢，對灘涂濕地的生態環境影響較小。其工程措施為:當灘涂承載能力較低時，利用可撤收重復使用的土工材料直接鋪設在灘涂地基上對通道基礎進行加強，再使用由合成材料或金屬材料制造的具有一定強度和剛度的專用通道器材在經加強的地基上構筑臨時通道。也可直接使用強度和剛度較高的專用通道器材在灘涂上鋪設構筑通道。當一個風機點建設完畢，即可撤收向新的作業點重新構筑。以構筑臨時通道方案建設的灘涂風電場，在后期運行維護進入方式上，需要采用具有灘涂越野能力的特種車輛進入方案。

專用灘涂通道器材的通道模塊由具有一定強度和剛度的箱形鋼結構模塊組成，模塊能夠縱向連接接長，橫向連接加寬，可用于構筑多車道通道及軟基上的工作平臺。為了方便通道器材的運輸及鋪設作業，可將多個通道模塊預先連接成通道單元。臨時通道的構筑作業如圖1所示，通道構筑作業從硬岸至軟基灘涂進行，通道構筑由通道單元運輸車輛及作業吊車配合作業，作業時根據要求對通道單元進行連接接長及橫向加寬作業［6］。

圖1 臨時通道構筑作業示意圖Fig．1 Temporary passage construction work diagram

3．1．3 土工合成材料器材臨時通道

土工合成材料具有優良的工程特性，廣泛地應用于軟基處理。此類通道器材是以土工合成材料專門設計制造的結構物，具有重量輕、強度高、運輸鋪設施工方便的特點。土工合成材料具有隔泥透水的作用，適用于在潮水浸泡的海岸灘涂及有泥、有水的軟基上構筑通道。土工合成材料韌性大，經利用碳素纖維等構件加強后在軟基上的承載能力大大提高，可用于構筑海岸灘涂風電場建設的重載通道［7］。

3．1．4 作業點臨時施工平臺方案

根據作業點灘涂的承載力的情況，利用通道器材構筑擴大的臨時基礎施工及風機吊裝作業平臺，平臺與道路或臨時通道相連接。

3．2 潮間帶灘涂風電場工程保障方案

潮間帶灘涂風電場的建設地帶周期性地被海水浸泡，造成潮間帶灘涂地質承載力比潮上帶灘涂更低。潮間帶灘涂的接近方式有兩種:一種是當潮間帶灘涂離陸岸較近時，從陸上通過潮上帶灘涂構筑通道接近;一種是當潮間帶灘涂離陸岸較遠，且能夠從海上利用淺吃水海上運輸工具接近時，則從海上接近。潮間帶灘涂風電場建設地帶通常不適合建造永久性道路。一般來說，適合于潮上帶灘涂臨時通道的技術方案不能滿足車輛在潮間帶灘涂的通過性要求。潮間帶灘涂風電場建設及運行維護通道保障方案有以下幾種。

1)承壓浮箱通道及浮游棧橋方案。承壓浮箱是一種模塊化的浮箱器材，其主體尺度以陸上運輸車輛的最大可運輸尺度為限，在平面尺度上一般可按標準集裝箱設計，在高度上則應滿足浮箱浮游狀態工作時風電設備運輸產生的最大吃水。利用能夠坐灘承壓的浮箱器材拼組構筑的浮箱通道，在潮水降低時通道坐灘承壓，形成灘涂通道，在潮水漲高大于浮箱的靜載吃水時，浮箱通道浮起，形成浮游棧橋，浮游棧橋可向較深的海域延伸，直至能夠和淺吃水海上運輸工具相接。承壓浮箱通道及浮游棧橋方案可采用從陸上通過臨時通道構筑或從海上以浮游的方式構筑。承壓浮箱器材運輸方便、作業簡便，可根據要求拼組成任意寬度的通道或承壓浮箱吊裝平臺［8］(見圖 2)。

圖2 承壓浮箱通道及浮游棧橋方案Fig．2 The grounded pontoon passageway and the pontoon trestle support scheme

2)承壓浮箱通道與高架浮箱棧橋混合方案。高架浮箱棧橋是利用能夠坐灘承壓、浮游工作和架空工作的浮箱器材構筑，在高潮水深小于浮箱靜載吃水的區域采用能夠坐灘承壓的浮箱器材構筑通道，在高潮水深大于浮箱靜載吃水的區域利用樁腿使浮箱通道架空脫離海面，形成高架浮箱棧橋，選用高架棧橋方案可使位于深水的通道架空脫離水面，車輛在高架浮箱棧橋上通行時不受潮汐及波浪的影響(見圖3)。

圖3 承壓浮箱通道與高架浮箱棧橋混合方案Fig．3 The combination scheme of the grounded pontoon passageway and the overhead pontoon landing stage

3)固定棧橋方案。固定棧橋方案是在潮間帶灘涂風電場建設區域內建造永久性固定棧橋，為風電場提供高架的永久通道。這種通道脫離海面，車輛通行不受潮汐和波浪的影響，但工程造價高，且建造過程對潮間帶生態環境有較大的影響。

4)臨時棧橋方案。臨時棧橋方案利用拼裝式可撤收的通用器材構筑，如我國交通部門大量貯備的321型公路鋼橋及ZB200型公路鋼橋器材。這類器材專門為快速架設橋梁而設計，結構變化靈活，使用簡便，承載能力大，而且可以采用租賃的方式使用，特別適合在施工荷載大、轉場多、工期較短的情況下使用。

5)風機基礎施工及風電設備吊裝平臺方案。潮間帶灘涂風機基礎施工及風電設備吊裝平臺采用承壓浮箱平臺方案或與潮下帶風電工程平臺相同的方案，有兩種情況需要考慮。第一種情況:對于高潮位時浮箱平臺不能從海上到達的情況，可采取在通道構筑完成后，再在作業點構筑坐灘承壓式工程平臺的工程措施;第二種情況:對于高潮位時淺吃水浮箱平臺能夠從海上到達的情況，可使用與潮下帶風電工程平臺方案相同的保障方案。

6)潮間帶灘涂風電場運行維護工程保障方案。潮間帶灘涂風電場運行維護工作除固定棧橋方案以外，都是在無維護通道情況下進行的，一般的維護工作可在潮水允許的情況下用淺吃水的船只到達，也可使用直升機到達。對比較大的部件的換件修理工作，則可考慮使用具有良好灘涂通過能力的水陸兩用運輸工具。比較理想的進入方案是采用有較大運載能力的氣墊船，現有氣墊船技術已經能夠滿足風機一般配件的運輸，且氣墊船不受地形、潮汐及一般波浪的影響。直升機和氣墊船是最理想的進入工具，但費用高，可考慮采取租賃的方式使用。

以上各工程保障方案在實際工程應用中可根據工程情況綜合考慮應用，比如對于鹽城市的輻射沙洲風電場，可根據不同的灘涂條件，采用淺吃水海上運輸工具從海上接近與構筑通道接近相結合的技術方案。對有的建設區域，從陸上構筑通道接近太遠，可采用從水深允許的海上接近這一區域，再在區域內部的潮上帶灘涂內使用承壓浮箱方案構筑通道或以棧橋方案向可抵達的風機建設點輻射。

3．3 潮下帶至5 m水深海域風電場建設工程保障方案

目前近海風電場設備運輸大都采用大型船舶運輸，安裝主要采用海上起重平臺和起重船方案。國內現役的適應于海上風電場建設的大型起重船舶吃水深度基本都在5 m左右。所以，對水深大于5 m的近岸潮下帶灘涂風電場，可采用現有的運輸船舶、工程平臺或起重船進行運輸及安裝的工程保障。

對于潮下帶水深小于5 m的海域，可考慮參照移動式海上石油鉆井平臺的技術方案，從近海到深海，根據不同水深采取不同的保障策略，如圖4所示。在近岸海域，從淺海到深海，石油鉆井平臺分別采用了坐底式平臺和自升式平臺兩種形式，坐底式平臺又分 別采用了沉箱式坐底平臺和半潛式坐底式平臺［9］。

圖4 移動式海上石油鉆井平臺的形式及作業海域的水深Fig．4 Forms of themovable offshore oil platform and water depth of the working area

3．3．1 近岸海域風電場建設的自升式工程平臺工程保障方案

從已建成的海上風電場看，將自升式海洋工程平臺運用于海上風電場的運輸和安裝，是海上風電場建設最常用的工程保障手段之一。自升式海洋工程平臺由于樁腿可以自由升降，轉場和設置十分的便捷。而且工作時，平臺升離海面，能夠為安裝工作提供一個穩定的平臺，使風電安裝工作不受海況影響，符合海上風電場安裝工作要求。由于自升式海洋工程平臺樁腿可以迅速升降，而且和運輸船舶相比吃水較小，所以，自升式海洋工程平臺也可以作為近岸淺海水域海上風電場建設的運輸工具，直接運輸海上風電設備至現場并進行安裝。

用于淺海海上風電場建設的自升式海洋工程平臺由模塊化箱體拼裝而成，可根據不同的風電場建設要求拼裝成形狀不同的大面積的海上作業平臺。平臺工作時能夠自升脫離海面，通過合理地組配浮箱模塊，可使自升式海上風電場建設工程平臺的滿載吃水控制在1 m以內，從而滿足灘涂風電場建設的要求(見圖5)。自升式海上風電場平臺的基本技術原理源自海上自升式石油平臺技術，但由于海上風電場建設的特殊需求，所以，用于海上風電場建設的自升式海洋工程平臺和海上自升式石油平臺又有較大區別。首先，海上風電場建設工程平臺一般多為大面積、淺吃水平臺，由于海上風電場建設平臺工作時樁腿支起，不需要以自身的浮力支承工作荷載，自身浮力只提供轉場及移位航行時的自重荷載，所以吃水淺，特別適應于在淺水區工作。其次，由于風電場建設海域的水文及地質條件、風電場的建設條件、設備荷載的不同，對工程平臺的尺度要求不同。同時，像運輸平臺、基礎施工平臺、設備吊裝安裝平臺等工作性質不同，荷載不同，對平臺的尺度和形狀要求也不同。所以，文章提出的海上風電場建設工程平臺一般由浮箱之類的模塊化結構拼裝而成。最后，海上風電場建設工期相對較短，工程平臺需要頻繁轉場和移位，頻繁地升降。同時海上風電場安裝過程對吊裝要求高，還有各種不同的工程保障平臺，像基礎施工平臺、設備吊裝安裝平臺等，對樁腿及其控制的需求也不盡相同，所以，用于海上風電場建設的自升式海洋工程平臺對樁腿升降系統及控制系統的要求較高［10］。

圖5 用于淺海海上風電場建設自升式海洋工程平臺Fig．5 The jack － up offshore w ind farm construction p latform

1)風機整體安裝平臺。風機整體安裝是指風機在陸上全部吊裝拼組完畢，然后利用船舶整體運輸到安裝點，整體吊裝安裝。東海大橋風電場已經安裝的風機均采用了這一技術。文章提出的風機整體安裝平臺是一種吃水較小，能夠工作在近岸淺水海域的海上風機運輸及安裝平臺，平臺根據要求可配置成一次運輸安裝一臺風機(見圖6)或一次運輸安裝兩臺風機，在平臺的風機安裝端設置有安裝缺口，以利于與基礎對正和安裝。作業時，風機在岸上安裝完畢后，整體吊裝安裝在淺吃水安裝平臺的安裝控制系統及固定架上，由安裝平臺運輸到安裝點，平臺錨泊定位，調整與風機基礎上的整體吊裝軟著陸系統對正。在海況條件好的情況下，可直接浮游安裝，否則，平臺自升起安裝。松動鎖定系統，風機在固定架及安裝控制系統的控制下通過整體吊裝軟著陸系統與基礎平臺相對接完成安裝。該方案的部分關鍵技術環節已經在海上風電示范項目——東海大橋風電場建設中成功應用過［1］。方案的創新之處在于取消了海上整體吊裝過程，增加了平臺自身下落安裝控制機構，實現了風機海上無吊機安裝。

圖6 風機整體吊裝平臺方案Fig．6 The integral aerogenerator erection platform scheme

2)風機散裝吊裝平臺。風機散裝吊裝平臺由自升式工程平臺和陸上起重設備組成，應用在由于風機運輸手段所限，風機設備只能散件運輸，且風機只能散件安裝的情況下。平臺浮運至作業點，定位升起后，能夠提供一個穩定的吊裝作業平臺，所以能夠使用平臺上的陸上起重設備，在海上完成風機塔架、機艙、輪轂、槳葉的吊裝工作［1］。

3)爬升式風機吊裝平臺方案。爬升式風機吊裝利用陸上建筑吊機自爬升高的原理進行工作，在陸上風電場建設中已經有成功應用的范例。爬升式風機吊裝平臺方案可應用在由于風機運輸手段所限，風機設備只能散件運輸，且風機只能散件安裝的情況下。利用爬升式風機吊裝平臺可省去龐大的起重設置，減小了平臺荷載，從而減小了吃水。爬升式風機吊裝技術可應用在淺海平臺，也可應用在潮間帶灘涂的承壓或高架平臺。在潮間帶灘涂上構筑時，平臺圍繞風機基礎構筑，淺海構筑時，平臺留有安裝缺口，浮運進入時，設置在風機基礎周圍。可根據海況條件選擇平臺以浮游狀態安裝或平臺以頂起狀態安裝，跨風機基礎構筑爬升式起重塔架，首先吊起噸位較大的機艙，然后在噸位較小的起重設置的協助下，吊裝塔筒，并隨著塔筒的接長，起重塔架自爬升高，直至風機設備吊裝完畢(見圖7)。

4)風機設備運輸平臺。風機設備運輸平臺是一種淺吃水海上運輸平臺，平臺的滿載吃水控制在1 m以內，平臺自帶動力，可實現風機設備在淺海的輸送。平臺也可從臨海一側接近灘涂通道的臨海一端，實現灘涂通道臨海平臺的靠泊和卸載［11］。

圖7 爬升式風機吊裝平臺方案Fig．7 The jack －up erection of offshore aerogenerator scheme

5)風機基礎施工平臺。風機基礎施工平臺是一種自升式淺吃水工程平臺，平臺上可配置導樁架及陸上型置樁機，能夠在平臺升起穩固后進行風機基礎的置樁作業。平臺同時可配置混凝土施工設備，以進行混凝土樁及承臺的施工［12］(見圖8)。

圖8 自升式風機基礎施工平臺Fig．8 The jack －up aerogenerator foundation construction platform

3．3．2 坐底式近岸海域風電場建設工程平臺工程保障方案

坐底式近岸海域風電場建設工程平臺在技術原理上與坐底式近海石油鉆井平臺基本相同，平臺在結構上有兩種形式。一種是由單體沉箱構成的沉箱式作業平臺(見圖9)，另一種是由沉箱加作業平臺構成的半潛式作業平臺(見圖10)。

圖9 沉箱式近岸海域風電場建設工程平臺Fig．9 The construction platform of caisson style offshore w ind farm

圖10 半潛式近岸海域風電場建設工程平臺Fig．10 The construction platform of sem isubmersible offshore w ind farm

作業時將平臺浮運至施工地點，錨泊定位后向沉箱內注水，使平臺下沉坐灘，變成穩固的施工平臺。轉場移位時，將沉箱內的水抽出，平臺整體浮起。為了適應大型風電設備的安裝，坐底式風電建設工程平臺的面積更大，這也符合近岸海域風電場建設中平臺在淺水中的轉場移位作業時小吃水的需求。坐底式近岸海域風電場建設工程平臺與自升式海上風電場建設工程平臺相比，只是在海灘上的支撐方式不同，前者是坐灘承壓，后者靠樁腿升起，在平臺的作業設備配置及使用場合上基本相同［9］。

4 結語

文章根據海岸灘涂及淺水海域風電場建設及運行維護工程保障的需求，提出了適應于海岸灘涂及淺水海域風電場建設施工及運行維護的一系列工程保障方案，從潮上帶、潮間帶和潮下帶不同灘涂區域對施工工程技術的不同要求出發，以系列技術保障措施分段保障，較好地解決了海岸灘涂及淺水海域風電場建設的工程保障問題。

［1］ 江 波．海上風電場施工方法初探［J］．太陽能，2007(4):34－36．

［2］ 陳 麗．鹽城市沿海灘涂利用模式分析［J］．安徽農業科學，2007，35(36):11926 －11928，11955．

［3］ 池釗偉．平原灘涂海岸風電場建設幾個問題的初步探討［J］．華東電力，2009，37(1):169 －171．

［4］ 凌 申．沿海地區風能資源開發與新能源產業帶的構建—以江蘇鹽城市為例［J］．商場現代化，2008(24):197－198．

［5］ 陶西貴，李少紅，梁龍喜．土體固結劑(HEC)在軍事工程中的應用探討［J］．國防交通工程與技術，2007(4):71－73．

［6］ 范華林，劉福君．箱式路面體系車輛通過性機理分析［J］．農業機械學報，2007，38(2):26 －29．

［7］ 王春輝，陳云鶴．新型快速克服松軟岸灘路面器材的設計［J］．解放軍理工大學學報自然科學版，2004，5(6):49－54．

［8］ 史宣琳，張新強．我國浮箱發展概況及應用［J］．黑龍江交通科技，2008，178(12):172 －173．

［9］ 李潤培，王志農．海洋平臺強度分析［M］．上海:上海交通大學出版社，1992．

［10］ 張太佶，汪張棠．海上風電設備安裝船的崛起和發展［J］．中國海洋平臺，2009，24(5):1 －5．

［11］ 張太佶，汪張棠．一種新船型—海上風電設備安裝船的開發［J］．船舶，2009(5):38－43．

［12］ 丁金鴻，譚家華．近海風電專用安裝船概述［J］．中國海洋平臺，2009，24(5):6 －16．