海上風電機組導管架基礎水下灌漿技術分析

朱榮華，田振亞，龍正如，張美陽，孫香，余暢

（1.廣東明陽風電產業集團有限公司，中山 528437； 2.南方海上風電聯合開發有限公司，珠海 519080）

海上風電機組導管架基礎水下灌漿技術分析

朱榮華1，田振亞1，龍正如1，張美陽1，孫香1，余暢2

（1.廣東明陽風電產業集團有限公司，中山 528437； 2.南方海上風電聯合開發有限公司，珠海 519080）

先打樁導管架基礎結構輕巧、施工方便，但是水下灌漿技術成為該基礎形式應用和施工的難點。本文介紹了該類基礎的水下灌漿連接技術和施工工藝。結合歐洲該類施工經驗，重點闡述了先打樁導管架基礎的水下灌漿連接結構，該結構實現了高效灌漿，并提高了基礎灌漿質量，對類似基礎在中國的推廣給予借鑒。

海上風電機組；先打樁導管架；水下灌漿

0 引言

導管架作為一種重量輕、海床地質條件適應性好、穩定性好、適合較深海域的海上風電基礎，在歐洲海上風電場得到了廣泛應用。風電機組、波浪和洋流等載荷主要通過導管架結構經混凝土傳遞至鋼管樁，鋼管樁再把載荷傳遞到海床。而導管架基礎和鋼管樁連接主要通過灌漿方式進行，灌漿質量直接影響到導管架的整體穩定性能和安全性。灌漿技術作為導管架安裝的重要關鍵技術，越來越受到業界的關注，我國目前灌漿技術的應用主要是在江蘇如東潮間帶風電場，采用的是水上灌漿的方法，對于水深較深的海域，主要采用水下灌漿的方法。由于波浪、海流等水文環境較為復雜，可操作性差，導致水下灌漿作業難度高，特別對于海況惡劣的海域，施工窗口期短，影響海上風電機組基礎支撐結構的安裝，容易引起風電場建設項目的滯后。

1 導管架基礎

導管架基礎主體為框架對稱結構，均為鋼制材料。導管架結構主要分過渡段、導管架基礎主體兩部分，過渡段包括主筒體、主斜撐、平臺甲板等結構。在過渡段設置一外挑平臺，用于放置風電機組主要電氣設備。四根主腿作為導管架的主要支撐腿，按照一定的斜度分布，在主腿之間均布X斜撐，這樣和四根主腿形成穩定的桁架結構。四根鋼管樁呈正四邊形分布在海床之上，樁頂位于泥面以下，導管架的四根主腿末端分別插入鋼管樁頂部內腔，然后通過水下灌漿形式連成整體，其結構形式如圖1所示。

一般情況下，導管架基礎有兩種結構形式——先打樁導管架和后打樁導管架，先打樁導管架是先在海底固定安裝模架，然后打入四根呈正方形布置的鋼管樁，最后進行導管架基礎整體吊裝，如圖2所示。吊裝過程中通過導管架支撐腿端部插入鋼管樁，再完成導管架調平工作，最后進行水下灌漿，連接固定導管架和鋼管樁[1]。后打樁導管架基礎結構形式是在導管架支腿末端設置樁靴，進行海上施工時，先進行導管架吊裝，通過樁靴把鋼管樁打入海床（如圖3所示），然后進行灌漿，連接導管架和鋼管樁。

先打樁導管架與后打樁導管架相比，有以下幾點優勢：

（1）先打樁導管架與后打樁導管架主體結構相同，先打樁導管架支撐腿末端不用設置樁靴，而后打樁導管架基礎支撐腿末端設置樁靴，后打樁導管架基礎支撐腿末端設置樁靴之后，不僅材料費用增加，而且焊接加工、人力成本等也大幅增加。雖然先打樁導管架基礎在安裝鋼管樁時需要模架來定位安裝，但是把模架建造成本均分到整個風場的基礎成本里，相比帶樁靴的單臺導管架基礎成本要小很多。一般后打樁導管架基礎形式主要用在石油工業行業，但是大規模的風場開發應用先打樁導管架基礎形式較多，這樣可以大幅度節省成本；

（2）后打樁導管架基礎形式的導管架一般需要大型的安裝船只進行安裝，而鋼管樁也需要大型的安裝船進行安裝。先打樁導管架基礎形式的導管架需要大型的安裝船，但是打樁可以用起重能力較小的輔助船完成。同時，導管架的生產加工可以和打樁作業同時進行，節省了工程建設周期。

圖1 導管架結構示意圖

2 先打樁導管架基礎灌漿結構

2.1 先打樁導管架支撐腿結構

圖2 先打樁導管架基礎

圖3 后打樁導管架基礎

先打樁導管架支撐腿與鋼管樁連接部分形成導管架基礎環形灌漿腔，在支撐腿末端上設置有導向板和剪切鍵，將導管架支撐腿插入海底鋼管樁時，通過導向板可確保導管架上的支撐腿均勻插入海底鋼管樁，防止在安裝過程中支撐腿與海底鋼管樁軸心偏離過大時，造成環形密封圈單邊壓力過大而損壞；導向板還能保證支撐腿與海底鋼管樁之間的同軸度，讓環形灌漿腔內水泥砂漿的體積圓周更均勻，有利于載荷的合理分布。

2.2 封漿結構

鋼管樁上端端口內壁設法蘭，法蘭上墊密封圈，密封圈為環形墊圈，一般采用橡膠密封圈，環形密封圈能與海底鋼管樁、支撐腿緊密貼合，通過環形密封與導管架支腿端部實現對鋼管樁密封，防止混凝土漿液溢出，避免浪費，同時保證灌漿施工質量。

2.3 灌漿管線布置

先打樁導管架支撐腿內側上焊接灌漿導管，灌漿導管上端設在導管架平臺上，下端與導管支撐腿末端一起插入鋼樁上端的端口內。灌漿導管末端設有兩根分叉管，包括插入連接縫隙上部的高位注漿管和插入連接縫隙底部的低位注漿管，低位灌漿管伸至環形橡膠墊附近，從灌漿區域底部進行灌漿。高位灌漿管伸至鋼樁端部附近，從灌漿區域頂部進行灌漿。灌漿時先使用低位注漿管進行灌漿作業，從底部開始灌漿，由于水泥砂漿的密度比海水大，灌漿腔內的海水逐漸從海底樁頂端管口排出，水泥漿不會被稀釋，不容易產生空洞，從而保證了灌漿施工質量；待灌漿到一定高度后，采用高位注漿管灌漿，這樣可以避免灌漿機械壓力不足而引起的注漿口堵塞。

當其中一根叉管出現堵塞、損壞等問題時可通過另外一根叉管進行灌漿，從而確保灌漿施工的順利進行，同時兩根灌漿導管管可以使混凝土漿料快速將導管架支撐腿與鋼樁的連接縫隙填塞滿，提高工作效率[2]。

3 先打樁導管架灌漿施工

先打樁導管架基礎進行海上施工時，將鋼管樁打入海底固定，起吊導管架，將導管架支撐腿末端插入鋼管樁上端端口，導管架支撐腿末端穿過密封圈與鋼管樁連接，形成連接縫隙，然后進行導管架調平，至其頂部法蘭面傾斜度滿足要求且導管架固定后，施工人員在導管架平臺上利用灌漿導管，將混凝土漿料導入連接縫隙。

對樁基礎與導管架腿柱之間的環形空間進行灌漿，通過混凝土漿料與鋼管樁表面剪切鍵等機械裝置之間的粘合和密閉摩擦綜合作用，將導管架與樁基礎連接成一個有機整體，使基礎連接更加可靠，風電機組運行更加平穩[3]。

圖4 導管架支撐腿結構

圖5 灌漿連接封漿結構

4 結語

本文結合作者參與歐洲該類海上風電機組基礎施工經驗，提出一種先打樁導管架水下灌漿技術，介紹了導管架基礎、導管架與鋼管樁的連接結構和灌漿管線布置，同時介紹了導管架水下灌漿方法和技術，該技術可廣泛應用于海上風電場基礎水下灌漿，具有施工效率高，灌漿質量好，節省灌漿施工成本等優點，值得廣泛推廣和應用。

[1]Dierk Jensen,Dr.Detlef Koenemann. ALPHA VENTUS unternehmen offshore operation offshore[M].Germany：BVA Bielefeder Verlag GmbH&Co.KG, 2010.

[2]朱榮華,傅強,張美陽,何仁偉. 一種灌漿連接的導管架支撐結構：中國：CN 201320191973 [P],2013-04-17 .

[3]黃立維,楊鋒,張金接.海上風機樁基礎與導管架的灌漿連接[J],水利水電技術,2009(9):54-57.

Analysis of Underwater Grouting Technology of Offshore Wind Turbine Jacket Foundation

Zhu Ronghua1, Tian Zhenya1, Long Zhengru1, Zhang Meiyang1, Sun Xiang1, Yu Chang2
(1. Guangdong MingYang Wind Power Industry Group Co., Ltd., Zhongshan 528437, China; 2. Southern Ofshore Wind Power Joint Development Co., Ltd., Zhuhai 519080, China)

Less self-weight and efciency of installation are the main advantages of pre-piling jacket foundation. However, the underwater grouting technology is difcult. Combining the real project experience, this paper described the jacket grouting structure and the technology. The underwater grouting technology could improve the grouting connection quality, which has a certain reference value for similar ofshore wind turbine jacket foundation in China.

ofshore wind turbine; pre-piling jacket; underwater grouting

TM614

A

1674-9219(2013)12-0104-04

2013-10-24。

朱榮華（1977-），男，博士，中國明陽風電產業集團副總裁，首席科學家，目前在明陽風電產業集團負責海上風電技術的研發和領導工作；

田振亞（1982-），男，碩士，副首席工程師，負責海上鋼結構的設計分析工作；

龍正如（1990-），男，本科，工程師，主要從事海上風電項目PC管理；

張美陽（1981-），女，碩士，結構工程師，主要從事海上風電機組導管架基礎設計，海上風電機組基礎優化工作；

孫香（1988-），女，本科，項目助理，主要負責項目規劃、整體協調、文件控制管理工作。

余暢（1977-），男，博士，高級工程師，主要負責珠海桂山海上風電示范項目實施性施工組織設計。