重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工技術(shù)

文 | 高宏飆，孫小釬

重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工技術(shù)

文 | 高宏飆，孫小釬

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)常采用樁基型式，但對(duì)于表面殘積層較薄的巖基海床，難于施打摩擦樁，且樁基初期不能自穩(wěn)，無法借其搭設(shè)嵌巖樁基施工平臺(tái)，實(shí)施樁基基礎(chǔ)難度大、造價(jià)高。而重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)（圖1），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，抗風(fēng)暴和風(fēng)浪襲擊性能好，對(duì)水深較淺、海底表層地基承載力較好的巖基海床具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而國內(nèi)沒有先例可供借鑒。本文結(jié)合國內(nèi)港工施工裝備和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)重力式海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工技術(shù)進(jìn)行分析研究。

重力式基礎(chǔ)施工基本流程

海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)施工流程與大型沉箱結(jié)構(gòu)施工流程相似，主要施工工藝流程如圖2所示。

重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制

一、結(jié)構(gòu)預(yù)制基地的選擇

重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制場(chǎng)地影響基礎(chǔ)的預(yù)制和下水方式，預(yù)制場(chǎng)地滿足大型混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)制生產(chǎn)要求，需要配備大型砼構(gòu)件出運(yùn)的碼頭泊位，如圖3所示。

二、基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制

（一）制作工藝

重力式基礎(chǔ)體積龐大，混凝土用量多，基礎(chǔ)預(yù)制施工工藝的流程如圖4所示。

（二）制作質(zhì)量控制

處于海洋腐蝕環(huán)境的重力式基礎(chǔ)，為確保其力學(xué)性能指標(biāo)和耐久性，規(guī)范對(duì)表面混凝土裂縫寬度有嚴(yán)格的要求，一般使用預(yù)應(yīng)力混凝土，采用后張法預(yù)應(yīng)力施工工藝。

基礎(chǔ)運(yùn)輸

重力式結(jié)構(gòu)的尺寸和重量巨大，目前運(yùn)行的最大海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)重達(dá)3000t，高約40m。

一、場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸

制作完成的重力式砼基礎(chǔ)場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸可以通過“蜈蚣車”移運(yùn)、軌道臺(tái)車或高壓氣囊滑移等方式。

（一）氣囊移運(yùn)

氣囊出運(yùn)工作原理與滾筒搬運(yùn)重物的工作原理基本相同，是指在沉箱的下面放置可充氣的圓形膠囊，通過充氣加壓頂升沉箱，再在需移動(dòng)的方向上施加牽引力，使氣囊產(chǎn)生滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的移運(yùn)。

（二）“蜈蚣車”移運(yùn)

重力式基礎(chǔ)預(yù)制場(chǎng)內(nèi)“蜈蚣車”運(yùn)輸如圖5所示。

二、基礎(chǔ)下水

基礎(chǔ)下水大致有以下幾種方式：一是起重船吊至船上（圖6）；二是利用半潛駁下水；三是在干船塢中預(yù)制，預(yù)制完成后船塢充水，借助基礎(chǔ)自身浮力，起重船吊基礎(chǔ)至甲板；四是在浮式船塢中預(yù)制。

三、基礎(chǔ)運(yùn)輸需要考慮的關(guān)鍵因素

（一）天氣和海況

根據(jù)運(yùn)輸類型以及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，分析可以允許的風(fēng)速、能見度、波高、波浪周期、潮流以及冰雪。

（二）施工窗口

運(yùn)輸?shù)拇翱谄谌Q于運(yùn)輸距離、天氣和海況，施工窗口期具有季節(jié)性變動(dòng)的特點(diǎn)，必須嚴(yán)格計(jì)算運(yùn)輸窗口期。

（三）船舶橫穩(wěn)性

同時(shí)又因?yàn)槎鄻有缘谋举|(zhì)是適應(yīng)的多樣性，因此這一生命觀念又可以解釋多樣性的來源。要建立這一生命觀念，需要在“種群、基因頻率、生物進(jìn)化、生物多樣性”等多個(gè)概念和事實(shí)之間建立聯(lián)系，在聯(lián)系、整合和分析中，逐步形成“選擇與適應(yīng)觀”。

船舶穩(wěn)性指的是船舶具有抵抗外力（風(fēng)、浪等）而不致傾覆的能力，可分為橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性（圖7）。橫穩(wěn)性指船舶繞縱向軸橫傾時(shí)的穩(wěn)性，縱穩(wěn)性指船舶繞橫向軸縱傾時(shí)的穩(wěn)性。

海床處理

由于重力式基礎(chǔ)直接將其巨大的重量和所受載荷傳給地表，所以需對(duì)海床進(jìn)行處理，確保海床具有足夠的承載力和平整度。

一、基槽開挖

先是粗挖，然后是精確挖泥。用反鏟挖掘機(jī)（圖8）挖去海底的泥土和松散的砂土直至達(dá)到承載力土層，挖泥厚度因工程地質(zhì)情況的不同而不同，一般為0.5m-10m。當(dāng)開挖厚度超過3m時(shí)采取分層開挖，不足3m厚的基槽一次開挖。

基槽開挖在基床厚度和寬度滿足要求的前提下注意開挖邊坡是否符合設(shè)計(jì)要求，開挖邊坡以自然坡穩(wěn)為準(zhǔn)。基槽開挖過程中應(yīng)派潛水員下水檢查已挖部分回淤情況，根據(jù)回淤情況制定相應(yīng)的清淤措施，開挖后及時(shí)拋石以防基槽回淤。

基槽拋石的基本步驟如下：

（1）下放一個(gè)鋼制框架和一個(gè)中心定位裝置來輔助拋石，精確的定位需要潛水員和GPS定位系統(tǒng)；（2）掃去海床上的淤泥和浮土；（3）在鋼制框架里填上礫石或者壓碎的石頭；（4）潛水員利用鋼制框架上的平板推平礫石層；（5）拆除鋼制框架；（6）某些場(chǎng)合需要對(duì)碎石層進(jìn)行壓實(shí)或者對(duì)碎石層灌漿（圖9）。

通常碎石層分為兩層：底層為0mm-63mm粒徑大小的透水層，上層為10mm-80mm粒徑大小的礫石層。在要求苛刻的Thorntonbank海上風(fēng)電場(chǎng)，透水層約為1.5m厚，上層約為0.7m厚，碎石層總厚度2.2m。

三、基床夯實(shí)

基床夯實(shí)的方法主要有重錘夯實(shí)法和水下爆破夯實(shí)法兩種。重錘夯實(shí)用起重設(shè)備吊重錘，按一定的規(guī)則和指標(biāo)要求進(jìn)行施工；水下爆破夯實(shí)法利用爆破沖擊力和震動(dòng)力進(jìn)行夯實(shí)。

一般采用方駁吊機(jī)吊重錘（圖10）縱橫向進(jìn)行基床夯實(shí)，夯前，為了增進(jìn)夯實(shí)效果，安排潛水員粗平基床。對(duì)于局部不平整的區(qū)域，采用方駁吊機(jī)，進(jìn)行定點(diǎn)、定量拋補(bǔ)，確保局部高差不大于300mm。

夯錘選用平底錘，錘重8t或12t，控制落距，確保每錘的沖擊能量，采用縱、橫向均鄰接壓半夯（圖11），并分二遍（初夯、復(fù)夯各一遍）的夯實(shí)方法，以防止基床局部隆起或漏夯，夯擊遍數(shù)由試夯確定，基床分段分層夯實(shí)，每層厚度應(yīng)大致相等，夯實(shí)厚度不大于2m，分段夯實(shí)的搭接長度不小于2m，若夯擊能量較大時(shí)，分層厚度可適當(dāng)加大。

四、基床整平

基床整平可采用座底式拋石整平平臺(tái)（圖12），平臺(tái)采用GPS定位，通過四根樁腿將整平船抬升離開海面，安裝在平臺(tái)甲板上的克令吊從石料駁船上抓取石料，并通過浮鼓式漏斗連接溜槽或溜管向水下送石料。

基床整平采用“導(dǎo)軌刮道法”，在基床的整平范圍內(nèi)，由潛水員配合測(cè)量工測(cè)放導(dǎo)軌墊塊，墊塊與導(dǎo)軌之間墊放厚薄不一的鋼板，軌頂即為整平標(biāo)高。潛水員在水下以刮尺底為準(zhǔn)進(jìn)行整平，高于刮尺底的塊石由潛水員搬出基床外，低于刮尺底的石間不平整部分用二片石填充，二片石間的空隙用碎石填充，刮尺底與二片石的空隙用碎石填塞。

基礎(chǔ)安裝

一、定位

基礎(chǔ)安裝過程首先是將基礎(chǔ)精確定位在目標(biāo)海床點(diǎn)上，采用GPS定位系統(tǒng)和水下定位系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)安裝定位。

二、基礎(chǔ)的吊升和安放

基礎(chǔ)的吊升和安放可使用大型浮吊完成（圖13），如重力式基礎(chǔ)空載重量過大，沒有適合的浮吊，可以采用半潛駁下潛使基礎(chǔ)承受一定的浮力（圖14），再用浮吊吊裝，但在吊裝前應(yīng)計(jì)算基礎(chǔ)定傾高度，如定傾高度不滿足要求，應(yīng)加載壓載水，確保基礎(chǔ)能自穩(wěn)。

三、壓載物填充

在重力式基礎(chǔ)就位以后，會(huì)將預(yù)先準(zhǔn)備好的碎石塊或者之前海床處理時(shí)挖出來的碎石填入基礎(chǔ)的空腔。如果填充物是砂，通常會(huì)將砂和水在攪拌船上混合然后用泵抽入基礎(chǔ)空腔內(nèi)（圖15）。

結(jié)語

我國東南沿海擬建海上風(fēng)電場(chǎng)，處在巖基海床，風(fēng)大浪高，施工窗口小，摩擦沉樁難于實(shí)施，嵌巖樁基工效低。而海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)，不需要沉樁，且基礎(chǔ)在岸上預(yù)制，海上工序少，與樁基礎(chǔ)型式相比建設(shè)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文梳理重力式基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)，分析各施工環(huán)節(jié)，借鑒歐洲海上風(fēng)電工程經(jīng)驗(yàn)，利用國內(nèi)港工重力式碼頭相似施工技術(shù)及裝備，編制了經(jīng)濟(jì)、可行的施工方案，為重力式基礎(chǔ)實(shí)施提供了技術(shù)指導(dǎo)。

（作者單位：高宏飆：福建龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司；孫小釬：中能電力科技開發(fā)有限公司）