重力式海上風電機組基礎施工技術

文 | 高宏飆，孫小釬

重力式海上風電機組基礎施工技術

文 | 高宏飆，孫小釬

海上風電機組基礎常采用樁基型式，但對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，無法借其搭設嵌巖樁基施工平臺，實施樁基基礎難度大、造價高。而重力式海上風電機組基礎（圖1），結構簡單、造價較低，抗風暴和風浪襲擊性能好，對水深較淺、海底表層地基承載力較好的巖基海床具有明顯的優勢，而國內沒有先例可供借鑒。本文結合國內港工施工裝備和經驗，對重力式海上風電基礎施工技術進行分析研究。

重力式基礎施工基本流程

海上風電機組重力式基礎施工流程與大型沉箱結構施工流程相似，主要施工工藝流程如圖2所示。

重力式基礎結構預制

一、結構預制基地的選擇

重力式基礎結構預制場地影響基礎的預制和下水方式，預制場地滿足大型混凝土結構的預制生產要求，需要配備大型砼構件出運的碼頭泊位，如圖3所示。

二、基礎混凝土結構預制

（一）制作工藝

重力式基礎體積龐大，混凝土用量多，基礎預制施工工藝的流程如圖4所示。

（二）制作質量控制

處于海洋腐蝕環境的重力式基礎，為確保其力學性能指標和耐久性，規范對表面混凝土裂縫寬度有嚴格的要求，一般使用預應力混凝土，采用后張法預應力施工工藝。

基礎運輸

重力式結構的尺寸和重量巨大，目前運行的最大海上風電機組重力式基礎重達3000t，高約40m。

一、場內運輸

制作完成的重力式砼基礎場內運輸可以通過“蜈蚣車”移運、軌道臺車或高壓氣囊滑移等方式。

（一）氣囊移運

氣囊出運工作原理與滾筒搬運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，再在需移動的方向上施加牽引力，使氣囊產生滾動，從而實現構件的移運。

（二）“蜈蚣車”移運

重力式基礎預制場內“蜈蚣車”運輸如圖5所示。

二、基礎下水

基礎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；三是在干船塢中預制，預制完成后船塢充水，借助基礎自身浮力，起重船吊基礎至甲板；四是在浮式船塢中預制。

三、基礎運輸需要考慮的關鍵因素

（一）天氣和海況

根據運輸類型以及基礎的設計，分析可以允許的風速、能見度、波高、波浪周期、潮流以及冰雪。

（二）施工窗口

運輸的窗口期取決于運輸距離、天氣和海況，施工窗口期具有季節性變動的特點，必須嚴格計算運輸窗口期。

（三）船舶橫穩性

同時又因為多樣性的本質是適應的多樣性，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、生物進化、生物多樣性”等多個概念和事實之間建立聯系，在聯系、整合和分析中，逐步形成“選擇與適應觀”。

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

海床處理

由于重力式基礎直接將其巨大的重量和所受載荷傳給地表，所以需對海床進行處理，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（圖8）挖去海底的泥土和松散的砂土直至達到承載力土層，挖泥厚度因工程地質情況的不同而不同，一般為0.5m-10m。當開挖厚度超過3m時采取分層開挖，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計要求，開挖邊坡以自然坡穩為準。基槽開挖過程中應派潛水員下水檢查已挖部分回淤情況，根據回淤情況制定相應的清淤措施，開挖后及時拋石以防基槽回淤。

基槽拋石的基本步驟如下：

（1）下放一個鋼制框架和一個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；（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）某些場合需要對碎石層進行壓實或者對碎石層灌漿（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海上風電場，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

基床夯實的方法主要有重錘夯實法和水下爆破夯實法兩種。重錘夯實用起重設備吊重錘，按一定的規則和指標要求進行施工；水下爆破夯實法利用爆破沖擊力和震動力進行夯實。

一般采用方駁吊機吊重錘（圖10）縱橫向進行基床夯實，夯前，為了增進夯實效果，安排潛水員粗平基床。對于局部不平整的區域，采用方駁吊機，進行定點、定量拋補，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、復夯各一遍）的夯實方法，以防止基床局部隆起或漏夯，夯擊遍數由試夯確定，基床分段分層夯實，每層厚度應大致相等，夯實厚度不大于2m，分段夯實的搭接長度不小于2m，若夯擊能量較大時，分層厚度可適當加大。

四、基床整平

基床整平可采用座底式拋石整平平臺（圖12），平臺采用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“導軌刮道法”，在基床的整平范圍內，由潛水員配合測量工測放導軌墊塊，墊塊與導軌之間墊放厚薄不一的鋼板，軌頂即為整平標高。潛水員在水下以刮尺底為準進行整平，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。

基礎安裝

一、定位

基礎安裝過程首先是將基礎精確定位在目標海床點上，采用GPS定位系統和水下定位系統進行基礎安裝定位。

二、基礎的吊升和安放

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

三、壓載物填充

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

結語

我國東南沿海擬建海上風電場，處在巖基海床，風大浪高，施工窗口小，摩擦沉樁難于實施，嵌巖樁基工效低。而海上風電機組重力式基礎，不需要沉樁，且基礎在岸上預制，海上工序少，與樁基礎型式相比建設成本具有明顯優勢。本文梳理重力式基礎施工關鍵技術，分析各施工環節，借鑒歐洲海上風電工程經驗，利用國內港工重力式碼頭相似施工技術及裝備，編制了經濟、可行的施工方案，為重力式基礎實施提供了技術指導。

（作者單位：高宏飆：福建龍源風力發電有限責任公司；孫小釬：中能電力科技開發有限公司）