國內首例三樁吸力筒式導管架基礎灌漿工藝

劉輝

【摘 要】隨著國家推進新能源政策，我國風電行業得到不斷發展。我國沿海蘊藏著豐富的風能資源，隨著風電施工技術條件不斷成熟，風電行業的發展前景越來越廣闊。文章結合三峽新能源陽西沙扒海上風電項目的工程實例，詳細介紹吸力筒式導管架式基礎灌漿關鍵施工技術，包括灌漿管線設計、施工要點和施工難點。

【關鍵詞】海上風電;吸力筒;導管架;灌漿施工

【中圖分類號】TM614 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0028-04

0 引言

目前，海上風電場的投資建設中，風機成本占40%左右，其中基礎結構和施工費用占50%～60%[1]。海上風機基礎應用最為廣泛的是傳統的導管架基礎，但是傳統風機基礎施工工期長、成本高、未知性大[2-3]，而吸力筒作為一種應用于海洋工程的新型基礎形式，始于20世紀70年代，最初應用的是挪威國家石油公司于1998年研發的吸力筒式導管架基礎，并于1994年首次在實際工程中使用，2003年丹麥Frederikshavn海上風電場第一次將吸力筒用在海上風電機組基礎上。吸力筒基礎結構在全世界范圍內已經使用幾十年了，技術非常成熟，但是國內還沒有真正用于海上風電場工程的吸力筒基礎，目前處于試驗階段，如果試驗成功加以推廣，則會成為未來我國導管架式風機基礎的主流方向。

2020年三峽新能源陽西沙扒海上風電場突破國外技術壁壘，首次將三樁吸力筒式導管架式基礎應用于國內風電工程的水下27～32 m淺覆蓋層當中[4]，當吸力筒結構下沉，吸力筒筒頂的空隙采用灌漿作業，直至填滿泥面以上吸力筒頂的空間，這關系到該基礎結構的抗滑移、抗傾覆等穩定性能，是三樁吸力筒式導管架式基礎施工的重要環節。

1 工程概況

三峽新能源陽西沙扒300 MW海上風電場位于廣東省陽江市陽西縣沙扒西側海域，場址涉海約50 km2，外圍風機包絡海域面積約43.2 km2，水深在27～32 m。場址中心離岸距離約28 km，距陽江市陸域最近距離約25 km。場址西側有沙扒港航道，北側2 km為湛黃航道及陽江1號錨地區，東北側靠近陸地，為陽西大樹島海洋保護區，東側有陽西火電廠航道，南側為外海習慣航路。本項目3臺吸力筒導管架基礎及風機安裝工程位于風電場北部淺覆蓋層區域，風機編號分別為15#、28#、43#。

2 吸力筒式導管架結構

2.1 導管架結構

如圖1所示，該工程所用的三樁吸力筒式導管架由外平臺、過渡段、靠船件、導管架、吸力筒和“J”形管等附屬構件組成，整個導管架由下部筒體、中部導管架、上部平臺分別加工后，再進行焊接組合而成[5]。

2.2 導管架的運輸和安裝

導管架在加工廠生產檢驗完畢后，需要用駁船運輸到風場，吸力筒式導管架的裝船方式采用SPMT小車滾裝裝船方式，到達風場后，進行沉貫施工前先由專業的挖泥船清淤整平施工場地，方便后期的導管架安裝，清淤結束后進行導管架的貫入分析[6，7]。

貫入分析和泵設備安裝調試之后進行沉貫作業，吸力筒式導管架式風機基礎貫入自重下沉過程和負壓下沉過程中，都應控制下沉速率，基礎下沉各階段的下沉速率應滿足設計要求，基礎貫入的偏差應在允許范圍之內[8]（如圖2所示）。

3 吸力筒式導管架灌漿施工

3.1 吸力筒灌漿部位

三樁吸力筒式導管架基礎貫入下沉結束之后，要求對吸力筒的筒頂與泥面空間進行回填灌漿，將筒內的海水排出，在海上風電灌漿施工前必須做大量準備工作，確保灌漿施工盡量一次性灌漿成功。根據設計施工圖，吸力筒最大直徑為13 m，筒頂距離泥面高度為0.5 m，單筒理論灌漿量為66.3 m3，現場采用具高流動性、自密實的灌漿料進行灌注和填充（如圖3所示）。

3.2 吸力筒灌漿施工流程（如圖4所示）

一個筒體灌漿結束后，停止泵送，潛水員拆除管線，關閉通氣球型閥門，回收管線，通知船上控制室進行移船到另外兩個吸力筒灌漿位置，重復上述的開始準備、攪拌、泵送、灌漿及停止等工序，直至完成3個筒型基礎筒頂空間的灌漿。

3.3 灌漿管線預設

灌漿管線設置為1個裝有分配管的主灌漿管、2根備用灌漿管、1個出漿口。灌漿管線連接接頭位于吸力筒頂以上2 m處。此工程中采用的主灌漿管為直徑400 mm的管線，在接頭處變徑為內徑65 mm的管線，通過法蘭與DN65的球閥相連，灌漿施工時需要將DN65法蘭的預制接頭與灌漿軟管連接，進行灌漿（如圖5所示）。

3.4 灌漿管線連接

（1）在灌漿管線連接之前，由潛水員配合到達筒頂處，打開預制灌漿管口的連接接頭處的DN65球閥，分別在出漿管口和兩個備用灌漿管口處測量泥面到筒頂的深度，傳至甲板控制室估算灌漿用量，并將預備的導向繩水下一頭固定到筒頂處。

（2）潛水員在測量完成后，甲板人員根據設計要求連接灌漿管線，管線布置清晰可見，不得被其他遮蓋物覆蓋;由吊機配合甲板施工人員將連接好的灌漿軟管順著導向繩劃入水中，此過程要由潛水員順著導向繩糾正管線方向，特別是管線連接處，防止灌漿軟管卡在導管架上部斜撐角處，強拉引起管線斷開，確認灌漿軟管下放到位后，潛水員將灌漿軟管一頭接到預留鋼管主灌漿管頭。

（3）灌漿前將灌漿管線固定在筒頂預制主灌漿管管口，管口外留10 m左右的軟管盤放在筒頂，起到止落作用，船上準備好備用灌漿軟管放置在甲板附近，當發生堵管或其他緊急情況時進行快速更換。

（4）潛水員將預備的水下攝像頭固定在預制出漿管口處，方便甲板控制室及時觀察溢漿情況。

（5）將灌漿軟管從頭至尾全部檢查捋順，灌漿軟管中間角度不能太小，防止軟管打折影響后期灌漿料的泵送，所有檢查完畢后，將筒頂到水面之間的灌漿軟管間隔用細繩固定在導管架的陽極塊或者斜撐上。

（6）確認所有的灌漿軟管連接（軟管之間、軟管與泵之間、軟管與預制灌漿管之間）都正常后，對甲板軟管進行固定。

4 吸力筒式導管架灌漿施工的難點

此工程屬于國內首例三樁吸力筒式導管架風機基礎結構，結構特殊，灌漿施工難度大，灌漿材料、灌漿位置、灌漿量等均與傳統灌漿有較大區別，灌漿施工只能借鑒以往傳統灌漿工程經驗，并結合現場實際情況進行施工安排。

4.1 灌漿管線的安裝和拆除

此項目與傳統水下灌漿施工不同，灌漿管線不是用預制鋼管連接至水上平臺，而是現場進行水下灌漿管連接，吸力筒筒頂設計標高為-30 m，如果采用灌漿軟管進行水下接管，傳統的抱箍式接頭水下接管困難，潛水作業風險大大增加，灌漿過程監控判斷困難。因此，灌漿管線全部都是軟管連接，整個過程都是由潛水員和甲板人員配合完成，高度考驗施工團隊的專業性和協調能力。如果施工過程中灌漿管線連接出現問題，需要重新把整條管線吊至甲板全部清洗，從準備工作開始重新施工。為了防止灌漿軟管中途由于壓力過大出現連接斷開問題，此項目中使用的灌漿軟管水下部分采用法蘭接頭，水上部分采用抱箍式接頭，并且在泵車出料口處設置壓力表，由專業人員實時監控，防止施工過程中出現爆管、斷管等情況。

4.2 灌漿材料的性能

此項目施工時間長，施工溫度對灌漿材料用水量影響大，泵送灌漿料距離遠，一般灌漿材料會出現離析，吸力筒灌漿對灌漿材料的強度要求不高，但灌漿深度較大，灌漿料需填充的空間大，水下灌漿施工難度較大，對材料水下澆筑的抗水分散性、可泵性、流動性和可工作時間等要求極其苛刻，對灌漿設備的功效、穩定性和船機配合也要求較高，難度極大。

此項目由中交港灣（上海）科技有限公司進行施工，配備專業的灌漿設備和灌漿團隊，灌漿材料選用該公司自主研發的海上風電施工中大流動度的專業灌漿材料OEM-HG-1000，灌漿施工現場嚴格測試灌漿料溫度、流動度、表觀密度等指標，隨時根據試驗數據調整用水量，適應不同時間段的溫度變化，各個指標符合要求以后才可泵入。現場測試灌漿材料技術指標的試驗標準見表1。

4.3 實際灌漿材料用量估算誤差大

此項目中采用的吸力筒基礎直徑大，導致筒頂空間灌漿量大，由于此結構適用于砂性土和軟黏土海洋地質條件，吸力筒在下放過程中，吸力泵向外抽水進行負壓下沉，造成泥面不平，而海上風電灌漿施工的特殊性在于施工開始后必須一次性完成，如果對灌漿方量估算不準，可能會導致材料預備不夠，所以根據灌漿前的測量數據估算灌漿方量只能作為參考，具體以實際施工為準。吸力筒灌漿前除根據設計圖紙預算灌漿方量，還要多準備20%左右的灌漿材料;吸力筒下沉過程中采用國內先進的技術和筒內泥面整平技術，盡量準確估算灌漿方量[4]。吸力筒式導管架灌漿施工材料用量分析圖如圖6所示。

4.4 灌漿工作量大，施工時間長

吸力筒式導管架式基礎結構特殊，必要情況下采用“三點灌漿法”施工，當出現溢漿時必須停止泵送，等待灌漿料自流填滿整個空間，等待期間還會增加堵管的風險，灌漿施工時間過長（8～30 h），不確定性大，對施工人員形成諸多挑戰。此外，環境溫度變化大，影響灌漿料的拌合用水量，進而影響灌漿材料的流動度和出料溫度，嚴重時會使材料流動度不夠，造成灌漿管線堵塞，影響灌漿施工進程，因此施工人員采取輪班制，保證攪拌機和材料泵送連續作業，避免疲勞作業或者超負荷作業;施工時應嚴格檢測材料中的流動度和環境溫度，隨時根據實際情況調整材料用水量;盡量選取下午或夜間施工，如遇下雨和高溫情況應采用必要的防水和防曬措施，而且整個工作過程應保持甲板清潔。

5 結語

此項目是目前國內首次將三樁吸力筒式導管架式基礎應用于海上風電工程中，其中吸力筒筒頂空間灌漿也是國內首例，借鑒以往傳統導管架基礎灌漿施工經驗，克服施工過程中的難點，不斷積累總結技術經驗，為未來類似結構施工提供參考。其對于開拓海上風電場吸力筒基礎市場，推動國內海上風電吸力筒基礎結構和海上風電產業健康、快速發展，助力國家能源結構轉型都具有里程碑式的意義。

參 考 文 獻

[1]尚景宏.海上風力機基礎結構設計選型研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[2]孫緒廷，楊丹良，馬純杰.海上風電基礎研究現狀與可持續發展分析[J].山西建筑，2019（18）：64-65.

[3]賀赟.海上風電機組基礎結構專利技術發展及前景[J].湖北農機化，2020（16）：41-42.

[4]陳旭光，馬慶松，許建鵬，等.適用于海洋電能下貫至海底面以下的負壓筒及安裝方法[P].中國專利：2016

10308046.9，2016-09-07.

[5]楊俊羅，超商輝，陶曉偉.MW級吸力筒式海上風電基礎結構設計研究[J].2010年度海洋工程學術會議論文集，2010：167-174.

[6]祁越，劉潤練，繼建.無黏性土中筒型基礎負壓下沉模型試驗[J].巖土力學，2018（1）：139-150.

[7]賈楠.海上風電單筒多艙型筒型基礎沉放調平機理及沉貫阻力研究[D].天津：天津大學，2017.

[8]張浦陽，黃宣旭.海上風電吸力式筒型基礎應用研究[J].南方能源建設，2018（4）：1-11.

[9]汪冬冬，陳克偉，王成啟，等.海上風電導管架灌漿原型試驗研究[J].海洋開發與管理，2018，35（S1）：140-

145.