海上風電大直徑單樁基礎海纜引入施工技術

范肖峰，張震宇，葉兆藝，蘇紀賢

( 1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3. 浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

全球常規石油、煤炭、天然氣資源日益緊張，世界各國都在大力發展清潔的海洋資源[1]。當前，我國也正處于大力發展海上風電的黃金時期，各沿海省份都積極上馬近海海上風電項目，其中江蘇省海上風電累計裝機容量、規模連續多年領跑全國。當前，單樁基礎被廣泛地用于海上風電工程[2-4]，并采用外套籠方案連接海纜和單樁，但是隨著海上風電向離岸距離遠的趨勢發展，導致套籠設計復雜，工程量變幅大，加工、運輸、安裝難度加大[5-8]。另一方面，由于具有加工制作簡潔及施工方便的優點，樁身開孔的方式引入海纜進入塔筒內的方案逐漸運用到海上風電工程中，國內首次在濱海H2號海上風電場使用，并推廣至廣東、江蘇等海上風電場項目中[6]。

本文以江蘇某海上風電單樁基礎為研究對象，對兩種常用的大直徑單樁基礎引入海纜施工工藝及關鍵技術進行闡述，并開展兩種技術的利弊對比分析研究，并針對本工程特點選取合適的海纜引入布置方案。

1 傳統樁外電纜管引入方案

套籠結構是大直徑單樁基礎最常用的附屬構件結構型式，這種結構型式結構簡單，現場安裝方便，施工時間短，安裝風險低[6]。套籠附屬構件包括單樁基礎配套用靠船防撞構件、爬梯、內平臺、外平臺、電纜管、外加電流等，如圖1所示。將上述構件中除內平臺以外的其他附屬構件在陸域制作成集成式附屬構件套籠結構，運輸至海上施工現場后，利用起重船進行整體吊裝安放。單樁基礎內平臺支撐牛腿焊接于樁體內壁，與樁體成一體進行沉樁施工，如圖2所示。樁外電纜管方案需要在樁外套籠上設置圈梁，用來支撐電纜管，電纜管喇叭口距離海床面一般為0.5～1 m，用于支撐電纜管的套籠也需要一直延伸到泥面以上約1 m位置。海纜保護喇叭口在海纜登陸風機外平臺前對海纜起到保護作用，將其與外部環境隔離開，如圖3所示。樁身外側設置電纜管，進行海纜布置，電纜管與附屬構件套籠整體安裝，海纜經電纜管由塔筒底部電纜孔進入風機塔筒內部。該方案目前已在華能如東、華能射陽、華能大豐等海上風電場項目使用。

圖1 單樁基礎套籠示意圖

圖2 單樁基礎套籠安裝現場施工圖

圖3 套籠喇叭口電纜連接示意圖

2 樁身開孔式引入方案

當前，工程上廣泛采用開孔大直徑單樁作為風電基礎。樁身開孔引入海纜進入塔筒內的連接方式，如圖4所示。在泥面2～3 m處，單樁開一個橢圓小孔，開孔為橢圓形短軸100 mm，長軸300 mm，通過開孔處海纜保護裝置及基礎內平臺設置錨固裝置進行海纜固定，將海纜與發電設備連接進行電力輸送，另一端海纜一端放置于海床土體。該方法施工成本低，省去了傳統的樁身外側設置電纜管與附屬構件套籠整體安裝，簡化了海纜的裝配部件。國內通過國家電投濱海H2號海上風電場初次使用，目前已在江蘇啟東、江蘇啟如東、大連莊河等海上風電場使用。

圖4 樁身開孔方案圖

隨著我國海上風電項目在近海淺水區域和潮間地區的大規模開發,近海區域可開發利用的風電資源逐漸減少,海上風電必將向深遠海發展。在海南、廣東、福建、浙江及山東等附近海域離岸10海里外水深可達20～60 m[7]。隨著風電場區往深遠海發展的趨勢，基礎安裝設備和施工技術成熟，未來40 m水深以內的海上風機建設項目，大直徑單樁基礎由于結構型式簡單、安裝便利，仍存在較大的優勢。然而，當水深超過30 m時，若仍采用集成式單套籠附屬結構，整體套籠的高度將超過50 m以上，總工程量預計將超過300 t，且制作、運輸和安裝難度很大，同時也會顯著提高單樁基礎的波浪載荷，不利于單樁基礎的優化設計。因此，樁身開孔引入的方案的效果即為針對傳統的單套籠附屬結構應用的局限性，提供一種適用于深水海域的單樁附屬結構。該方案能夠大大減少深水海域單樁基礎集成式附屬結構的工程量、減低制作、運輸和安裝難度，同時有利減少作用在單樁主體結構上的波浪載荷[8]。

目前，樁身開孔處海纜保護裝置及樁外海纜保護主要有三種型式，廠家特瑞堡生產的圓珠固定+防彎段+保護套管(圖5)、廠家tekmar生產的倒刺型+哈弗式抗彎段(圖6)和廠家seaproof生產的加強型+軟管(圖7)。國內廠家如中天科技、大象、江陰久盛和希倍優等對以上型式也有所研發及生產。

圖5 樁身開孔處固定型式1

圖6 樁身開孔處固定型式2

圖7 樁身開孔處固定型式3

海纜保護共有三種型式：哈弗式、軟管式及套管型式。哈弗式因其可隨意增加或減少海纜保護裝置的長度，且海上安裝方便，因此在國內外海上風電項目中有較多的應用。由于部分項目采用的哈弗式彎曲限制器出現了斷裂等損壞，軟管式彎曲限制器，在國內部分海上風電項目中也有應用案例，但由于其安裝相對復雜，同時需要施工船上具備較大的空間，且整體造價較高，因此在海上風電場應用較少。防彎段+保護套管型在國外海洋石油天然氣及海上風電項目有一定應用，目前尚無損壞案例。

3 兩種海纜進風機平臺對比分析

根據國內外已建海上風電場情況，海纜進風機塔筒內部主要是上述介紹的樁外電纜管引入和樁身開孔式引入。樁外電纜管方案的優點有：①鋼管樁設計較簡單；②海纜施工方便；③國內外海上風電場應用較多，有成熟經驗借鑒。缺點主要有：①對于水深較深機位，套籠工程量較大；②對于地形變化較大場區，套籠設計較復雜；③電纜管隨著地形變化較大，導致套籠工程量變幅大，加工、運輸、安裝難度加大。另外，樁身開孔式引入主要的優點有：①樁外部套籠設計簡化；②對于水深較深機位，套籠型式規格簡化；③套籠加工制作及施工方便，對船機設備要求低。樁身開孔式引入主要的缺點有：①鋼管樁設計較復雜，設計周期長；②開孔處需增加樁體壁厚，增加工程量；③電纜施工較復雜；④內部需配套防腐蝕措施。

4 工程概況

本工程位于江蘇某近海海域，場區中心離岸距離約32 km，水深在6～13 m之間。場區形狀呈矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規劃海域面積40 km2，規劃裝機容量250 MW，共10個回路、42臺風機。本工程基礎形式采用無過渡段單樁式基礎，鋼管樁樁徑分為6.5～7.2 m及6.5～7.48 m兩種，壁厚為64～78 mm，單樁最大長度 77m，最大重量約1 000 t。海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。場區內地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。海區全年盛行偏北向浪，頻率為63%，最大波高出現在9月份，達到2.8 m，6月份最小值1.8 m。

綜合以上樁身外側設置電纜管引入和樁身開孔引入兩種方案的分析，并針對本工程海洋環境、地質條件，推薦采用樁身開孔內部布置海纜型式，如圖8所示。

圖8 開孔單樁基礎海纜引入示意圖

5 結 語

根據國內外已建海上風電場情況，海纜進風機塔筒內部主要有兩種方式：樁身外側設置電纜管引入和樁身開孔引入。

1)樁外電纜管方案設計較簡單、海纜施工方便等優點，國內外海上風電場應用較多，有成熟經驗借鑒；其主要缺點為對于水深較深機位及地形復雜的工程，套籠設計較復雜，導致套籠工程量變幅大，加工、運輸、安裝難度加大。

2)樁身開孔式引入主要的優點為樁外部套籠設計簡化；且對于水深較深機位，套籠型式規格簡化，套籠加工制作及施工方便，對船機設備要求較低。其主要的缺點為鋼管樁設計較復雜，設計周期長；開孔處需增加樁體壁厚，增加工程量；此外，樁體需配套開凈水孔、通氣孔，確保樁內氣體便于排放，減少對塔筒內電氣元件的損壞。

3)綜合樁身外側設置電纜管引入和樁身開孔引入兩種方案的利弊，并針對本工程海洋環境、地質條件，推薦采用樁身開孔引入海纜的布置方式。