重力式海上風電機組基礎施工技術要點

董 偉

（中交海洋建設開發有限公司，天津 300457）

風能屬于清潔的可再生能源的范疇，人們對風能的重視程度逐年提高。如今風電場建設的范圍慢慢向近海區域發展，海上風機基礎的特點表現為施工周期長、施工技術復雜以及施工成本投入大等，這也給海上風電技術發展帶來了巨大的阻礙。重力式基礎比海上風電場建設的時間要早，該技術得到了人們的普遍認可，其在淺水區中具有較強的可行性。但是重力式基礎的缺點也不容忽視，其體積和質量比較大，需要采取高效的措施來將其質量和體積降到合理的范圍內，控制運輸成本和施工成本。

1 重力式海上風電機組

海上風電機組的基礎結構特征表現為動力響應明顯、傾覆力矩比較大以及重心比較高等，還會受到海冰、海床地質情況、海流和海浪的影響。在船塢和碼頭場地中完成重力式基礎的預制施工，用船運或是浮運的方式將其運輸到指定位置，在基礎內部空腔填充施工時，使用的主要材料為砂礫，然后將其下沉到整平施工完成的海床面上。

當淤泥層比較厚或者在軟土層地基處理時，盡量不要使用重力式基礎，重力式基礎在液化土層、傾斜的海床環境、沖刷效應等基礎環境中也很難發揮出應有的作用。對Nvsted風電項目來說，海床表層的軟土地基厚度大約為6m，在施工時，采取換填的方式處理該軟土地基。對London Arrav West項目來說，存在淤泥質土層，有些海床出現了傾斜的情況。

2 分析關鍵施工技術

2.1 預制重力式基礎結構

重力式基礎的下水方式和預制情況受基礎結構預制場地的直接影響，預制場地要達到大型混凝土結構預制施工的標準，設置大型混凝土構件運輸碼頭。

重力式基礎的特點表現為混凝土用量多、基礎體積較大。重力式基礎處于海洋腐蝕環境中，要想保持其耐久性，滿足力學性能指標，要嚴格控制表面混凝土的裂縫寬度，同時使用后張法預應力施工技術。

重力式結構具有超大的質量和尺寸，最大海上風電機組重力式基礎的重量達到3000t，高度達到40m。1）使用軌道臺車或高壓氣囊滑移、“蜈蚣車”移運的方式來運輸重力式基礎，滾筒搬運重物的原理與氣囊出運的原理一致，將充氣圓形膠囊放置在沉箱底部，借助充氣加壓的方式來對沉箱進行頂升，將牽引力施加到需要移動的方向上，帶動氣囊滾動，使構件移運得以實現。2）基礎下水主要包括4 種情況：①使用起重船吊運到船上；②利用半潛駁下水；③在船塢中制作完成，并完成充水作業，起重船吊利用基礎自帶的浮力將其吊運到甲板上；④在浮式船塢中完成預制施工。3）基礎運輸要全面分析天氣等因素。主要考慮3 個方面：①以基礎和運輸類型為基礎，詳細剖析冰雪、波浪以及風速等信息；②運輸天氣、距離和海面情況決定著運輸的窗口期，施工窗口期有明顯的季節性，將運輸窗口期計算放在核心位置上；③船舶平穩性。即考慮船舶具有的抵御外力保持船身平穩的特性。

2.2 處理海床

巨大的荷載會通過重力式基礎傳遞到地表上，因此在處理海床時，保證海床的平整度和承載力滿足相關的標準。

在基槽挖掘施工過程中，先粗挖、后精挖。將海底松散的砂土和泥土挖至承載力土層處，挖掘施工使用的主要設備為反鏟挖掘機，根據工程地質情況來確定泥土挖掘的厚度。在挖掘施工厚度＞3m 時，使用分層挖掘施工的方法；挖掘施工厚度＜3m 時，一次性完成挖掘施工。

挖掘基槽時，當基床寬度和厚度滿足設計標準時，確保邊坡挖掘施工與設計標準一致。潛水員要下水對已經完成挖掘施工部分的淤泥回淤分布情況進行詳細了解，依據淤泥回淤的情況合理設置清淤方法。

基槽拋石的施工步驟：1）拋石時，下放中心定位裝置和鋼制框架來輔助施工，潛水員利用GPS（Global Position System，全球定位系統）來完成精準定位。2）清理干凈海床上的浮土和雜質。3）將碎石或者是礫石填充到鋼制框架中。4）潛水員在推平砂石層時，需要使用鋼制框架上的平板來完成輔助施工。5）將鋼制框架拆除掉。6）在一些特定的區域中，需要對碎石層進行灌漿處理，或者是壓實碎石層。

在夯實基床過程中，使用方駁吊機起吊重錘完成縱橫向夯擊施工。在夯擊施工前，潛水員事先將基床整平，使夯實達到最佳效果。使用方駁吊機定量、定點完成局部不平整區域的夯實施工，使局部高差控制在30cm 以內。

平底錘是夯錘的主要形式，一般錘重為8t～12t，將落距控制好，每錘的沖擊能量要滿足設計標準，采取初夯和復夯方式進行夯擊施工，將基床漏夯或是局部隆起的問題控制到最少。根據試夯情況來確定夯擊施工的次數，在基床夯擊施工時，采取分層分段施工的方法，每層的厚度要盡量一致，如果夯擊能比較大，適當增加分層的厚度。

使用“導軌刮道法”來整平基床，在測量導軌墊塊時，需要有潛水員的密切配合，將厚度不同的鋼板墊在導軌與墊塊中間，整平標高與軌頂一致。潛水員在水下整平施工時，以刮尺底部為依據，潛水員將高出刮尺底部的石塊全部從基床中搬離，使用2 片石填充刮尺底部石間不平整的位置，使用碎石將2 片石間的空隙填平。

2.3 安裝基礎

安裝基礎時，在目標海床點做好基礎定位工作，基礎安裝定位使用的主要設備為水下定位系統和GPS 定位系統。

使用大型浮吊完成基礎的吊升和安放施工，假如重力式基礎空載重力比較大，無法找到合適的浮吊，使用半潛駁下潛，使基礎能夠承受住一些浮力，接著使用浮吊吊裝施工。在吊裝施工前，將基礎定傾高度計算準確。如定傾高度不能滿足相關的標準，使用壓載水加壓，保證基礎能夠達到穩定的狀態。

重力式基礎設置好以后，在基礎空腔中填入處理海床時挖掘出來的碎石或者是事先準備好的碎石。如果砂是主要的填充物，一般情況下，會在攪拌船上將水和砂攪拌均勻后，用泵將其吸入基礎空腔中。

3 應用實例

3.1 工程概況

預制預應力鋼筋混凝土結構是重力式基礎結構的主要形式，基礎結構包括底部大直徑圓形底板、圓弧過渡段殼體、錐形殼體和上部小直徑圓柱形殼體等，殼體的平均厚度保持在60cm 左右，底板的平均厚度保持在1.5m 左右，重力式基礎參數為總質量119kg，總高度46m，中心高度9m，正浮吃水深度169m，排水體積42659m，浮心高度5586m，初穩性高度-3m。

3.2 穩定性驗算過程

對海上風電機組重力式基礎來說，其承受的偏心荷載比較大，基礎底板以圓形或者對稱的多邊形為主，該文使用的是圓形基礎底板。重力式基礎結構主要包括工作臺、抗冰錐、圓柱段殼體和混凝土底板等，風電機組塔筒與基礎頂部相連，在海平面位置處設置抗冰錐，在整平的碎石墊層上安裝基礎。海域重力式基礎機構的具體情況如圖1 所示。

圖1 海域重力式基礎的典型結構圖

基床摩擦力、基床反力、靜水壓力、波浪或海流引起的水平力、風電機組、基礎自身重量和上部結構傳遞的豎向力等是重力式基礎基底上承擔的所有荷載。

在計算海上風電機組的重力式基礎穩定性時，其所包括的主要內容有基礎抗滑移穩定性、基礎抗傾覆穩定性和地基承載力等。在DNV 規定中，對重力式基礎所承受的扭知作用進行了明確的要求：在對地基承載力進行計算的過程中，將扭知作用下的公式轉變成為具有同等效力的水平荷載。在我國的相關規定中，關于重力式基礎受扭知荷載影響的相關論述基本沒有，還需不斷地增加該方面的研究。

在重力式基礎下沉過程中，浪、風等環境荷載，會帶來不同程度的影響，要想使其保持平衡的狀態，需要由4 條風電施工船舶的纜繩來穩定支撐。以三維勢流理論為基礎，對頻域范圍內的重力式基礎波浪荷載進行計算，通過繞射力和入射力表達波浪載荷，見式（1）。

結合卡明斯脈沖理論，把頻域范圍之內所得波浪荷載轉化成為時域，見式（2）。

式中：F（）為時域波浪載荷；h（t-）為脈沖響應函數，為自由度，第個自由度使用下標來表示，為沉箱高度（m），為沉箱吃水（m）；（）為時刻的波面升高值。

以OCIMF 規范（油船規范）為基礎，對重力式基礎風流載荷F和F進行計算，見式（3）和式（4）。

式中：ρ為空氣密度；V為作業海域風速；C、C分別為縱向和橫向風力系數；A、A分別為重力式基礎縱向和橫向受風面積。

流載荷可用式（5）和式（6）計算：

式中：ρ為海水密度；V為流速；C、C為流力系數；為重力式基礎投影長度；為吃水。

在海流、浪、風環境載荷的影響下，重力式基礎保持平衡狀態主要是借助外部纜繩供給的回復力得以實現，時域運動方程見式（7）。

海上風電機組重力式基礎需要承受來自各個方向的大偏心荷載，下文進行詳細分析。1）目標海域的水深達到了42m，定常風，表層海流，Jonswap 譜為波浪譜的主要形式，形狀參數Gamma 設置為3.3，風、浪、海流的方向全部選取為180°，具體環境參數見表2。2）在重力式基礎和施工船模型創建過程中，使用AQWA 水動力軟件，用尼龍纜繩將重力式基礎與施工船連接起來，每條風電施工船上配備1 根纜繩，使其約束重力式基礎。3）分析計算結果后發現，使用4 根纜繩進行約束時，在初始狀態下，在風、浪、海流作用影響下，重力式基礎會出現傾覆的情況。造成這種情況的主要原因為，重力式基礎不但會受到風荷載的影響，水面以下的海流載荷也會給其帶來一定的影響，海流載荷不會產生相應的回復力。因此，當風、浪、海流的方向全部處于180°時，水下部分不會有回復力存在，于是重力式基礎就會出現傾覆的情況。以初始方案為基礎，優化升級下沉方案，使用4 根纜繩來約束重力式基礎的水下部分，抵抗海流荷載作用。重力式基礎6 自由度運動統計值見表3。重力式基礎與風電施工船間的纜繩張力見表4。纜繩安全系數的計算公式為纜繩安全系數=纜繩破斷力/纜繩最大張力。對表3 和表4 進行分析，可知在特定的環境條件中，優化后的方案具有較強的可行性，重力式基礎的運動趨于穩定的狀態，重力式基礎與施工船間連接纜繩的安全系數比較高。4）在施工時，波高為0.5m 的條件十分嚴苛。分析海域統計資料后得知，海域中海況以4 級和5 級居多，4 級所占比例為33%，5 級所占比例為22%，3 級以下所占比例為38%，5 級以上所占比例為7%。將#1、#2 纜繩張力值和縱蕩、縱搖運動值設置為控制量，開展相關對比工作，結果顯示，在波高不斷增加的過程中，重力式基礎運動量也會隨之發生巨大改變，在波高達到2m 時，重力式基礎就會出現傾覆的情況，波高給重力式基礎運動造成的影響，以非線性為主。

表2 具體環境參數

表3 重力式基礎6 自由度運動統計值

表4 纜繩張力統計值

在波高的影響下，重力式基礎與施工船間的連接纜繩張力最大值達到了3.46E+05，纜繩編號設置為#1，安全系數取值為5。重力式基礎安裝定位時，縱搖角過大會造成不利影響，同時也會給下沉施工的安全性帶來不同程度的影響。結合以往的施工經驗，下沉施工的縱搖角要保持在2°左右，所以，在下沉施工時，有益波高設置在1m 以內。

4 結語

該文分析海上風電機組重力式基礎施工，制定下沉施工方案，探討下沉施工的穩定性，得出3 個結論。1）在重力式基礎下沉施工的過程中，使用4 條施工船輔助施工，4 條施工船上分別設置1 根纜繩來與重力式基礎相連。重力式基礎下沉穩定性比較差，會有傾覆的情況發生，4 條施工船上的纜繩不能將風、浪、海流聯合作用徹底消除。2）優化升級初步方案，4 條施工船上分別設置2 根纜繩。在指定環境中，重力式基礎運動能夠保持在穩定狀態下，重力式基礎與施工船間的連接纜繩能夠起到較好的穩定作用，且安全系數較高。3）在優化升級初步方案的基礎上，重點分析重力式基礎受環境條件的影響。最終結果顯示，重力式基礎運動受波高的影響主要體現為非線性特點。當波高＞2m 時，重力式基礎就會出現傾覆的情況。要想保障重力式基礎下沉施工的安全，就對下沉作業波高進行控制，將其保持在1m 內。