海上风机及升压站单桩基础防护技术

海上风机及升压站单桩基础防护技术

何康礼

（广东粤电湛江风力发电有限公司广东省湛江市524000）

摘要：本文以广东某198MW海上风电项目单桩基础防冲刷保护工程为例，根据实际情况，总结了海上风机及升压站单桩基础防护技术要点，对相关的海上工程实践有一定地指导意义。

关键词：海上风机；单桩基础；防护技术

一．工程概况

风力发电作为清洁能源的一种方式受到人们的青睐。2011年初，中国以4×107kW风电装机总量超过美国跃居世界第一[1]。相比与陆上风电，海上风电具有风速较高，风能较大，发电功率密度大等优点，我国沿海的可再生能源建设项目正逐年增加。国内已经相继完成渤海绥中近海试验项目、江苏响水近海试验项目、中闽湘电5MW海上样机工程等多个试验风场以及上海东海大桥100MW海上风电示范项目的建设工作[2-3]。

广东某海上风电项目场址,位于湛江市徐闻县新寮岛及外罗以东的近海区域。场址距离西侧徐闻县陆域的最近距离10km，最远距离约20km，项目规划面积约30km2，施工水深2～11m。共布置36台容量为5.5MW抗台型风力发电机，装机容量为198MW；配套建设一个陆上集控中心，1座220kV海上升压站，8组35kV场内集电海缆进入升压站，升压后通过220kV海底电缆登陆接入陆上集控中心，然后以220kV架空线路接入闻涛变电站，线路长度约33km。

二．自然条件

风电场所处海域潮汐现象主要是太平洋潮波经巴士海峡和巴林塘海峡进入南海后形成的。以湛江港潮位站和硇洲岛潮位站以往资料，以及本次全潮观测所设临时潮位站资料，工程附近海域潮性系数在0.88～1.04之间，属于不正规半日潮，其特征是一太阴日有两次高潮和两次低潮，随着月球赤纬的增大，半日周期相邻两潮期的高潮或低潮高度不相等的现象逐渐显著，至月球到赤纬到北或南最大，日不等最大；随着月球赤纬的变小，日不等也变小。由于受地形的影响，外海潮波从湾口进入湾内后发生变形，高潮位逐渐增高，低潮位逐渐降低，潮差也逐渐增大。本项目工程区理论最低潮面在1985年国家高程基准下1.488m，

风电场所处海域面向开阔南中国海，全年的波浪以风浪为主，年风浪频率达90%，受季风的影响，最多风浪向为ENE和E，频率分别为22%和17%。5月和8月为偏SE向，10月至次年3月为ENE向，4月和9月则为E向受热带风暴的影响，往往出现巨大的波浪。

风电场区域无长期测波资料，硇洲岛海洋站位于硇洲岛东部约-10m水深处，该站所处位置相对较为开敞，对工程海域具有较好的代表性。

根据硇州岛海洋站1960～1979年实测波浪资料统计，年平均波高H1/10=0.9m，平均波高的年变化受季风影响，5月和8月的平均波高较小，为0.7m～0.8m，10月至次年3月的平均波高较大，为1.0m～1.2m，平均波高11月最大为1.2m。

通过全潮水文测验和数值模型计算分析，工程海域潮位和潮流之间存在着一定的相位差，工程海域潮波属以前进波为主的混合潮波。工程区全潮平均流速在0.6~0.8m/s之间，最大流速大多在0.8~1.5m/s之间，个别位置最大流速可达2.1m/s。工程附近海域潮流，深槽内潮流具有明显的往复性，浅滩上潮流具有明显逆时针旋转流特性。涨潮时间要略大于落潮时间，且涨潮流速要大于落潮。

场址距离西侧徐闻县陆域的最近距离约6.8km，最远距离约17.5km，海底地貌属于水下浅滩、水下岸坡地貌单元，有部分砂洲，水下地形较平坦，海底泥面标高一般为-1m~-10m，范围变化较广。

根据测风塔2010-1-1～2010-12-31完整周年的测风数据，统计分析测风塔各月的平均风速及风功率密度，见图1、2所示。测风塔测风年10~100m不同高度年平均风速在6.39~7.85m/s之间，年平均风功率密度在235～415W/m2之间，其中50m高度的年平均风速在7.25m/s之间，年平均风功率密度在331W/m2。测风塔测风年的年内变化较大，10月~翌年4月的风速相对较大，5月~9月风速较小。

三．防冲刷保护材料及施工要求

冲刷现象是上部水流的冲蚀作用引起河床或海岸剥蚀的一种自然现象[1]。海上风机单桩基础是采用单根大直径钢管桩作为风机的支撑基础，以承受风载荷、风机载荷、波浪载荷及载荷组合方式相互作用的多方面载荷[2]。海上风电机组的基础结构与陆上风机相比，不仅在结构荷载能力上要有所加强，对风机单桩基础的防冲刷保护也非常关键[3]。

3.1材料要求

防冲刷保护采用砂袋和砂被复合保护的方法，单台基础设置2块砂被。材料要求如下：

1）土工布

砂被及砂袋袋体采用400g/㎡涤纶长丝机织土工模袋缝制，土工模袋主要项目应满足表2.3-1的要求，其它项目应满足《土工合成材料长丝机织土工布》（GB/T17640）的要求；砂被底部缝制宽70mm丙纶加筋带，力口筋带拉伸负荷应大于20KN，砂被两端加筋带各预留1m制成拉环（施工单位可根据吊装情况调整预留加筋带长度）。严格按照规范及设计确保土工织物的各项技术指标达到要求。

2）填充料

砂被及砂袋充填料采用渗透系数不小于l0-3cm/s的细砂或中粗砂，粒径大于0.075mm的颗粒含量应大于85%，粘粒(d<0.005mm)含量应小于3%。

3.2施工要求

施工中的砂被、砂袋缝制要求如下：1）所需的土工织物在有资质的生产厂家专业生产加工，并按设计要求进行加工缝制。砂被、砂袋由生产厂家加工完成并检验合格后，运至工程现场，报监理验收，监理验收合格后，方可投入工程施工。2）对砂被接缝的结构形式、缝纫针的大小、针距、缝纫线的质量都须按设计要求及规范要求严格控制。3)砂被、砂袋缝制须满足《水运工程土工合成村料应用技术规范》（JTJ239）及其他相应的规程规范要求，缝制误差需满足表1。

表1砂被缝制允许误差要求

注：L为砂被长度,B为砂被宽度，单位为mm。

3.3砂被敷设、砂袋抛填要求

在砂被敷设和沙袋抛填时，应充分考虑砂的易流动性及吊点的数量和分布，砂被在陆上充填完成后，砂被厂家需进行试吊，并根据试吊的结果调整吊点数量、分布，预留加筋带长度等具体参数。根据工程需要，做好施工前各项施工准备，施工抛填时不得损伤钢管桩，铺设之前先进行海底地形测量、清基。本工程场区范围内浅表层土多为粉细砂，砂被可在陆上充填完成后运送至施工机位，进行现场施工。

砂被、砂袋充灌时要确保砂流动通畅，充灌后须检测砂被厚度，满足设计要求后方可送至施工机位。砂被铺设应考虑涨落潮流方向，施工时应按照施工图所示方向逐块铺设（先铺南侧，再铺北侧，北侧砂被搭接在南侧砂被上），铺设时力求平整，避免褶皱，铺设后搭接宽度约2.0m；砂被铺设时，应保持定位正确，砂被铺设前应及时进行桩周砂袋抛填，避免桩周土被水流掏空，导致砂被移位等。

砂被的下水位置由具体水的流向及流速确定，施工前调查施工期潮流及波浪强度及方向，做好相应的施工措施及安全防护工作，保障砂被顺利铺设到位，并尽量减少砂被的横向收缩量。施工时可采用GPS定位，由潜水员下水配合抽查砂袋抛填及砂被铺设质量。施工完成后，应派潜水员下水检测防冲刷保护结果，应尽量留有照片、视频等，施工期间应定期检查防冲刷效果。

3.4主要工程量及施工流程

主要工程量包括：1）定制采购35m×18.5m土工布砂被144块（36台×2副），800mm×500mm土工布砂袋54000只，具体数量以现场实际生产需要为准；2）防冲刷砂被：用砂工程量为43200㎡，防冲刷砂袋：用砂工程量为7200m³；3）海上36台基础的砂被、砂袋吊装敷设及其相关摄影等各项工作。

整体施工流程如下：1）进场准备；2)砂被、砂袋制作及检验；3）施工场地选择；4）砂被、砂料进场；5）砂被、沙袋灌充；6）砂被、砂袋运输；7）单个桩重复步骤（水域测量、起重船进场、砂袋抛填、潜水员整平、砂袋吊装、水下定位、水下潜水探摸、验收、撤离现场）。

四．施工难点及解决措施

1、施工环节多

本工程施工环节中，既有海上物料运输、大型起重船舶海上定位，壁厚30mm，通过APE600振拔锤分别把定位钢管桩打入持力层定位，并采用吊挂结构模式进行调整导向架平台标高、水平度及受力固定导向架。

该项目采用顺—1600起重打桩船，施工中采用全浮态施工时，依托其船体与运输船系缆进行靠泊施工；施工中采用坐滩施工时，依托其竖向箱体结构及大直径橡胶球型气囊（不需要靠船方驳）和5条软缆风绳，进行运输船的靠泊施工，若水流向或风浪大靠驳困难时，采用抛锚及锚艇辅助靠泊。

4.钢管桩翻身立桩

施工中钢管桩翻身立桩很关键，该项目打破常规两浮吊船台吊钢管桩翻身立桩的传统方法，采用单机双钩进行抬吊钢管桩翻身立桩工艺，大大减少了两浮吊船台吊作业的施工工序，节省了时间，提高了工效，同时也节省了一艘浮吊船费用，突破了海上风电场大直径、大吨位、桩体长的单机双钩进行抬吊翻身立桩作业的新工法。

其中，钢管桩吊装脱离工装时需注意以下几点：1）检查钢丝绳外观、长度、规格及合格证，需验算前后吊点的钢丝绳强度是否符合要求；2）吊装前上吊耳涂一层油漆保护层，然后再悬挂钢丝绳；3）采用两个主钩分别挂上上下吊耳，移动大臂对准设置位置（中心）后，慢慢起钩，钢管桩脱离工装时，再进行一次外观检查，若有油漆损坏或有附着物时，及时处理合格后才能进行钢管桩翻桩作业。

四、结语

本项目中海上风电场36台大直径无过渡段无定位驳大功率风机基础单桩沉桩施工属国内首创；平均1.5个有效工作日完成1根钢管桩沉桩，创行业速度最快之列；最小垂直度误差为0.3‰，远小于设计3‰的规定要求，创行业水平最高之列；最大直径大吨位桩体长单机双钩进行翻身立桩的新工法，属行业技术最先进之列；取得了安全零事故，质量零缺陷，工期零延误的好成绩。

通过本海上风电场项目的顺利实施，证实了海上风电场采用大直径无过渡段无定位驳单桩施工是安全可靠的、也是合理有效的、更是经济适用的。

参考文献

[1]李春.海上打桩过程动态监测与分析[D].天津：天津大学,2013.06.

[2]张伟，王娜娜，刘振纹等，振动锤作用下海上基桩可打入性的数值模拟[J].中国海上油气，2012，6，61-65

[3]赵亮，闫澍旺，樊之夏等，高应变动测技术在海洋石油平台桩基工程中的应用研究，[J].工程力学，2011，28（5），219-225