海上風(fēng)電吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

海上風(fēng)電吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)研究摘要：國內(nèi)近海水深20～30m左右、正在開發(fā)建設(shè)的海上風(fēng)電場大多選用水下四樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)，成本高、工效低、質(zhì)量管控難度高、風(fēng)險高。吸力樁型基礎(chǔ)具備施工安裝方便、噪聲小、可重復(fù)利用、方便拆除、受水深增加影響小等優(yōu)點(diǎn)，其在海洋工程領(lǐng)域已有近40年的使用歷史，借鑒海洋工程經(jīng)驗，國內(nèi)設(shè)計人員正試圖將吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)應(yīng)用于海上風(fēng)電領(lǐng)域。吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的施工難度大，包括沉貫過程模擬和計算分析，土動載下的土塞效應(yīng)和滲流特性，安裝坐標(biāo)、方位角和傾斜度測量等。吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)施工的成功與否直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)、浪、流等載荷的能力和壽命。本文針對吸力樁型導(dǎo)管架的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并結(jié)合蘇格蘭阿伯丁（Aberdeen）項目的實踐經(jīng)驗分析其過程中的施工特點(diǎn)及重難點(diǎn)，為我國海上風(fēng)電基礎(chǔ)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：吸力樁；吸力筒；吸力桶；導(dǎo)管架；海上風(fēng)電；基礎(chǔ)施工

Abstract：Thedepthoftheoffshorewaterisabout20~30minChina，mostoftheoffshorewindfarmsunderdevelopmentareselectedfromtheunderwaterfour-pilejacketsfoundations，whichhashighcost，lowefficiency，difficultqualitycontrolandhighrisk.Thesuctionpiletypefoundationshavetheadvantagesofconvenientconstructionandinstallation，lownoise，reusable，easytodismantle，andlessaffectedbytheincreaseofwaterdepth.Ithasbeenusedfornearly40yearsinthefieldofmarineengineering.Withreferencetomarineengineeringexperiences，domesticdesignersareworking.Attemptshavebeenmadetoapplythesuctionpilejacketsfoundationstooffshorewindpower.Theconstructionofthesuctionpiletypejacketsfoundationsisdifficult，includingthesimulationandcalculationanalysisofthepenetrationprocess，thesoilplugeffectandseepagecharacteristicsunderthesoildynamicload，theinstallationcoordinates，theazimuthandtheinclinationmeasurement，etc.Thesuccessorfailureofthefoundationsconstructionofthesuctionpiletypejacketsisdirectlyrelatedtotheabilityandlifeofthewindturbinefoundationstoresistloadssuchaswind，wavesandflow.ThispaperstudiesthekeyconstructiontechnologyofsuctionpilejacketsandcombinesthepracticalexperienceofAberdeeninScotlandtoanalyzetheconstructioncharacteristicsanddifficultiesintheprocess，andprovidereferenceforChina'soffshorewindpowerinfrastructureconstruction.

Keywords：suctionpile；suctioncylinder；suctionbucket；jackets；offshorewindpower；foundationsconstruction

1引言

1.1海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀

隨著時代的發(fā)展變遷，可再生能源的投資開發(fā)已成為全球新能源領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有平均風(fēng)速高、風(fēng)切變小、湍流強(qiáng)度小、產(chǎn)出高等優(yōu)點(diǎn)，近海風(fēng)能資源開發(fā)潛力大、靠近沿海各用電負(fù)荷中心，海上風(fēng)電因此成為能源戰(zhàn)略的發(fā)展方向，海上風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)也逐漸成為國內(nèi)外可再生能源發(fā)展的焦點(diǎn)。

為了承受海上的強(qiáng)風(fēng)荷載、海流、波浪耦合沖擊、海水鹽霧侵襲等，相對陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度高。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)近海水深20～30m左右的海上風(fēng)電場大多選用水下四樁導(dǎo)管基礎(chǔ)，基礎(chǔ)造價占比約為25～30%，隨著開發(fā)場址水深的加深，選擇水下四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，基礎(chǔ)造價占比會進(jìn)一步提高；另外，隨著國家競爭性配置政策的推行，如何降低海上風(fēng)電的LCOE顯得尤為重要，因此選用結(jié)構(gòu)合理、能顯著降低工程造價的海上風(fēng)電基礎(chǔ)是發(fā)展海上風(fēng)電迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1.2吸力樁型基礎(chǔ)應(yīng)用情況

吸力樁（也可稱為“吸力筒”或“吸力桶”）是一種底端敞開、上端封閉的鋼質(zhì)圓桶型結(jié)構(gòu)，可與上部導(dǎo)管架設(shè)計為一體，因其外觀形狀像倒扣的桶且靠吸力沉貫而得名，安裝過程中，先通過自重沉貫，然后通過吸力泵將樁內(nèi)海水抽出，形成樁內(nèi)外的壓力差，將吸力樁沉貫至設(shè)計入泥深度。吸力樁在海洋工程領(lǐng)域已有近40年的使用歷史，吸力樁是上世紀(jì)40年代提出來，70年代以來，海油工程依據(jù)負(fù)壓錨原理，在北海和墨西哥灣采用帶裙型的基礎(chǔ)平臺，1980年在北海安裝的12個吸力樁是其首次商業(yè)應(yīng)用；1994年7月，挪威國家石油公司建成了一座新型的大型導(dǎo)管架平臺，該平臺采用了一種新型的基礎(chǔ)——吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)（水深70m）；吸力樁自上世紀(jì)90年代開始，陸續(xù)在國內(nèi)開始應(yīng)用。吸力樁型基礎(chǔ)在國內(nèi)外海洋工程，尤其是海油工程里，已經(jīng)積累了大量的理論、實踐經(jīng)驗和技術(shù)成果，技術(shù)已成熟、可商業(yè)應(yīng)用和推廣。吸力樁具有定位準(zhǔn)確、施工效率高、費(fèi)用低、噪音小、可承受較大的橫向力和扭轉(zhuǎn)力矩、回收簡單、可重復(fù)利用及受水深增加影響小等優(yōu)點(diǎn)，因而得到越來越多的應(yīng)用。本文主要研究吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的特點(diǎn)、適用范圍、施工工藝及施工關(guān)鍵性技術(shù)。

2吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)分析

2.1吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海上風(fēng)電的應(yīng)用

吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)，目前已經(jīng)在歐洲的測風(fēng)塔、海上升壓站、海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，在2017-2018年施工建設(shè)的蘇格蘭阿伯?。ˋberdeen）海上風(fēng)電項目，采用了11座吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)，安裝9臺MHI-VestasV164-8.4MW和2臺MHI-VestasV164-8.8MW風(fēng)機(jī)；在國內(nèi)暫時在海油工程中應(yīng)用較多，海上風(fēng)電方面應(yīng)用較少，香港中華電力有限公司在2012年投資建設(shè)了1座海上測風(fēng)塔平臺，采用了吸力樁型基礎(chǔ)。基于吸力樁型基礎(chǔ)的上述優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用案例，國內(nèi)設(shè)計人員正嘗試將吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)應(yīng)用在海上風(fēng)電領(lǐng)域，助力海上風(fēng)電行業(yè)的健康有序發(fā)展。

2.2與水下四樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的對比

水下四樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)是目前國內(nèi)開發(fā)建設(shè)海上風(fēng)電項目的主推基礎(chǔ)型式，海上風(fēng)機(jī)水下四樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)一般采用沉樁法施工。需使用導(dǎo)向架，先將水下四根樁打入海床土體設(shè)計深度，確保其垂直度及位置精度滿足設(shè)計要求，然后拆除導(dǎo)向架，安裝導(dǎo)管架，完成調(diào)平后開始水下灌漿；平均單臺施工周期約在5-10天左右。水下四樁的垂直度和位置精度要求高，施工質(zhì)量管控難度大；為了避免樁與導(dǎo)管架之前的結(jié)合段的樁內(nèi)部被海洋生物附著，需連續(xù)施工，對作業(yè)窗口期要求高，在海上的惡劣施工天氣下不容易滿足，工效低、風(fēng)險高；水下灌漿過程不可逆，容易產(chǎn)生漏漿現(xiàn)象，大大增加灌漿料的成本投入，對海洋環(huán)境造成不良影響；灌漿質(zhì)量管控難度非常高，且暫無檢測及修復(fù)、返工手段，給后續(xù)海上風(fēng)機(jī)長期安全運(yùn)行帶來隱患。

吸力樁型導(dǎo)管架一般為三樁或四樁，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一般為三樁，海上升壓站基礎(chǔ)一般為四樁。該兩種型式基礎(chǔ)對比如下：

表1

吸力樁型與水下四樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的對比

在2017-2018年施工建設(shè)的蘇格蘭阿伯丁（Aberdeen）海上風(fēng)電項目，采用了11座吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)（三樁），分別安裝9臺MHI-VestasV164-8.4MW和2臺MHI-VestasV164-8.8MW風(fēng)機(jī)，目前該風(fēng)電場已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)營。根據(jù)荷蘭吸力樁海洋技術(shù)公司（SPToffshore）提供的數(shù)據(jù)和資料，對該項目的吸力安裝時間（如圖1）、現(xiàn)場安裝時間（如圖2）、垂直度測量結(jié)果（如圖3）和法蘭面高度測量結(jié)果（如圖4）的進(jìn)行整理分析，吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的現(xiàn)場施工時間在8-31個小時之間，施工工效非常高，可以在海上惡劣施工天氣的間隙作業(yè)窗口期順利完成作業(yè)；而其垂直度及法蘭面高度均符合設(shè)計要求，非常利于質(zhì)量管控。

圖1蘇格蘭阿伯丁項目11臺吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)吸力安裝時間

Fig.1

11suctionpilejacketsfoundationsintheAberdeenproject，Scotland.Suctioninstallationtime

圖2蘇格蘭阿伯丁項目11臺吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)現(xiàn)場安裝時間

Fig.2

11suctionpilejacketsfoundationsintheAberdeenproject，ScotlandSiteinstallationtime

圖3蘇格蘭阿伯丁項目11臺吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)垂直度測量結(jié)果

Fig.3Foundationsof11suctionpilejacketsintheAberdeenproject，Scotland.Verticalitymeasurementresults

圖4蘇格蘭阿伯丁項目11臺吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)法蘭面高度測量結(jié)果

Fig.411SuctionpilejacketsfoundationsintheAberdeenprojectinScotlandFlangeheightmeasurementresults

通過上述分析，吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)具有工程造價低、工效高、質(zhì)量易管控、環(huán)境友好、可承受較大的傾覆力和扭轉(zhuǎn)力矩、回收簡單、可重復(fù)利用及受水深增加影響小等優(yōu)點(diǎn)，有助于進(jìn)一步降低海上風(fēng)電的LCOE和施工風(fēng)險，提高海上風(fēng)電的施工質(zhì)量，因此，吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海上風(fēng)電有很好的應(yīng)用前景。

3施工關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1施工原理

吸力樁型基礎(chǔ)為一個頂端封閉、底端敞開的結(jié)構(gòu)，主要原理是負(fù)壓作用。首先在施工中，吸力樁型基礎(chǔ)被吊裝在海底進(jìn)行定位，由于基礎(chǔ)本身的自重會使其貫入海床土體的一定深度，使樁內(nèi)形成一個密閉的空間，通過安裝在吸力樁頂端的吸力泵向外排水，在吸力樁的內(nèi)部與外界形成一個負(fù)壓差。吸力樁沉貫時，主要遇到2個阻力：樁端阻力和樁側(cè)摩阻力；當(dāng)樁內(nèi)外負(fù)壓差形成的下壓力超過向上的阻力時，吸力樁型基礎(chǔ)可被不斷的下壓、沉貫（如圖5）。在施工過程中，通過調(diào)節(jié)吸力泵的工作參數(shù)進(jìn)而調(diào)整樁內(nèi)外壓力差，控制吸力樁沉貫速度，同時監(jiān)測其傾斜度等參數(shù)，直至沉貫至設(shè)計要求深度。

圖5

吸力樁工作原理圖

Fig.5Workingprinciplediagramofsuctionpile

在施工過程中，當(dāng)樁內(nèi)的壓力差可能與沉貫阻力相平衡，吸力泵排水將不能使基礎(chǔ)貫入，此時需要根據(jù)應(yīng)對預(yù)案，進(jìn)行一系列的應(yīng)對措施，一是增加吸力，但需要控制在一定范圍內(nèi)；二是壓力循環(huán)；三是導(dǎo)管架循環(huán)等等。待基礎(chǔ)沉貫到位后，通過在船上的中央控制室操作吸力泵的液壓控制插銷，拆除吸力泵；如果出現(xiàn)意外情況，中央控制室無法打開時，可采用水下ROV進(jìn)行操作。吸力樁型導(dǎo)管架安裝完成后，內(nèi)外將不再有任何壓力差。

3.2施工工藝

3.2.1吸力樁型導(dǎo)管架工作的主要施工工藝如下：

（1）安裝前準(zhǔn)備

安裝前準(zhǔn)備工作包括：吸力樁型導(dǎo)管架生產(chǎn)制造、碼頭裝船固定、海上運(yùn)輸、船舶拋錨定位、設(shè)備（如吸力泵系統(tǒng)、水下ROV、傾斜儀有水平姿態(tài)儀、水下電羅經(jīng)、短基線定位系統(tǒng)、內(nèi)外壓力傳感器等）安裝調(diào)試、吊具和牽引繩安裝等。

（2）導(dǎo)管架吊裝入水

將吸力樁型導(dǎo)管架起吊，移至擬安裝粗定位的位置，吊裝設(shè)備松鉤、將導(dǎo)管架放入水中，在吸力樁底端剛接觸到泥面時（如圖6a），暫停松鉤。在此過程中，吸力泵排水口打開，使得樁內(nèi)的水可自由排出。通過操作吊裝設(shè)備的扒桿動作、卷揚(yáng)機(jī)輔助調(diào)整牽引繩或移船等操作，使吸力樁進(jìn)行小范圍移動調(diào)整；同時通過水下電羅經(jīng)監(jiān)測吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的方位角，通過短基線定位系統(tǒng)監(jiān)測吸力樁型導(dǎo)管架的坐標(biāo)，直到坐標(biāo)和方位角均滿足設(shè)計安裝精度時，停止移動吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

（3）導(dǎo)管架下放、自重貫入

吊裝設(shè)備繼續(xù)緩緩松鉤，吸力樁型導(dǎo)管架靠自重使其吸力樁貫入海床土體，并形成可吸力沉貫的樁土密封條件。在此過程中，吸力泵排水口打開，使得樁內(nèi)的水可自由排出（如圖6b）；同時保持監(jiān)測其傾斜度，確保滿足設(shè)計要求。在自重貫入過程中，如果需要，可通過控制吸力泵來調(diào)節(jié)導(dǎo)管架的水平度。

（4）吸力泵系統(tǒng)排水、貫入

在自我貫入完成后，將吊裝纜繩處于放松狀態(tài)，然后啟動吸力泵系統(tǒng)（如圖7），抽取吸力樁內(nèi)的水，使吸力樁內(nèi)形成負(fù)壓，吸力樁在樁頂端內(nèi)外壓力差的作用下，慢慢貫入海底土體（如圖6c）。在此過程中，導(dǎo)管架的傾斜度和入泥深度通過吸力泵系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，安裝船上中央控制室對安裝數(shù)據(jù)和速度進(jìn)行控制。同時也可通過水下姿態(tài)儀和水下ROV等設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)（如圖8），直到吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)貫入深度達(dá)到設(shè)計要求（一般為吸力樁的頂端基本與海床泥面有約30厘米間隙）。

若吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)沉貫過程中，實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)傾斜度超過允許值時，通過控制各自吸力樁上吸力泵的流量來控制吸力樁的貫入速度來調(diào)節(jié)水平度，直至吸力樁型導(dǎo)管架安裝到位及完成水平調(diào)節(jié)。

（5）沉貫到位

吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)沉貫到位后（如圖6d），測量其傾斜度（法蘭水平度）滿足設(shè)計要求后，回收吸力泵系統(tǒng)等水下施工機(jī)具的回收，安裝結(jié)束。

圖6吸力樁型基礎(chǔ)的安裝過程

Fig.6Installationprocessofsuctionpilefoundation

圖7吸力泵系統(tǒng)（三樁型）圖

Fig.7Suctionpumpsystem（threepiletype）

圖8吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)（三樁型）施工模擬圖

Fig.8Constructionsimulationdiagramofsuctionpiletypejacketsfoundations（threepiletype）

3.2.2安裝技術(shù)分析

吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)在安裝前需要根據(jù)安裝位置所處海域的海況、水文、氣象情況、海床地質(zhì)、土壤特性、安裝船舶、吊裝設(shè)備、吸力樁型導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等條件進(jìn)行安裝分析工作，主要包括在位能力分析和安裝能力分析，具體為靜力分析、疲勞分析、貫入可行性與屈曲分析、極限承載力分析、吊裝分析、運(yùn)輸分析、質(zhì)量控制分析、施工風(fēng)險分析等，以確保吸力樁型導(dǎo)管架的施工滿足設(shè)計要求。

安裝前需要考慮粘土和砂土的不同特性。粘土（clay）和砂土（sand）在吸力樁安裝時會產(chǎn)生的現(xiàn)象是完全不同的。粘土是不會上升的，但是如果壓力過大，粘土?xí)怀樽?，從而降低在位能力；同時，粘土也不會出現(xiàn)滲流現(xiàn)象。但在砂土中進(jìn)行吸力樁安裝時，砂土?xí)仙?，出土塞效?yīng)，同時會有滲流作用。

（1）土塞效應(yīng)

土塞現(xiàn)象是指在吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)在沉貫入土的過程中，吸力樁內(nèi)的土體在內(nèi)外壓力差和滲流的作用下向中抬升，提前與吸力樁的頂端接觸，阻礙了吸力樁型導(dǎo)管架基礎(chǔ)的繼續(xù)下沉。

在吸力樁型基礎(chǔ)沉貫過程中，吸力泵系統(tǒng)排水形成的下壓力，主要用來抵抗樁阻阻力和樁側(cè)摩阻力，隨著負(fù)壓沉貫的過程，樁內(nèi)的土體在樁端壓力和向上的滲流作用的影響下，產(chǎn)生了塑性區(qū)，從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度，在滲流的持續(xù)作用下，塑性區(qū)的土體慢慢發(fā)生了流變現(xiàn)場，減少了樁端的阻力，從而使樁更容易沉貫入土。流變隨著負(fù)壓和時間的增大逐漸加強(qiáng)，土塞上升的速度也相應(yīng)加快。

（2）土塞影響

土塞的現(xiàn)象給吸力樁型基礎(chǔ)的施工過程帶來了困難，提高了作業(yè)難度，而吸力樁型基礎(chǔ)因此沒能安裝到位、沒達(dá)到設(shè)計深度要求，不僅會降低其設(shè)計抗傾覆能力，而且還會造成海底水流作用對吸力樁型基礎(chǔ)周邊土體進(jìn)行沖刷，尤其在近海，水深相對較淺，在海流和波浪力的長期共同作用下，沖刷作用和海洋沉積物移動現(xiàn)象明顯，會導(dǎo)致基礎(chǔ)裸露長度增加，給后續(xù)的安全運(yùn)行帶來隱患。

（3）土塞分析

在吸力樁型基礎(chǔ)沉貫時，必須施加足夠的吸力以使吸力樁下沉，同時吸力需通過智能化、數(shù)字化的吸力泵系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制在一定的范圍內(nèi)，以使土體不致發(fā)生整體失穩(wěn)破壞形成過大土塞。因此，當(dāng)吸力最大壓強(qiáng)一定時，吸力樁直徑、海床土強(qiáng)度確定時，吸力樁的沉貫效應(yīng)取決于壓力差作用的有效面積，有效面積越大，沉貫效應(yīng)越大，最終沉貫量也越大，土塞高度也相對越小。

吸力樁型基礎(chǔ)在吸力沉貫