摘要：随着国内海上风电的开发，风电场建设各方面技术均日益成熟。风机机组逐步大型化，风机基础随之呈现多样化趋势。近海风电场常采用大直径钢管桩结构作为风机基础，该基础形式一定程度上避免了有过渡段单桩的不利因素，但这种基础形式的应用也有较大难度，主要难点在于施工效率低、单桩垂直度难以控制。本文以南海地区大直径单桩海上风机基础施工项目为例，对南海地区大直径单桩海上风机基础施工关键技术进行了详细的阐述，旨在为同行提供一些借鉴和参考。
关键词：大直径；单桩；海上风机；基础施工；关键技术
1、引言
风能作为最具可开发价值的可再生能源而备受世界瞩目。海上风电场更因具有风速大、有效发电时间长、不占用陆地、距离负荷中心近等优点，具有很好的可开发前景。我国幅员辽阔，海岸线长，海上风能资源十分丰富。海上风机必须支撑在海上风机基础上；海洋环境的复杂性，海上风机基础造价占海上风电场成本的20%以上，因此如何降低风机基础造价，减少风机基础海上风机基础施工周期，促进风场近早发电创造效益是开发海上风电的重要课题。单桩基础因其施工方便快捷，经济性好而备受关注。
目前，国际上70%以上的风机基础均采用单桩基础。单桩基础由一个钢管桩沉入海底，钢管桩直径通常在4～6m之间。钢管桩安装在海床下30?60m的地方。传统单桩一般都采用打桩锤沉入土层。然而我国辽宁、山东、浙江、福建、广东、广西等沿海存在大面积浅覆盖层地基，因为基岩面埋藏深度浅，往往无法将钢管桩沉入设计需要的设计高程，使得单桩应用受到较大限制。最近出现了单桩全断面嵌岩技术。然而全断面嵌岩使用的嵌岩设备需要专门研制，设备专用性强，且费用高，不利于推广使用。
2、大直径沉桩施工现状分析
单桩式结构形式是比较简单常用的支撑结构形式。塔架直接由基础桩腿支撑或者通过过渡段把两者连接起来，塔架、桩腿以及过渡段都是圆柱形的钢铁管件。桩腿一直插到海底以下，插入的距离可根据实际的环境载荷以及海底的地质条件确定。除了结构简单外，单桩腿型的优点在于可用在上层泥土流动的海底以及受淘空影响的海况。当然它也有缺点，在水深较深时这种结构的柔性很大，支持结构上端过大的偏移量以及振动是其发展的限制条件。单桩式基础结构适用条件：适合于0～25m的水深范围。单桩基础结构具有设计简单，建造方便，易于施工，节省投资等优点。因此，目前阶段海上风机基础结构型式主要为单桩基础结构。伴随着海上大功率风机机组发展以及风电场址水深增加，大直径单桩风机基础结构直径变大，壁厚增加，桩长增长，单桩结构的重量越来越大，从而对海上运输设备以及吊装船舶设备要求越来越高，最终导致现有施工装备已不能满足海上施工的要求。
由于施工船舶资源短缺，对于大直径超重单桩结构还没有合适的施工装备，导致只能选用其他类型基础结构形式替代单桩基础结构，相应的增加了海上施工时间及投资成本。从而延缓了海上施工速度，不利于海上风电场建设。
3、海上风电场的特点分析
海上风机基础与陆地风机基础相比有以下特点：
（1）荷载：有强风、海浪、冰载和腐蚀的作用。
（2）地质条件：覆盖层多为淤泥质土、沙土或无 覆盖层的裸岩，差异性大，施工条件差。
（3）运输条件：只能水运，在滩涂或潮间带运输 必须采用特制设备。
（4）安装方式：受海浪、强风影响，结构的运输与安装需投入大型水上设备，设备调遣使用费高。就受力而言，海上风电场的基础与桥梁基础是 大同小异的，因而可以借鉴桥梁基础的形式，同时海上石油平台的设计施工理念也值得借鉴。 海上风电场基础除满足自身结构的强度、刚度及稳定性外，还要进行动力模态及疲劳分析，以满足基础结构在海洋环境中安全可靠的要求。
4、大直径沉桩施工施工准备
4.1钢管桩沉桩施工主要船机设备选择
大直径无过渡段单桩沉桩施工，选择合适的打桩船舶和打桩锤很关键。施工前依据工程地质地勘资料、钢管桩尺寸等，采用波动方程理论进行了模拟计算及可打性分析，并结合打桩经验，依据计算沉桩需要的最大能量及总锤击数等指标，确定液压打桩锤进行钢管桩沉桩施工。
4.2施工测量和定位技术
施工测量的仪器设备主要有GPS、全站仪、经纬仪和水准仪，通过全站仪、经纬仪和水准仪进行坐标、垂直度及高程测量，并标定合格后才能使用；通过GPS定位实时自动显示船舶坐标。
单桩基础
4.3船只选择
大型浮式起重船在单桩基础施工中，主要承担单桩结构的起吊、立桩、进龙口、稳桩、定位等作业，吊打沉桩之前全部的准备工作将由其完成，因此对浮式起重船的性能要求很高。如采用无法单独完成钢管桩空中翻身工作的全回转式起重船，则需配置辅助起重船，采用双船抬吊的方式完成管桩的空中起吊、翻身的工作。辅助起重船可利用全回转起重船配合完成，主臂架操作灵活，便于与主起重船的协调配合进行空中操作。
5、大直径单桩海上风机基础施工关键技术
5.1船位布置
定位稳桩平台搭设完成后，由现场船舶调度指挥船舶进点就位。主起重船顺潮流方向就位，使定位稳桩平台位于主起重船的左舷或右舷，且船头方向与稳桩平台龙口方向一致。辅起重船同样顺潮流方向就位，船头方向与稳桩平台龙口方向相对。起重船就位完成后，运桩驳停靠辅起重船且桩顶方向尽量向主起重船船头方向靠拢，使吊耳位于主起重船主吊钩下方。
5.2抬吊
待现场人员检查确认无误后，主起重船与辅起重船开始同步起吊，当桩完全离开运桩驳甲板大约0.5m时，暂停起吊，再次检查钢丝绳受力情况，无异常后继续起吊，当桩距离运桩驳甲板6～7m时运桩驳退出施工区域。
5.3立桩
运桩驳退出后，两条起重船相互配合完成竖桩。竖桩完成后辅起重船继续下放吊钩，使钢丝绳不受力，同时主起重船继续上升吊钩，使单桩翻身吊耳处在水面上2～3m位置时安排交通船将单桩翻身卸扣抽出。
5.4单桩入龙口
解扣完成后，主起重船继续起吊单桩，当桩底提升到适当高度时，旋转起重机，完成入龙口操作。桩处于稳桩平台龙口中间区域时开始下放单桩，当单桩翻身吊耳距离平台顶面大约1m时，停止下放单桩。安排翻身吊耳割除施工，同时完成稳桩平台上层平台外龙口梁安装，测量桩身姿态，调整各千斤顶完成预抱紧操作。
5.5自沉入土
单桩在自重作用下，下沉至泥面下一定深度后停滞下沉，单桩在自沉过程中，不断测量监控桩身垂直度，通过吊机和液压千斤顶调整纠正，直至钢管桩自沉入泥稳定，即稳桩完成。单桩确认稳定后，主吊船继续下放吊钩，使钢丝绳处于不受力且不脱钩状态。观察15min时间桩身无变化后，再进行下一道工序施工。
5.6压锤
单桩确认稳定后，解除主吊耳处钢丝绳，起重船吊机吊液压冲击锤套入钢管桩，开始压锤。套锤过程中，必须保证锤、桩的中轴线相吻合，当桩与锤接触后，逐步下放吊钩，使压桩重量逐步增加，此过程需全过程跟踪观测。
5.7液压沉桩
主起重船吊液压锤套入桩顶后，分析自沉完成后土层的性能，采用最小能量点动沉桩，测量控制桩身垂直度不断调整。桩身入泥基本稳定后，才能稳定能量及合理频率锤击沉桩，测量全过程控制桩身垂直度。
6、结束语
海上风电发展前景良好，海上风电基础作为海上风场建设的重要组成部分，其造价成本占海上风电场成本的20%-30%，海上风电基础结构主尺度大，结构优化空间大，危险系数高。因此，大直径单桩海上风机基础施工技术研究显得尤为关键。
参考文献：
[1]海上风电是风电产业未来的发展方向——全球及中国海上风电发展现状与趋势[J].闵兵,王梦川,傅小荣,赵婵.国际石油经济. 2016(04)
[2]风力发电现状与发展趋势[J].刘波,贺志佳,金昊.东北电力大学学报.2016(02)
论文作者:苏荣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第13期
论文发表时间:2019/11/12
标签：起重船论文; 海上论文; 基础论文; 风机论文; 结构论文; 直径论文; 龙口论文; 《电力设备》2019年第13期论文;