海上风电项目中导管架基础施工技术综述

（上海）（1.中交第三航务工程局有限公司，上海200032；2.中交港湾科技有限公司，上海摘200032）要：已建和在建海上风电项目中，单桩基础和高桩承台基础是主要基础结构形式，最近几年开始使用导管架基础。随着海上风电建设向深水化、大型化方向发展，导管架基础将越来越多地被采用。文中分析海上风电项目深水导管架基础施工面临的关键技术问题及在海上风电项目中的应用前景。关键词：海上风电；导管架；调平；沉桩；水下灌浆；深水化中图分类号：U655.54文献标志码：A文章编号：2095-7874（2020）05-0020-05doi：10.70/zggwjs202005005SummaryofjacketfoundationconstructiontechnologyinoffshorewindpowerprojectTIANWei-li1,WANGDong-dong2*,GAOJian-yue2（1.CCCCThirdHarborEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200032,China;2.CompanyofChinaCommunicationConstructionHarbor（Shanghai）ScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai200032,China）Abstract：Singlepilefoundationandhigh-risepilecapfoundationarethemaintypesoffoundationintheexistingandunderconstructionoffshorewindpowerprojects.Inrecentyears,jacketfoundationhasbeenusedinrecentyears.Withthedevelopmentofoffshorewindpowerconstructiontowardsdeepwaterandlargescale,thejacketfoundationwillbeusedmoreandmore.Inthispaper,weanalyzedthekeytechnicalproblemsintheconstructionofdeepwaterjacketfoundationofoffshorewindpowerproject,anditsapplicationprospectinoffshorewindpowerproject.Keywords：offshorewindpower；jacket;leveling;piledriving;underwatergrouting;deepwater1概述中国海上风能资源丰富，5~25m水深、50m高度海上风电开发潜力约2亿kW；5~50m水深、70m高度海上风电开发潜力约5亿kW[1]，远海的风能资源储备远高于近海，深远海风电具有广阔的发展前景。目前国内已建和在建的海上风电项目集中在潮间带和近海浅水区，风电机组基础常见形式有重力式基础、单桩基础、导管架基础及新型吸力桶基础等。在深远海建设海上风电项目，深水导管架基础和浮式风电基础将成为解决问题收稿日期：2019-11-21修回日期：2020-01-23的关键。不同基础结构适用于不同水深[2]。单桩基础直径随着水深增加急剧变大，0~30m水深适用，导管架结构适用于任何水深但水浅时不经济。我国海上风电建设从2008年亚洲第一个海上风电场东海大桥海上风电示范项目开始，2010年以后逐步开展潮间带和近海风电场开发建设，从“项目示范”走向了“快速开发”快车道。2018年以来国内潮间带和近海风电资源开发逐渐饱和，海上风电发展趋势呈现由近海到远海、浅水到深水的开发趋势，“双40（40m水深、40km离岸距离）环境条件下海上风电建设工程技术”成为当前海上风电行业研究热点。2015年至今，近海大量海上升压站基础、珠海桂山海上风电示范项目和广东阳江海上风电项目开始批量采用导管架基础，但作者简介：田伟丽（1980—），女，河南南阳人，硕士，工程师，从事水运工程和海上风电工程施工管理工作。*通讯作者：汪冬冬，E-mail：wdd8449@163.com2020年第5期田伟丽，等：海上风电项目中导管架基础施工技术综述表1Table1·21·应用水深普遍小于30m。2导管架基础在海上风电项目的应用导管架基础是近海风电项目基础形式之一，导管架基础与钢管桩之间通过高强度灌浆材料连接后固定于海底[3]。在海洋石油工程中较深水海域油田多采用固定式导管架结构形式，而较深水导管架一般采用水下裙桩形式[4]。海上灌浆连接[5]最早用于连接石油平台导管架基础与桩基，该工艺已有超过40a的使用历史。在海上风电领域中，欧洲大量海上风电基础采用导管架结构。表1是国外海上风电导管架基础工程实例，苏格兰最大海上风电项目Beatriceoffshorewind于2019年全部完工，项目采用四桩导管架结构，水深最深超过56m。我国海上风电建设起步较晚，2015年至今近海十几米水深海上升压站大量采用“后桩法”斜（0~12m桩导管架基础，江苏如东潮间带风电场水深）少量风机基础采用四桩和五桩导管架基础，（水深10m左右）2019年福建兴化湾海上升压站直桩（嵌岩桩）采用“先桩法”导管架基础。上述这国外海上风电导管架基础工程实例Jacketfoundationengineeringexampleofforeignoffshorewindpower序号12345678109工程名称Sky2000国家德国德国德国德国德国英国英国单机容量/风机数/水深/mMW台253.65545555508016122526808062030AlphaVentus/BorkumWest德国BorkumWestIIMeerwindS俟dGodeWindDanTysk22~3310~5025~5025~5025~504330HochseeWindparkHedreiht德国Beatrice(MorayFirth)OrmondeI、II、IIIAlphaVentus/BorkumWest德国3017~22类导管架属于浅水导管架，其特点是应用水深较（见图浅，灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以上1），无论是打桩、导管架安装调平与锁定，以及灌浆作业均在水面以上，目前国内已经掌握这类导管架基础的设计和施工技术。（a）后桩法斜桩导管架（b）如东潮间带导管架（嵌岩）导管架（c）“先桩法”直桩图1灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以上的浅水导管架Fig.1Shallowwaterjacketwithtopofgroutingconnectionsectionandoverflowportabovethesurfaceofwater2016年，珠海桂山海上风电示范项目国内首次采用“先桩法”四桩内插腿式导管架结构，场区平均水深7~11m。这是我国第一个真正意义的四桩导管架基础结构海上风电项目[6-8]，该项目34台海上风电基础采用外挑平台式四桩基础结构，国内首次在风机基础结构中采用水下灌浆技术。2018—2019年广东阳江地区20~30m水深多个海上风电场大规模采用导管架基础，风机基础采用与桂山风电类似的“先桩法”四桩导管架，海上升压站基础国内首次采用类似海油工程的裙桩外套筒结构导管架[9-11]。与此同时，广东、福建30~50m水深多个海上测风塔基础也采用三桩、四桩“后桩法”裙桩外套筒形式导管架。上述这类导管架采用深水导管架结构形式与施工方法，其特点是灌浆连接段顶部和溢浆口完全位于水面以下，沉桩定位、导管架安装调平与锁定以及水下灌浆作业难度很大，目前海上风电领域国内在这一类导管架基础设计、制造与施工等方面仍然处于起步和探索阶段。灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以下的深水导管架见图2。窑22窑中国港湾建设2020年第5期四桩导管架（a）“先桩法”（b）“后桩法”四桩裙桩导管架（c）“后桩法”三桩裙桩导管架图2灌浆连接段顶部和溢浆口位于水面以下的深水导管架Fig.2Deepwaterjacketwithtopofgroutingconnectionsectionandoverflowportbelowthesurfaceofwater3海上风电导管架基础施工关键技术靠的限位措施达到桩位准确，并尽可能减小相对偏位，以保证后续导管架的顺利安放。在水深7~11m桂山风电项目中，采用桩基固定式定位架，应用坐底式定位架沉桩工艺。在水深20~30m的阳江海上风电项目中，多家施工单位分别采用浮式新型稳桩定位平台、吸力筒导管架稳桩定位平（见图3）台等多种形式的沉桩定位平台。随着水深进一步加深，需要解决减少风浪流对沉桩作业的影响，将海上作业调整为水下作业，开发海床沉桩智能定位系统是深水导管架打桩的研究方向，国外采用的水下定位架施工技术值得借鉴。深水打桩定位系统满足30~80m水深水下作业要求，同时配备自动化液压控制系统和水下施工监控系“后桩法”裙桩导管架统，提高沉桩作业精度。对于沉桩而言，工程桩通过导管架限位，但打桩过程的调平与打桩完成后导管架调平与锁定更为关键。在海上风电行业，潮间带和近海浅水区已完成项目中在导管架基础设计、制造和施工方面积累了较为丰富的经验，最近两年广东阳江30m水深导管架基础成功应用进一步推动海上风电行业导管架基础设计、制作与施工整套核心技术的突破。但随着导管架结构应用水深加深，导管架越来越大型化，风场离岸距离越来越远，海况越来越差，导管架基础施工涉及导管架制作、运输、安装，水下沉桩及精度控制以及导管架调平、锁定与深水灌浆等诸多问题需要深入解决。“先桩首先，分析导管架基础沉桩技术。针对法”工艺导管架工程桩沉桩，一般要求钢管桩平面允许偏差约50mm，高程允许偏差约50mm，纵轴线倾斜度偏差臆0.5%。钢管桩施工位于开阔的外海并且钢管桩顶标高位于水面以下，必须采用可（a）辅助桩打桩定位平台（b）浮式打桩定位平台（c）吸力筒打桩定位平台图3Fig.3多种不同形式的导管架打桩定位平台Differenttypesofjacketpilingpositioningplatform其次分析导管架调平与锁定技术。目前导管架的调平方法一般有两种[2]，一种是通过卡桩器加调平器的方式，即普通的深水导管架调平方式；另一种是先通过提升导管架低点，然后将导管架2020年第5期田伟丽，等：海上风电项目中导管架基础施工技术综述·23·与钢桩固定，边打桩边调平的方式，即普通的浅“后桩法”斜桩导水导管架调平方式。上文提及的管架调平采用浅水导管架调平技术，并采用“刀把导管架调平与锁定法”锁定导管架。所谓“刀把法”“7字板”技术是通过在导管架顶部采用对钢管桩和导管架顶部进行焊接的方式临时固定，交替打桩时对打桩的桩位解除导管架和钢管桩之间的临时固结，靠其他桩位的临时固结承担导管架自重的方式防止导管架下沉的方法。对于深水导管架安装调平及其安装后的灌浆工艺都是用卡桩器来完成，即利用调平器将导管架调到误差范围内之后，焊接在群桩套筒上的卡桩器夹住钢桩，使导管架保持水平和稳定[2]。最后，分析深水导管架水下灌浆技术。与海洋石油平台的灌浆相比，无论是材料、受力机理、还是施工，海上风电灌浆都有自身特点[5]。海上风电导管架基础施工中，水下灌浆技术是施工难点，导管架基础和钢管桩连接主要通过灌浆方式进行[12]。在海上风电项目中，导管架灌浆连接通常采用泵送压浆的方式将灌浆料灌注到海平面以下的灌浆连接段。在灌浆施工中，要求在海上恶劣施工条件下较短时间内完成水下灌浆，对材料的工作性、可泵送性和早期强度提出较为苛刻的技术要求。导管架基础结构具有稳定性好，海床地质适应性强等特点，风电机组、波浪和洋流等荷载作用在导管架上，导管架将荷载传递至钢管桩，再传递至海床，作为连接钢管桩和导管架的灌浆施工质量直接影响到风机的整体结构安全。海上风电导管架水下灌浆涉及材料、设备、工艺、灌浆管路及灌浆方案、灌浆水下封堵以及水下灌浆施工质量检测等诸多关键技术。国内海上风电导管架灌浆料产品开发与工程应用研究[13]形成具有自主知识产权的材料、设备和工艺，优固特UHPG-120导管架灌浆料产品及灌浆连接技术打破国外垄断，填补国内空白。对于浅水导管架灌浆而言，虽然也涉及水下灌浆，但灌浆连接段顶部位于水面以上，溢浆口位于水面以上，灌浆前导管架调平与锁定在水面以上进行，由于溢浆口位于水面以上灌浆终点可见，风险相对较小。对于深水导管架基础灌浆施工而言，灌浆连接段和溢浆口完全位于水面以下，灌浆过程需要潜水员和水下ROV配合，技术难度和技术风险更高。4深水导管架施工案例分析与应用前景中交三航局2018—2019年实施中广核阳江南鹏岛400MW海上风电项目，该项目包含18台“先“后桩法”四桩裙桩法”四桩导管架风机基础和一个桩外套筒式导管架海上升压站基础。本项目是我国海上风电项目中首次在30m水深大规模采用导管架基础，灌浆连接段位于水下-20~-30m水深以下区域。该项目风电机基础导管架总重超过900t，是当时国内最大最重的海上风电基础导管架。本工程采用浮式稳桩平台打桩，导管架安装采用的水下对位、水下灌浆等技术均是国内海上风电施工的首次尝试。本项目海上升压站基础也是国内首次采用四桩裙桩外套筒式导管架，导管架重1700t。2019年广东阳江多个海上风电项目均采用上述结构形式的导管架基础，对后续深远海海上风电场导管架基础施工起到良好的示范引四桩导管架风机基领作用。中广核阳江“先桩法”础和“后桩法”裙桩导管架海上升压站基础见图4。（a）“先桩法”四桩导管架安装四桩（b）“先桩法”导管架风机安装裙桩（c）“后桩法”导管架安装（d）“后桩法”裙桩导管架海上升压站上部组块安装“后桩法”裙桩导管架海上升压站基础图4中广核阳江“先桩法”四桩导管架风机基础和Fig.4Windpowderfoundationof\"pilefirstmethod\"fourpilejacketandfoundationof\"pilelatermethod\"skirtpilejacketsearisingpressurestationinCGNYangjiang窑24窑中国港湾建设2020年第5期海上风电场从近海逐渐走向深远海和单机容量大型化已成为国际风电发展的趋势。我国于2017亦鼓励在深远海建设海上风电场。目前已核准的年发布的《全国海洋经济发展“十三五”规划》海上风电项目表明，未来几年我国的广东、福建30~50广东省阳江、揭阳等地，福建省漳浦六鳌、长乐m水深海上风电场将大量采用导管架基础。外海等地在规划大量导管架基础风电场。未来面对深水、强涌浪海域导管架基础施工涉及复杂地质、海况条件施工作业，对施工工艺和设备提出更高的要求。5结语本文综述了国内外海上风电项目中导管架基础结构的应用现状、近海浅水导管架施工中导管架安装、沉桩、灌浆等工艺以及导管架基础施工关键技术。针对水深更深条件导管架基础施工需要面对的沉桩、导管架定位、导管架调平和锁定以及水下灌浆等诸多问题进行探讨，并分析了深水导管架基础在海上风电行业的应用前景。参考文献[1]易跃春83..中国海上风电2018[J].电力设备管理，2018（12）：81-YIManagement,Yue-chun.2018(12):Chinaoffshore81-83.wind2018[J].PowerEquipment[2]DEmentVRIESdesignofstiffnessbottom-mountedW,VANDERandinstallationsupportTEMPELstructuresJ,CARSTENStypeswithH,etconventionalal.Assess原sites[J].Upwind导管架调平与灌浆系统ResearchReporttechniquesD,2007(4):for[J].中国海上油气1-76.typicaldeep-water[3]2000侯金林，12（.4）：20-22.（工程），HOUOilandJin-lin.Gas(Engineering),Jacketleveling2000,and12(4):grouting20-22.system[J].ChinaOffshore[4]邱炜，艺———刘顺庆，双点后方交会法在海洋工程中的创新应用李广帅，等.能见度较差海域插水下裙桩新工[J].科技视界，2013（22）：198-199.QIUlogyWei,ofinsertingLIUShun-qing,skirtpileLIintoGuang-shuai,theseaareaetwithal.poorAnewvisibility-techno-Innovative[5]engineering[J].applicationoftwo-pointresectionmethodinmarine元国凯，汤东升，Science刘晋超，&Technology等.海上风电机组基础灌浆技术应用Vision,2013(22):198-199.与发展[J].南方能源建设，2017（1）：10-17.YUANtechnologyGuo-kai,TANGDong-sheng,LIUJin-chao,etal.Grouting[6]Southern朱荣华，Energyapplicationanddevelopmentinoffshorewindfarm[J].机组导管架基础方案设计李少清，Construction,张美阳.珠海桂山2017(1):[J].风能，20010-17.2013MW（9）海上示范风场风电：94-98.ZHUtionZhuhaidesignRong-hua,Guishan[J].for200LIMWShao-qing,WindoffshoreZHANGEnergy,demonstrationMei-yang.2013(9):94-98.windJacketfarmprojectfounda原of[7]朱荣华，浆技术分析田振亚，[J].风能，龙正如，2013等（12.海上风电机组导管架基础水下灌）：104-107.ZHUofRong-hua,TIANZhen-ya,LONGZheng-ru,et[8]foundation[J].underwater马兆荣，刘晋超，Windgrouting元国凯Energy,technology.珠海桂山海上风电场风电机组基础设2013(12):ofoffshore104-107.windturbineal.Analysisjacket计[J].南方能源建设，2015（3）：72-75.MAbineZhao-rong,[J].SouthernsupportingLIUEnergystructureJin-chao,Construction,inZhuhaiYUAN2015(3):GuishanGuo-kai.72-75.OffshoreDesignofWindwindFarmtur原[9]陈珂，能源建设，马兆荣2018.海上升压站裙桩型导管架基础设计分析，5（2）：93-98.[J].南方CHENtionwithKe,skirtMAZhao-rong.Designandanalysisofoffshoresubsta原tion,2018,5(2):pile93-98.jacketfoundation[J].SouthernEnergyConstruc原[10]刘全刚，工建设，连鑫，2016，冯英磊5（1）：47-49..导管架裙桩套筒的吊装安装[J].石油化LIUtionQuan-gang,ofjacketskirtLIANpilesleeve[J].Xin,FENGPetroleumYing-lei.andHoistingChemicalandConstruc原installa原[11]tion,（惠丹，2016,6）：46-49.王进5(1):.浅水裙桩导管架的安装工艺47-49.[J].中国修船，2013，26HUIpilesDan,inshallowWANGwater[J].Jin.InstallationChinaShiptechnologyRepair,2013,ofjacket26(6):with46-49.skirt[12]中交上海三航科学研究院有限公司接技术研究[M].2015..海上风电导管架灌浆连ShanghaiResearchInstituteThirdHarbourCo.,Ltd.ResearchEngineeringongroutingScienceconnection&Technologynologyofoffshorewindjacketfoundation[M].2015.tech原[13]汪冬冬，工程应用研究张悦然，[J].孙烜，海洋开发与管理，等.海上风电导管架灌浆料产品开发与2018，35（S1）：27-33.WANGonDong-dong,ZHANGYue-ran,SUNXuan,etoffshoredevelopmentjacket[J].andengineeringOceanDevelopmentapplicationandofgroutingal.Management,materialResearch2018,for35(S1):27-33.wind