浅析海上风电水下四桩导管架的施工方法

浅析海上风电水下四桩导管架的施工方法

周骊福

中国能源建设集团广东火电工程有限公司 广东广州 510735

摘要：水下四桩导管架风电机组因其结构优势，被广泛应用于海上风电项目中。因此，本文将重点介绍水下四桩导管架的施工技术和施工工艺，以期为我国海上风电的发展做出贡献。
关键词：海上风电；水下四桩导管架；技术创新；发展体系
引 言

2008年，我国第一个海上风电项目开始施工，最早采用水泥承台上连接法兰安装风机，考虑到成本和施工的速度，逐渐开始采用水面多桩导管架基础、高桩承台和大直径单桩基础（将5~7m直径单桩打入海底）。由于施工速度快，目前大直径单桩打桩基础尤为盛行。随着我国风电近海浅水区（水深10m以内）和潮涧的土地资源逐渐使用结束，风电必将走向深水，在广东、福建、浙江、海南、山东、河北及大连等省市离岸10nmile外就达到了水深20~60m，如果采用原有的单桩、高桩承台模式：（1）结构上整体刚度不够，风机运行时结构受水平作用变形较大，影响风机正常运行；（2）不论单桩或高桩承台的多桩，桩在水中长度达到20~50m，桩的总重比之前浅水和潮间带重1000~2000t，增加了施工难度，提高了工程成本。鉴于上述因素，国外设计出刚度强，受水流影响小，结构变形小，适合深水的水下四桩导管架风机基础，现今国内设计单位也开始设计此种基础。

1 水下四桩导管架施工总述

水下四桩导管架施工分为先桩法和后桩法，就是打桩过程与放置导管架之间的前后关系。

1. 1 先桩法施工技术

先桩法的核心在于保持4根桩的垂直度（0.3%以内）和4根桩的桩顶误差在2cm之内，优势在于导管架4条腿插入打好的4根桩内对接无需调平。为了保证水下4根桩的垂直度，一般会放置水下可调式打桩模架，保证桩的垂直度可调可控。先桩法施工过程，即先对海底进行探测，平整度满足要求即可直接进行施工，若平整度不满足要求，则需先对海底进行扫平，满足打桩模架施工平整度要求后再进行施工。水下打桩模架沉放入海后，通过自身液压调节系统进行调平，之后依次进行沉桩施工，再安装导管架。

作业过程：由于风机基础施工项目为外海施工作业项目，施工区域远离海岸线，常规测量无法直接进行作业，因此，需采用GPS定位技术进行施工船舶定位，同时精准地将水下调平四桩的打桩模架（见图1）放置于坐标点上，水下由于地质的软硬程度不一样，会出现水下打桩模架4条腿沉降不一致，4个打桩导向筒会倾斜，不能达到高垂直度需求的打桩效果。为了解决此问题，水下调平四桩打桩模架的每只腿上安装了液压调平防沉板装置（见图1圈中区域），该装置通过4个液压油缸的不同长度满足每个腿的调节，在水下调平打桩模架的4个导向打桩口的同一位置安装了带刻度的U型水平管，相互并联在一起，同时在打桩模架中心位置安装精确的电子水平测量装置，通过释放水下ROV机器人观测4个位置U型管中水泡的位置，利用水下机器人实时传输画面进行打桩模架水下调平，调平原理为在同一水深位置压强，同位置U型管水泡位置一样任意方向的变化都会导致水准泡的变化。调平原则为“先高后低”的原则，即先降低最高点，随后进行4个方位的找平。操作人员借助实时传输画面，操控模架进行调平。最终以电子水平仪和U型管气泡刻度比对进行确认打桩模架是否调平。

图 1 水下调平四桩打桩模架

调平完成后进行插桩作业，插桩前先将导桩筒内的调平装置（见图2）松到比桩径大10mm的位置，导桩筒高度10m，两排调平装置上下间隔8m，调平装置采用竖直液压油缸带动四杆结构，实现水平顶推调节（见图2圈中区域），液压油缸中安装了位移编码器，位移编码器通过数据传输送至岸上的电脑，通过事先设计好的沉桩软件，可以模拟出8m间距内2组共8个水平调节装置和桩之间的状态，通过自带的计算软件可以计算出桩的垂直度，下桩过程中必须保证将桩调节在0.1%范围内，依次完成4根水下桩的下桩，吊锤进行水下打桩（见图3），打桩过程中时刻关注软件上各个桩的状态，通过微调调平装置保证最终桩的垂直度在0.3%之内，沉桩完成后，将水下可调式打桩模架吊出水面，然后安排潜水员携带测量装置下水进行桩顶水平和桩的标高测量。一切符合设计要求后，将导管架4条腿插入打好的4根桩内，最终完成水下导管架的灌浆工作。

图2水下可调四桩打桩 图3水下打桩

1.2 后桩法施工技术

后桩法施工的前提也是对水下进行多波束扫海，进行海底的抛石整平，与先桩法的差别在于要抛石稳定地基，同时先桩法在水深大于30m后导管架重量大，施工调平比较困难。后桩法施工流程：先将成品四桩导管架通过GPS定位放置到施工的坐标点上，通过吊机将成品四桩导管架下方置水中（见图4），采用吊机将导管架放平，后桩法的成品四桩导管架侧边带有打桩的导向筒（见图4），导向筒上部为裙边，裙边下部为夹持装置，再下部为直筒内部带有环状筋板，筋板于桩之间存在2~3cm的距离间隙，依次将桩放入导桩筒内，将桩从水面打到水底标高（见图5），测量标高。

图 4 用吊机将成品导管架放入水中

图 5 将桩从水面打到水下标高

后桩法将桩打到水下标高后需对导管架进行调平，保证导管架顶部法兰水平度在0.3%之内，调平采用图6所示的调平器，调平的基本方法是在4个桩上安放调平器，首先人站在导管架内平台上，测量导桩筒对称的4个法兰位置点之间的高低值，以法兰最高点的那个导向筒作为基准点，通过导向筒下部的夹持装置锁住导向筒和桩，然后分别通过其他3根桩上的调平器，如图6所示，以打下去的桩作为支点，调平器的上部插入单桩中，调平器的夹头夹住导管架上预留好的夹板，通过提升带动导管架上下动作，使导管架法兰达到水平允许值。通过夹持器分别锁住其他3根桩和导向筒，保持住导管架的状态，待所有调平装置撤走后，向4根导向筒内灌浆，待灌浆料达到终凝时间后，导管架上才可以安装风机。

图 6 调平器调平示意图

2 结束语

从上文所论述的内容可知，风电水下四桩导管架对我国海上风电产业的持续发展起到一定的影响，因此，随着对海上风电水下四桩导管架技术的深入探索，我国海上风电产业不断地向良性的方向发展。

参考文献

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