陸梅興，劉璐，馬振江

（1.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

風(fēng)能的清潔與可再生環(huán)保屬性受到世界各國(guó)的認(rèn)可與重視。海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也是我國(guó)“十二五”乃至今后一個(gè)時(shí)期的發(fā)展方向，上海、山東、浙江和江蘇等沿海地區(qū)都在著手海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)劃與建設(shè)。目前海上風(fēng)機(jī)的主要安裝方式有兩種：整體安裝和分體安裝。整體安裝如東海風(fēng)電一期34臺(tái)3 MW機(jī)組的安裝；分體安裝如響水2 MW風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的安裝。當(dāng)采用風(fēng)機(jī)分體安裝方案時(shí)，一般利用水上平臺(tái)或淺吃水半潛駁，安裝方法和陸上風(fēng)電類(lèi)似，受自然條件的影響較小，安裝效率較高。對(duì)于潮間帶風(fēng)場(chǎng)，可采用半潛式坐底作業(yè)平臺(tái)安裝風(fēng)機(jī)；對(duì)于中等水深的風(fēng)場(chǎng)，國(guó)外一般采用專(zhuān)用的海上風(fēng)電安裝船，該船由船體、起吊設(shè)備及樁腿（包括樁靴）三部分組成。船體將樁腿升降系統(tǒng)插入海底，當(dāng)樁靴插入土中一定深度，得到足夠的支撐能力后，便可使船抬升至水面上，為風(fēng)機(jī)安裝提供了平穩(wěn)的工作平臺(tái)。風(fēng)機(jī)安裝完畢，上拔樁腿，平臺(tái)下降至水中，移動(dòng)定位后，可進(jìn)行下一個(gè)機(jī)位的風(fēng)機(jī)施工。

自升式風(fēng)電安裝船是由海洋工程自升式作業(yè)平臺(tái)派生出的一類(lèi)海上作業(yè)平臺(tái)，平臺(tái)主要特點(diǎn)為使用尺寸較大的獨(dú)立樁靴并要求“下得去、升得起、立得住、拔得出”四大準(zhǔn)則。根據(jù)海上自升式作業(yè)平臺(tái)相關(guān)研究資料，不同的作業(yè)區(qū)域海底土體力學(xué)性能不同。在黏性土地質(zhì)環(huán)境平臺(tái)插樁時(shí)樁腿入土深，且插樁時(shí)被破壞的土體在強(qiáng)度恢復(fù)后黏結(jié)在樁腿與樁靴上，特別是平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間駐位，樁腿與樁靴四周土體固結(jié)，平臺(tái)上拔樁阻力大，拔樁困難[1-3]。在國(guó)內(nèi)外工程歷史上曾多次出現(xiàn)因入泥過(guò)深造成拔樁困難使平臺(tái)受損的事故[4]。因此，建造自升式風(fēng)電安裝船必須解決好拔樁阻力問(wèn)題，通過(guò)研究設(shè)計(jì)高效高質(zhì)的水力減阻系統(tǒng)，在拔樁前對(duì)樁腿樁靴四周進(jìn)行沖樁作業(yè)，減小拔樁時(shí)樁腿與樁靴的阻力。

1 拔樁阻力分析

自升式風(fēng)電安裝船的拔樁過(guò)程是復(fù)雜且涉及多個(gè)環(huán)境因素的海上高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)。拔樁阻力由樁靴上覆土重量、樁靴側(cè)面摩擦阻力、樁靴上部土體抗剪強(qiáng)度、樁靴底部土體吸附力、樁腿（包括樁靴）自身重量等組成。現(xiàn)有的研究均認(rèn)為樁靴底面的吸附力占支腿上拔阻力相當(dāng)大的比重，其產(chǎn)生的機(jī)理為在支腿上拔過(guò)程中，底部土體孔壓減小，樁靴上部土體的孔壓增大，樁靴上、下表面的壓差導(dǎo)致了吸附力的產(chǎn)生。有的研究指出拔樁過(guò)程中，樁底壓實(shí)范圍的土體吸附力和樁靴以上的土體破壞剪切力占總拔樁阻力的50豫以上[5]。為減小樁腿的抗拔阻力，一般在樁靴上布置沖樁系統(tǒng)。沖樁系統(tǒng)包括高壓上噴沖和低壓下噴沖分系統(tǒng)，即在樁靴上部采用泥漿泵作為動(dòng)力源的高壓上噴沖管系和在樁靴下部采用消防泵為動(dòng)力源的低壓噴沖管系。上噴沖系統(tǒng)主要將樁靴上部土體沖散，以減少樁靴上部土體破壞剪切力。下噴沖系統(tǒng)主要破壞樁靴底部土體吸附力，以減小支腿上拔力。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，常常由于地質(zhì)條件，使樁腿入土過(guò)深導(dǎo)致樁腿拔樁困難。分析其主要原因?yàn)楫?dāng)插樁過(guò)深時(shí)，樁靴上覆土重量占拔樁阻力的比例將大大增加。我國(guó)勝利六號(hào)海上鉆井平臺(tái)曾因過(guò)量預(yù)壓，樁靴最深入土達(dá)11.2 m。先后采用強(qiáng)力噴沖以及爆松排淤等輔助方法也未能拔出樁靴。最終采用水力噴沖氣舉排泥和動(dòng)用挖泥船將樁靴頂部的泥土挖除后，將樁靴拔出。通過(guò)此實(shí)例可以看出，挖除樁靴上部土體對(duì)于平臺(tái)拔樁是非常有效的[4]。所以新型水力減阻系統(tǒng)，除了采用沖樁消除吸附力的方法以外，還需要研制出可以將樁靴上部的部分泥土清除的系統(tǒng)，以減輕樁靴上覆土重，減小拔樁阻力。

2 水力減阻方案設(shè)計(jì)

通過(guò)拔樁阻力分析，要減少拔樁阻力，重點(diǎn)從減小吸附力和上部土重進(jìn)行研究，參考常規(guī)自升式平臺(tái)的沖樁系統(tǒng)，借鑒水沖樁的工作原理，設(shè)計(jì)了2種水力減阻方案。

2.1 排污通道水力減阻系統(tǒng)

排污通道水力減阻系統(tǒng)由高壓水管、氣管、排污管及分流蓋組成，排污管和分流蓋處于樁靴上表面，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)通過(guò)高壓水噴頭所噴出的高壓水沖走附著在樁靴外上表面的淤泥，再通過(guò)結(jié)構(gòu)中的氣管充氣，由排污管將淤泥排出至海水中。通過(guò)這種方式一方面可以減少覆蓋樁靴上表面土體重量，另一方面樁腿上拔水力減阻系統(tǒng)容易形成排泥通道，從而減少支腿上拔阻力，提高樁腿上拔效率。

圖1 排污通道水力減阻系統(tǒng)Fig.1 Hydraulic drag reduction system for mud discharge channel

初次設(shè)計(jì)排污通道式水力減阻系統(tǒng)，為了驗(yàn)證及優(yōu)化其排污效果，共設(shè)計(jì)2種形式的排污通道結(jié)構(gòu)，如圖2所示。2種不同排污通道結(jié)構(gòu)形式主要考慮氣管的負(fù)壓效果、高壓水管的土體破壞及導(dǎo)流作用、排污管的排污機(jī)理及與分流蓋的隔離和排污含泥量等因素。該系統(tǒng)工作原理是：在高壓水和高壓縮空氣共同作用下，位于排污通道附近的土體被擾動(dòng)并混合，同時(shí)壓縮空氣沿進(jìn)氣管道進(jìn)入排污管道后，以很高的速度由噴嘴噴出，噴嘴以下管路及樁靴外部區(qū)域形成負(fù)壓。此時(shí)土體與水的混合物沿著排污管路上升而排出。值得注意的是該系統(tǒng)工作時(shí)，必須保證壓縮空氣連續(xù)且壓力與流量充足，使被破壞的土體形成泥與水混合物沿著排污管連續(xù)排出。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，含分流蓋的排污通道排污效率與不含分流蓋的排污通道相當(dāng)，含分流蓋的排污通道工作性能穩(wěn)定。

圖2 2種排污通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure modelsof two kindsof mud discharge channel system

2.2 環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)

環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)在常規(guī)的水力減阻模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在樁靴和樁腿上均設(shè)置高壓水射流噴頭，同時(shí)高壓水射流噴頭單獨(dú)設(shè)置控制閥，環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure model of hydraulic drag reduction system of annular channel

樁靴底部均布4個(gè)高壓水噴頭，對(duì)應(yīng)1個(gè)控制閥；樁靴上部4個(gè)面，2個(gè)面布置2個(gè)高壓水噴頭對(duì)應(yīng)1個(gè)控制閥，另外2個(gè)面對(duì)應(yīng)2組不同結(jié)構(gòu)形式的獨(dú)立排污通道。樁靴4個(gè)側(cè)面分別布置1個(gè)高壓水噴頭，兩兩對(duì)稱(chēng)的側(cè)面2個(gè)噴頭為一組，對(duì)應(yīng)1個(gè)控制閥；樁腿與樁靴連接處布置高壓噴頭，位置為對(duì)稱(chēng)布置，分別包含對(duì)應(yīng)的2組控制閥。支腿樁管上噴嘴自上而下每2 m高度左右分別布置一組噴頭。一組為單噴頭，2個(gè)單噴頭有1個(gè)控制閥門(mén)；另一組為雙噴頭，1組雙噴頭1個(gè)控制閥門(mén)。樁腿上布置2種形式的噴頭主要為了對(duì)比打通通道的效果及效率。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)按照中交三航局即將建造的1 000 t自升式風(fēng)電安裝船進(jìn)行1頤4準(zhǔn)原型模型設(shè)計(jì)，試驗(yàn)地點(diǎn)在中交第三航務(wù)工程局舟山市岱山縣海洋綜合基地2號(hào)引橋右側(cè)約10 m處。該場(chǎng)地處于淺海區(qū)域，水文條件和實(shí)際作業(yè)環(huán)境更為接近，可避免陸上試驗(yàn)需要揭露地表覆土以及大量引水作為噴樁的麻煩，該場(chǎng)地的粉質(zhì)黏土層厚度與自升船極限狀況下的插樁深度也較為接近，即可保證有一定的插入深度，又可保證插入到相對(duì)較硬的持力層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料和模型尺寸計(jì)算，模型樁可以壓入泥面以下33 m左右，試驗(yàn)平臺(tái)、模型樁設(shè)計(jì)及加載方案如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)、模型樁及加載方案Fig.4 Test platform,model pile and loading scheme

該試驗(yàn)壓樁和拔樁靜載荷加載采用錨樁反力裝置，使用4根錨樁作為試驗(yàn)樁的反力樁提供反力。壓樁靜載荷試驗(yàn)加載設(shè)備由2臺(tái)3 200 kN的千斤頂、70 MPa高壓油泵及相應(yīng)油路系統(tǒng)構(gòu)成。拔樁靜載荷試驗(yàn)的加載設(shè)備為4臺(tái)3 200 kN的千斤頂、70 MPa高壓油泵及相應(yīng)油路系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的武漢巖海工程技術(shù)有限公司RS-JYC樁基靜載荷測(cè)試儀器。壓拔樁靜載荷試驗(yàn)位移量測(cè)的基準(zhǔn)系統(tǒng)為基準(zhǔn)樁和基準(zhǔn)架系統(tǒng)。位移傳感器固定在基準(zhǔn)架上，基準(zhǔn)架由槽鋼搭建，并與基準(zhǔn)樁牢固連接，為獨(dú)立體系。數(shù)據(jù)采集采用全自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的試驗(yàn)程序可自動(dòng)完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、判斷和打印等工作，并自動(dòng)繪出Q-s、s-lg t等曲線。

2015年初，試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)完畢，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆队捎趦?nèi)部布置有高壓管路，為了避免振動(dòng)對(duì)高壓管路造成破壞，無(wú)法用常規(guī)振動(dòng)下沉的方法進(jìn)行打樁，故利用2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)、導(dǎo)向裝置、變頻器和同步控制系統(tǒng)進(jìn)行壓樁，壓入指定地點(diǎn)及標(biāo)高，并安裝錨樁反力系統(tǒng)。

3.2 減阻效果試驗(yàn)

減阻試驗(yàn)首先測(cè)試排污通道是否可以順利將樁靴上表面的泥排出，其次測(cè)試環(huán)形通道的高壓水噴頭對(duì)周邊土體的破壞能力及如何組合和控制高壓水噴頭可以達(dá)到最佳減阻效果。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，空壓機(jī)向儲(chǔ)氣包內(nèi)沖壓空氣，使氣包內(nèi)空氣壓力達(dá)到0.8 MPa，再分別打開(kāi)兩路排污通道的氣路球閥，在此過(guò)程中，空氣向外排，把排污通道打通。然后打開(kāi)泥漿泵和高壓離心泵，同時(shí)分別開(kāi)啟兩路排污通道的高壓水控制球閥，2種結(jié)構(gòu)形式的排污通道均可以通過(guò)氣和水成功的將30 m深度（樁靴上表面）的泥通過(guò)射流方式排出水面，使樁靴排污通道上表面的泥減少。通過(guò)觀察和測(cè)試排出水的含泥量發(fā)現(xiàn)，排污通道1（帶蓋子形式）的排泥含量較高，排泥效果較好，如圖5所示。

圖5 排污通道排泥效果Fig.5 Sludgedischarge effect in discharge channel

共進(jìn)行7次不同減阻措施條件下的支腿上拔力試驗(yàn)，其中前6次拔樁力測(cè)試采用錨樁反力裝置，千斤頂行程限制為20 cm，實(shí)際操作拔樁位移一般控制行程為15 cm左右，留有5 cm余量，拔力達(dá)到峰值后便停止，此時(shí)樁腿與樁靴可以拔出。第7次試驗(yàn)采用試驗(yàn)場(chǎng)地附近的320 t塔吊直接拔樁并記錄相應(yīng)的位移時(shí)間曲線和拔力時(shí)間曲線，得到試驗(yàn)結(jié)果，詳見(jiàn)表1[6]。

表1 支腿上拔試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of leg pull up test results

4 結(jié)語(yǔ)

排污通道水力減阻系統(tǒng)可將樁靴上表面的土體排出，從而減小上拔阻力，拓寬了自升式平臺(tái)船適用地層的范圍，即使插樁入泥較深，也可以保證自升式平臺(tái)船順利拔樁。

環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)包含布置在樁腿上的上部水力減阻系統(tǒng)和布置在樁靴上、下表面的下部水力減阻系統(tǒng)，能有效減小樁腿上拔過(guò)程中受到的側(cè)摩阻力，還能使其形成水連通通道，把上層土體變成浮容重，同時(shí)，樁靴底部負(fù)壓也會(huì)釋放，從而減小上拔阻力。

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水力減阻系統(tǒng)包含排污通道水力減阻系統(tǒng)和環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，不使用減阻系統(tǒng)時(shí)樁腿上拔阻力較大，采用環(huán)形通道水力減阻系統(tǒng)、排污通道水力減阻系統(tǒng)能有效減少樁腿上拔阻力，綜合使用并在合適的工藝下可以將無(wú)任何排污措施時(shí)的230 t拔樁力減小至75 t，減阻效果顯著，為自升式平臺(tái)船在后期工程應(yīng)用中的拔樁提供了工藝依據(jù)。