袁建中

(如東和風(fēng)海上風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226400)

0 引 言

風(fēng)能是清潔環(huán)保的可再生能源之一，中國(guó)海上風(fēng)能資源豐富、空間區(qū)域廣闊，全國(guó)海上風(fēng)電開工建設(shè)投產(chǎn)規(guī)模巨大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。投產(chǎn)后，風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性、安全性對(duì)項(xiàng)目的收益影響巨大。

目前，國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目主要采用重力式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、承臺(tái)式基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)等形式，其中單樁基礎(chǔ)應(yīng)用較為廣泛[1]，尤其在江蘇海域，風(fēng)機(jī)大多采用單樁基礎(chǔ)，工期短、造價(jià)相對(duì)較低。在風(fēng)機(jī)投產(chǎn)后，沖刷問題不可避免，沖刷往往會(huì)導(dǎo)致樁基入土深度減少，使海上風(fēng)機(jī)自振頻率降低，樁基甚至?xí)l(fā)生位移，致使風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的安全性大幅降低，增加安全隱患。

沖刷后須根據(jù)沖坑深度進(jìn)行樁基周邊加固修復(fù)，沖刷修復(fù)方案的選擇至關(guān)重要，修復(fù)后須防止出現(xiàn)二次沖刷，固化土方案的研究與應(yīng)用能較好地防范二次沖刷的發(fā)生。

1 樁基沖刷及常用方法

1.1 樁基沖刷原理

對(duì)于采用大直徑鋼管樁基礎(chǔ)施工工藝的海上風(fēng)電項(xiàng)目，在波浪與海流的不斷沖刷作用下，在樁基周邊往往會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的水流或高速旋轉(zhuǎn)的旋渦，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷能力，攜帶泥沙，在樁基周圍沖刷成坑，大幅降低樁基基礎(chǔ)的承載能力，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)易發(fā)生安全事故。

常見的沖刷形式有以下幾種：(1)海床侵蝕引起的大面積沖刷；(2)海底不穩(wěn)定引起的沖刷；(3)海底涌浪單獨(dú)作用下樁基周邊的流場(chǎng)沖刷；(4)波流共同作用沖刷[2]；(5)波浪單獨(dú)作用下樁柱周圍的流場(chǎng)沖刷[3]；(6)潮流沖刷。

1.2 常用防護(hù)方法

在工程建設(shè)過程中，須實(shí)施樁基防沖刷工程，預(yù)防或減少?zèng)_刷帶來的不利影響，通常采用以下防沖刷措施。

(1)拋填

實(shí)施方案：根據(jù)設(shè)計(jì)的范圍和厚度，將砂袋、石塊或者預(yù)制的砼構(gòu)件拋填至基礎(chǔ)樁周圍。

特點(diǎn)：取材容易，石塊、沙袋易取，施工難度低，對(duì)于施工船機(jī)設(shè)備要求不高，施工便捷、工期短，但是防沖刷效果差，易流失，容易形成二次沖刷，維護(hù)量大。

(2)土工布?jí)簩?shí)

實(shí)施方案：將砂被或連鎖排進(jìn)行整體加工制作，利用吊架或鋪設(shè)船進(jìn)行整體安裝與鋪設(shè)。

特點(diǎn)：工期短，鋪設(shè)位置易于控制，均勻性有保證，但是在反復(fù)沖刷情況下，砂被存在流失的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)預(yù)留沖刷長(zhǎng)度

實(shí)施方案：由于樁周沖刷最終會(huì)趨于恒定，在充分考慮沖刷裕量的情況下，在設(shè)計(jì)施工時(shí)將樁長(zhǎng)放長(zhǎng)，保留足夠的入土深度，但不進(jìn)行基礎(chǔ)防護(hù)。

特點(diǎn)：樁基建設(shè)成本較高；樁周易形成大坑、深坑，隨鋼樁引入風(fēng)機(jī)的海纜無法固定，需另行設(shè)計(jì)固定樁錨固。

(4)仿生海草治理[4]

實(shí)施方案：在樁基需要防止沖刷的預(yù)定位置錨固仿生海草，由于海草的柔性黏滯阻尼作用，海底水流流速降低，在重力作用下，水流中攜帶的泥沙不斷地沉積到仿生海草基墊上，長(zhǎng)期沉淀逐漸形成海底沙洲，從而達(dá)到防沖刷的目的。

特點(diǎn)：適用于含泥沙量較大、水質(zhì)渾濁、無法有效觀測(cè)效果的海域；不適用于海底流速較快、沙粒粒徑較小，無法形成有效沉積覆蓋的海域。

2 固化土防護(hù)方案

與傳統(tǒng)防護(hù)方案相比，尤其在海上風(fēng)電樁基防沖刷應(yīng)用方面，拋填是較為常用的方式，但效果欠佳，經(jīng)過多次工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，固化土防護(hù)方案在防沖刷效果、穩(wěn)定性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面有著更為突出的優(yōu)勢(shì)。

2.1 防護(hù)機(jī)理

淤泥固化是一種復(fù)合實(shí)用型材料固化新技術(shù)，淤泥中水分與固化劑接觸，發(fā)生水化、水解反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物和膠凝物質(zhì)。膠凝物質(zhì)可凝結(jié)、包裹淤泥中的細(xì)小顆粒，形成一個(gè)由水化膠凝物為主的骨架結(jié)構(gòu)。利用激發(fā)劑激發(fā)淤泥中次生礦物的活性，穩(wěn)定推進(jìn)反應(yīng)進(jìn)程，于淤泥中反應(yīng)生成硅酸鹽類高強(qiáng)度的架構(gòu)。理論上，固化膠凝的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，固化土一旦形成，壽命為50～100 a。

采用固化土護(hù)底結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖刷防護(hù)是通過淤泥固化土的飽和性、較強(qiáng)的水穩(wěn)定性、防沖刷性(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥400 kPa)、整板性和邊界延展性形成護(hù)底結(jié)構(gòu)。

2.2 防護(hù)特點(diǎn)

采用固化土進(jìn)行樁基抗沖刷防護(hù)具備如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)抗沖刷能力強(qiáng)。材料整體勻質(zhì)性佳、黏聚力指標(biāo)高、抗沖刷能力強(qiáng)。在本工程測(cè)區(qū)潮流最大底層流速為1.486 m/s，樁身周邊最大流速(2.229 m/s)約為海底最大流速的1.5倍，考慮富余，固化土抗沖刷能力設(shè)計(jì)為可以抵抗4 m/s以上流速的水流沖刷。

(2)結(jié)構(gòu)整體性佳。底部貼合且融合于海床形成緊密的大整板結(jié)構(gòu)，表面光潔，底部不滲水，具有顯著的抵御涌浪破壞作用效果。

(3)樁基貼合性好。流動(dòng)性易于控制，與樁基緊密貼合，無縫隙，不易形成沖刷點(diǎn)。

(4)水穩(wěn)定性及耐久性強(qiáng)。固化土穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)修復(fù)較少、維護(hù)成本低，能有效解決基礎(chǔ)防護(hù)和修復(fù)中的諸多難題。

(5)施工安全與可靠。通過管道泵送，遠(yuǎn)離樁基，施工中減少對(duì)海纜、樁基碰撞可能產(chǎn)生的損傷，施工安全有保障。

(6)施工便捷、高效。固化土流動(dòng)性強(qiáng)，在船上攪拌固化土后直接通過泵送至指定部位，覆蓋全面，可規(guī)?；鳂I(yè)，效率高。

(7)環(huán)保價(jià)值高。固化土為環(huán)保型材料，使用固化土替代砂石料等減少了不可再生資源的消耗，環(huán)保效果明顯。

3 固化土修復(fù)的實(shí)踐

淤泥固化土施工技術(shù)采用流態(tài)轉(zhuǎn)固態(tài)的防護(hù)方式，施工時(shí)作業(yè)船無須靠近樁基，可避免施工中作業(yè)船對(duì)樁基的意外撞擊或損傷。早期通過泵送固化土以流態(tài)形式在樁周海床面自然流淌并逐漸硬化成型，對(duì)樁基本身和海纜不會(huì)造成意外損傷，施工安全可靠有保障，且在固化土修復(fù)過程中風(fēng)機(jī)無須停機(jī)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)不會(huì)產(chǎn)生影響。

以江蘇某海上風(fēng)電項(xiàng)目投產(chǎn)后防沖刷修復(fù)為工程實(shí)例，探究固化土在海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沖刷修復(fù)中的實(shí)踐效果。

3.1 項(xiàng)目概況

風(fēng)電場(chǎng)位于江蘇海域，整個(gè)區(qū)域形狀呈四邊形，規(guī)劃海域面積約90 km2，東西寬約9.7 km，南北長(zhǎng)約9.1 km，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃場(chǎng)址范圍海底高程為-14～-8 m，中心離岸線距離約43 km，為近海風(fēng)電場(chǎng)工程，裝機(jī)容量為302.4 MW，共布置72臺(tái)單機(jī)容量為4.2 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，現(xiàn)已順利實(shí)現(xiàn)全容量投產(chǎn)并網(wǎng)。

風(fēng)電場(chǎng)位于黃海南部海域輻射沙脊群南翼，屬于不發(fā)生滑坡或者泥石流的地質(zhì)條件，經(jīng)勘察，沒有發(fā)現(xiàn)巖溶、地面沉陷等不良地質(zhì)作用，但風(fēng)機(jī)位于近海海域，在海水漲退潮時(shí)風(fēng)機(jī)位置易受海浪沖刷。

3.2 沖刷情況

根據(jù)沖刷監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)掃測(cè)結(jié)果，在距樁中心平均17 m的半徑范圍內(nèi)，樁周出現(xiàn)相對(duì)設(shè)計(jì)泥面高程深度較大的沖刷坑[5]，最大沖刷量可達(dá)5 795 m3。

以39號(hào)風(fēng)機(jī)為沖刷監(jiān)測(cè)分析對(duì)象。

(1)第1次監(jiān)測(cè)

如圖1所示，監(jiān)測(cè)日期為某年9月6日，沖刷深度和沖刷體積計(jì)算的基準(zhǔn)高程為-10.35 m。

圖1 某年9月6日(半徑為35 m)掃測(cè)圖

在距樁基中心位置17 m半徑范圍內(nèi)，沖刷程度較大，沖刷產(chǎn)生的坑比較明顯，深度大于5 m；海底高程范圍為-15.81～-11.62 m，平均高程為-13.17 m；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊最大沖刷坑深度約5.46 m。相對(duì)周邊平均沖淤量為-2 458 m3。沖坑主要由沖刷引起。

在機(jī)位中心半徑17～35 m內(nèi)，地形較平坦；海底高程范圍為-12.67～-10.35 m，平均高程為-11.14 m；最大沖刷深度約2.32 m。相對(duì)周邊平均沖淤量為-2 323 m3。沖坑主要由沖刷引起。

(2)第2次監(jiān)測(cè)

如圖2所示，監(jiān)測(cè)日期為第二年的1月7日，沖刷深度和沖刷體積計(jì)算的基準(zhǔn)高程為-10.50 m。

圖2 第二年1月7日(半徑為35 m)掃測(cè)圖

在距樁基中心位置17 m半徑范圍內(nèi)，沖刷程度較大，沖刷產(chǎn)生的坑比較明顯，深度大于5 m；海底高程范圍為-18.00～-11.60 m，平均高程為-13.81 m；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊最大沖刷坑深度約7.50 m。相對(duì)周邊平均沖淤量為-2 885 m3。沖坑主要由沖刷引起。

在機(jī)位中心半徑17～35 m范圍內(nèi)，地形較平坦；海底高程范圍為-13.39～-10.19 m，平均高程為-11.41 m；最大沖刷深度約2.89 m。相對(duì)周邊平均沖淤量為-2 676 m3。沖坑主要由沖刷引起。

3.3 施工管理

3.3.1 施工控制要點(diǎn)

(1)潮流沖刷現(xiàn)象是復(fù)雜的過程，與土層強(qiáng)度、顆粒直徑、內(nèi)黏聚力有關(guān)，同時(shí)與潮流流況和建筑構(gòu)造物形成的亂流、渦流和局部流速加快有關(guān)。

(2)選擇最佳吹填時(shí)間是關(guān)鍵所在。根據(jù)以往的工程實(shí)例，為了使固化土吹填不受高低潮水流過多影響，最佳吹填時(shí)間為每次高低平潮的前后2個(gè)小時(shí)左右。

(3)護(hù)底結(jié)構(gòu)成型效果取決于海底水流速度、固化土坍落度、固化土產(chǎn)生抗沖刷強(qiáng)度時(shí)間、一次性吹填固化土工程量和一次性吹填固化土面積等因素，對(duì)這些因素的控制直接影響淤泥固化土護(hù)底結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果。

(4)定位船舶的選擇需滿足船舶精確定位、吹填管口定位、取泥方便、減少船舶吃水深度不一而產(chǎn)生的涌浪等條件。

3.3.2 施工過程

如圖3所示，固化土防沖刷保護(hù)的機(jī)理是利用高含水率固化土的流動(dòng)特性，吹填時(shí)固化土先以漿液狀主動(dòng)流平?jīng)_刷坑，隨后逐漸由液態(tài)硬化成固態(tài)，形成防護(hù)層。在吹填過程中部分固化土?xí)髦?7 m范圍外造成浪費(fèi)，增加工程造價(jià)，為此，根據(jù)既往的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)分析，在本次施工中在沖坑下部采用含水率稍低的固化土回填平坑，上部采用高含水率固化土吹填充縫和覆蓋，形成一個(gè)整板固化土防沖刷保護(hù)圈，既降低工程造價(jià)，又能較好地滿足防沖刷效果。

圖3 單樁基礎(chǔ)防沖刷保護(hù)設(shè)計(jì)

先利用含水率稍低的固化土(簡(jiǎn)稱“低含水率固化土”)作為充填料，回填在已形成的沖刷坑內(nèi)，填至上部高含水率流態(tài)固化土底部，再在上部樁基根部吹填0.8 m厚的高含水率流態(tài)固化土(即標(biāo)準(zhǔn)固化土)自然流至防護(hù)范圍。

低含水率固化土具備一定的強(qiáng)度，硬化后滿足上部標(biāo)準(zhǔn)固化土的基礎(chǔ)承載需求(28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為80 kPa)。低含水率固化土采用抓斗定位回填，回填時(shí)可避開海纜位置，在低含水率固化土回填完畢后再在上部吹填高含水率標(biāo)準(zhǔn)固化土至防護(hù)范圍，且標(biāo)準(zhǔn)固化土漿液能填充下部低含水率固化土的空隙，兩者有效融合，形成與海床緊密貼合的大整板結(jié)構(gòu)，表面光潔，底部不滲水，抵抗海底水流沖刷效果明顯。

(1)低含水率固化土?；靥顣r(shí)為流塑狀態(tài)，能夠自密實(shí)，硬化后具備一定承載力和良好的抗沖刷性。

(2)高含水率固化土。表面平整光滑，且漿液能填充下部低含水率固化土的空隙，硬化后與下部低含水率固化土有效融合，形成緊密貼合海床的大整板結(jié)構(gòu)，抵抗海底水流沖刷效果明顯。

(3)整個(gè)結(jié)構(gòu)密實(shí)，抗沖刷層具備一定厚度，防護(hù)有效。

對(duì)于海上樁基防護(hù)施工，不僅海況復(fù)雜，而且海纜數(shù)量多，均距離樁腿較近，常規(guī)定位方式所帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)較大，因此選用小船?？?、挖機(jī)分點(diǎn)拋投的施工工藝。在施工過程中，根據(jù)海纜路由圖、方位、位置距離，確定拋錨位置，拋錨全程采取控制措施，不對(duì)海纜與樁體造成碰損；再依據(jù)掃測(cè)圖分析確定合適的船機(jī)最終定位點(diǎn)及回填點(diǎn)位，計(jì)算各點(diǎn)位的預(yù)期回填量；此時(shí)潛水員下水探摸拋填范圍內(nèi)海纜具體位置及狀態(tài)，并綁扎浮漂為拋填抓斗操作手提供避開海纜拋投的明顯標(biāo)志。在作業(yè)船完成定位后，使用容量為4 m3的抓斗從固化土制備船中抓取低含水率固化土進(jìn)行定點(diǎn)回填，實(shí)施時(shí)在定位點(diǎn)上方逐漸釋放纜繩使抓斗下沉至現(xiàn)狀泥面處再釋放固化土，待固化土釋放完畢后收回抓斗；重復(fù)以上步驟至填土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高；最后在上部樁基根部吹填0.8 m厚高含水率流態(tài)固化土(即標(biāo)準(zhǔn)固化土)自然流至防護(hù)范圍，最終形成樁基抗沖刷的防護(hù)層。

3.3.3 應(yīng)用成果

任意選取1組樁基防沖刷施工前后掃測(cè)圖進(jìn)行對(duì)比，如圖4和圖5所示。

圖4 防沖刷施工前掃測(cè)圖

圖5 防沖刷施工后掃測(cè)圖

從施工前后樁周海床面的掃測(cè)結(jié)果可知，本項(xiàng)目施工總體上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果：一方面掃測(cè)前后沖刷坑底高程均有提高，證明固化土在坑中流平并形成防護(hù)層；另一方面固化土與坑周海床平滑順接，避免二次沖刷。

4 結(jié) 論

(1)在海上風(fēng)電投產(chǎn)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樁基基礎(chǔ)受潮流、波流、海床侵蝕等外力作用，都會(huì)面臨沖刷問題，固化土修復(fù)技術(shù)能有效解決此類問題。

(2)單樁基礎(chǔ)固化土沖刷修復(fù)技術(shù)也可推廣至多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)沖刷修復(fù)，由風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用延伸至升壓站基礎(chǔ)。

(3)固化土防沖刷方案既可用于沖刷后的修復(fù)，又可用于施工前防沖刷，從事前、事中、事后等3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行預(yù)防或修復(fù)沖刷帶來的問題。

(4)固化土防沖刷修復(fù)也可在其他海洋工程中進(jìn)行應(yīng)用。