劉仁海，孫 智，李 君，葛 暢

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 3111223；3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電事業(yè)進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段，樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電工程中。海洋環(huán)境相較于陸地更為復(fù)雜，常常會(huì)有風(fēng)浪波流等復(fù)雜條件共同作用，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，改變土體力學(xué)特征，從而影響海上風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性。因此，很多學(xué)者對(duì)樁基沖刷進(jìn)行了相關(guān)研究[1-10]。袁建中[3]通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證了固化土在單樁基礎(chǔ)沖刷修復(fù)中起到了較好的作用。姜萌[4]基于室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，提出了預(yù)測(cè)海上大直徑圓柱體沖刷深度的公式。王亞康[7]對(duì)比了固化土防護(hù)和拋石防護(hù)兩種防沖刷措施，根據(jù)工程實(shí)際情況選用拋石防護(hù)，通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證拋石防護(hù)方案的效果。王玉芳[8]總結(jié)了幾種海上風(fēng)電工程中常用的沖刷防護(hù)方案，并對(duì)其工程造價(jià)進(jìn)行對(duì)比分析。

本文以大連某海上風(fēng)電場(chǎng)Ⅳ(350 MW)項(xiàng)目為工程背景，對(duì)海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，為類似工程提供參照。

1 工程概況

大連某海上風(fēng)電場(chǎng)Ⅳ(350 MW)項(xiàng)目位于遼寧省大連市某海域，在某規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)Ⅴ場(chǎng)址的東南側(cè)，場(chǎng)址中心離岸距離約35.2 km，規(guī)劃面積約55.8 km2。擬安裝24臺(tái)6.2 MW、26臺(tái)7.5 MW及1臺(tái)8.0 WM風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模為351.8 MW，擬配套建設(shè)1座220 kV海上升壓變電站和1座陸上集控中心，220 kV海上升壓站變電站經(jīng)2回220 kV海纜線路登陸后，轉(zhuǎn)路纜接入陸上集控中心。擬建風(fēng)電場(chǎng)區(qū)地理位置見(jiàn)圖1，風(fēng)機(jī)布置見(jiàn)圖2。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)地理位置示意圖

圖2 風(fēng)機(jī)布置示意圖

2 工程地質(zhì)及海洋水文特征

2.1 地基土特征

本工程位于大連某海域，海底地形較平緩，整體呈北高南低趨勢(shì)。高平潮時(shí)海水深度約14.50～23.50 m，地貌類型為淺海堆積平原。根據(jù)鉆孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果和區(qū)域地質(zhì)資料，勘探深度內(nèi)(最大勘探深度63.90 m，對(duì)應(yīng)高程91.10 m)均為第四系沉積物，共分為8個(gè)大層、15個(gè)亞層、3個(gè)夾層，本場(chǎng)區(qū)勘探深度范圍內(nèi)上部①～②層為第四系全新統(tǒng)(Q4)濱海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土，中下部為晚更新世(Q3)河口、濱海相沉積物?，F(xiàn)自上而下分述如下：①層淤泥：為新近沉積土，灰色，流塑，夾薄層狀粉砂、粉土，含少量腐殖質(zhì)，該層絕大部分分布，層頂高程-32.00～-26.70 m，層厚1.20～5.20 m；①層粉質(zhì)粘土：灰色，流塑～軟塑，夾薄層狀粉砂、粉土，含少量腐殖質(zhì)及云母、貝殼碎屑，該層絕大部分分布，層頂埋深0.00～10.10 m，層頂高程-40.60～-28.80 m，層厚1.00～11.80 m；②層粉土：灰色，稍密為主，局部中密，濕，夾少量團(tuán)塊狀粉質(zhì)粘土，含云母、貝殼碎屑，該層部分分布，層頂埋深1.70～14.00 m，層頂標(biāo)高-45.50～-29.00 m，層厚0.60～9.80 m；③層粉砂：灰色，中密為主，局部稍密，飽和，局部夾少量薄層狀粉質(zhì)粘土，含云母、貝殼碎屑，該層大部分分布，層頂埋深3.90～17.00 m，層頂標(biāo)高-48.30～-31.20 m，層厚1.00～12.70 m；③層粉質(zhì)粘土：灰色，可塑，夾薄層狀粉土、粉砂，含少量貝殼碎屑，該層大部分分布，層頂埋深5.30～26.00 m，層頂標(biāo)高-55.40～-33.80 m，層厚0.70～12.20 m；③層粉砂夾粉質(zhì)粘土：灰色，稍密～中密，飽和，夾薄層狀粉質(zhì)粘土，含云母碎屑，該層大部分分布，層頂埋深10.00～24.30 m，層頂標(biāo)高53.20～-40.60 m，層厚0.80～11.40 m。

2.2 水文特征

工程海域潮位屬規(guī)則半日潮類型，理論深度基準(zhǔn)面在平均海面以下3.15 m，年平均海平面為0.04 m。根據(jù)專用潮位站潮位資料統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)期間，最高潮位為3.60 m，最低潮位為-3.30 m，最大潮差5.75 m，平均潮差3.76 m，平均漲潮歷時(shí)為5 h 57 min，平均落潮歷時(shí)為6 h 23 min，漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)約30 min，年平均海平面0.04 m。

秋季大潮漲潮期表層、中層、底層最大實(shí)測(cè)流速范圍分別為88.7、88.5、73.8 cm/s，落潮期表層、中層、底層海流最大流速范圍分別為71.3、68.7、48.3 cm/s。最大實(shí)測(cè)漲潮流流速普遍高于對(duì)應(yīng)層位落潮流流速，最大實(shí)測(cè)漲潮流流向以N～NNE向?yàn)橹鳎涑绷髁飨蛞許W～SSW為主。春季大潮漲潮期表層、中層、底層最大實(shí)測(cè)流速范圍分別為77.5、67.7、69.2 cm/s；落潮期間表層、中層、底層海流最大流速范圍分別為85.0、95.6、65.6 cm/s。最大實(shí)測(cè)漲潮流流向以NNE～NE向?yàn)橹鳎涑绷髁飨蛞許SW～SW向?yàn)橹鳌?/p>

受季風(fēng)氣候影響，春季工程海域波浪以S～SSW向?yàn)橹?，冬季工程海域NE～ENE向波浪顯著增強(qiáng)，但S～SSW向波浪仍占有相當(dāng)大的比重。

工程海域固定冰分布范圍很小，冰情嚴(yán)重的年份固定冰離岸距離2～3 km，冰情較輕的時(shí)候只有幾百米。黃海北部海域比較開(kāi)闊，不利于固定冰的生成和發(fā)展，固定冰離岸距離小，即使在冰情嚴(yán)重的年份固定冰也對(duì)場(chǎng)址影響不大。受潮流因素的影響，場(chǎng)址海域的海冰速度方向主要集中在東北和西南兩個(gè)方向占到所有方向的63%，在這兩個(gè)主要方向上的平均速度大小在10 cm/s左右。

3 樁基沖刷現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況

本工程需進(jìn)行沖刷監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)有海上升壓站4根樁基礎(chǔ)和51臺(tái)風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)。本次風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測(cè)外業(yè)時(shí)間為2021年9月13日～2021年9月17日，監(jiān)測(cè)24臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊半徑50m范圍內(nèi)海底地質(zhì)及沖刷溝發(fā)育情況，確定海底沖刷溝的位置、規(guī)模和深度。沖刷情況如下：

1)相對(duì)周邊高程沖刷量：距風(fēng)機(jī)中心半徑21 m范圍內(nèi)，高程最小值范圍為-32.70～-27.95 m，高程最大值范圍為-31.30～-26.60 m。相對(duì)周邊平均高程最大坑深度為0.77～1.93 m，最小、最大沖坑深度分別位于14號(hào)和47號(hào)風(fēng)機(jī)，分別為0.77 m和1.93 m(見(jiàn)圖3、圖4)。14號(hào)風(fēng)機(jī)周邊沖刷與淤積大致平衡，沖淤量為0，其余23臺(tái)風(fēng)機(jī)相對(duì)周邊平均高程呈沖刷狀態(tài)，沖刷量范圍為13～252 m3，平均沖刷量為113 m3，最小沖刷量分別位于5號(hào)、11號(hào)和16號(hào)風(fēng)機(jī)，最大沖刷量位于42號(hào)風(fēng)機(jī)。

圖3 47號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊地形監(jiān)測(cè)三維圖(最大沖坑深度)

圖4 14號(hào)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊地形監(jiān)測(cè)三維圖(最小沖坑深度)

2)相對(duì)設(shè)計(jì)高程沖刷量：距風(fēng)機(jī)中心半徑21 m范圍內(nèi)，最大坑深范圍為0.68～2.02 m，最小、最大沖坑深度分別位于16號(hào)和44號(hào)。2、16、25、51、55號(hào)和56號(hào)等6臺(tái)風(fēng)機(jī)相對(duì)設(shè)計(jì)高程呈淤積狀態(tài)，淤積量范圍為13～737 m3，平均淤積量為194 m3，最小淤積量位于25號(hào)風(fēng)機(jī)，最大淤積量位于16號(hào)風(fēng)機(jī)；4、5、6、8、9、11、14、15、26、27、42、43、44、45、47、49號(hào)和50號(hào)等17臺(tái)風(fēng)機(jī)相對(duì)設(shè)計(jì)高程呈沖刷狀態(tài)，沖刷量范圍為27～544 m3，平均沖刷量為218 m3，最小沖刷量位于27號(hào)風(fēng)機(jī)，最大沖刷量位于43號(hào)風(fēng)機(jī)；3號(hào)風(fēng)機(jī)周邊沖刷與淤積大致平衡，沖淤量為0。

從掃海情況可以看到，樁基附近三倍樁徑處的土體均受到?jīng)_刷作用影響較大，沖刷深度由樁基附近向外逐漸減小，形成倒圓臺(tái)狀沖刷坑。

4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防沖刷施工技術(shù)——袋裝砂回填

4.1 袋裝砂質(zhì)量要求

本工程小袋裝砂由230 g/m2聚丙烯編織布和150 g/m2聚酯短纖無(wú)紡布針刺復(fù)合而成。

1)土工織物。土工織物包括編織復(fù)合布及針刺復(fù)合土工布。土工織物縫制拼接強(qiáng)度要求：拼接縫制后強(qiáng)度不低于原織物設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%。

2)錦綸線。錦綸線主要用于土工織物縫制，采用35支3股規(guī)格，強(qiáng)度不小于150 N。

3)袋裝砂充填。袋裝砂充填砂粒徑≥0.05mm顆粒含量≥60%，粘粒(d≤0.005 mm)含量≤10%。在充填施工時(shí)，砂袋內(nèi)充填飽滿度宜為80%～85%，并經(jīng)泌水密實(shí)后方可用于拋投施工。

表1 380 g/m2編織復(fù)合布主要技術(shù)指標(biāo)

4.2 水下拋砂袋水平落距確定

小砂袋的理論漂移距根據(jù)以下公式計(jì)算得出，在施工中需與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際漂移距相結(jié)合，綜合確定漂移距。

Ld=0.8×Vf×H/W1/6

(1)

式中：Ld為拋砂袋水平落距，m；H為水深，m；Vf為表面流速，m/s；W為袋裝砂重量，kg。

3 m×3 m砂袋充填后重量約為4 780 kg(2.5×2.5×0.45×1 700)。

4.3 主要施工工藝及技術(shù)措施

4.3.1 施工海域掃海

掃海包括風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)的漁網(wǎng)、養(yǎng)殖漂浮物等影響施工作業(yè)的漂浮物，查勘風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)和所需通行的航道等海域，確保航行通暢和船舶設(shè)備正常運(yùn)行。對(duì)淺水區(qū)進(jìn)行實(shí)際水深探測(cè)，做好水深警示標(biāo)記。對(duì)海圖上未標(biāo)注的實(shí)際存在的海底管線及已敷設(shè)海纜路由均需與相關(guān)部門聯(lián)系，取得實(shí)際路由GPS坐標(biāo)，對(duì)施工船舶進(jìn)行交底，確保拋錨避開(kāi)該區(qū)域，做好成品保護(hù)。

4.3.2 充填砂袋施工

充填袋裝砂為半柔性結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)適度變形，是沖刷坑回填防護(hù)較為可取的施工方法，本工程砂袋布料采用380 g/m2(230 g/m2編織布+150 g/m2無(wú)紡布針刺復(fù)合)編織復(fù)合布，試驗(yàn)拋投砂袋主要采用3 m×3 m小袋型式。

4.3.3 鋪排船定位

鋪排船順?biāo)鞑荚O(shè)，采用6錨定位法，鋪排船上采用6個(gè)液壓絞車控制6根鋼纜，從而控制鋪排船的定位和移動(dòng)，鋪排船沿鋪設(shè)方向移船，拋錨注意避讓開(kāi)海纜位置，拋錨位置遠(yuǎn)離海纜線路不小于50 m，鋪排船滑板最近距風(fēng)電樁2 m，本工程沖刷坑拋填以樁為界左半幅、右半幅分別拋填到位(見(jiàn)圖5、圖6)。水下充砂管袋施工時(shí)，首先利用GPS-RTK軟件繪制袋體平面位置圖，指導(dǎo)鋪排船在下袋位置進(jìn)行定位。充砂量根據(jù)袋體尺寸及計(jì)劃充填厚度確定。砂袋由岸邊按照要求疊置好，運(yùn)至鋪排船上。

圖5 左半幅施工示意圖

圖6 右半幅施工示意圖

4.3.4 砂袋的鋪設(shè)充灌與拋填

1)鋪設(shè)砂袋，充砂袋在沉放前，先用GPS定位，充灌砂袋，采用鋪排船施工，砂袋鋪放在滑板上，利用水力沖挖機(jī)組充灌砂袋，充滿后利用高壓水流輔助下放滑板使得砂袋下放至指定位置。

2)模袋鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)盡量避免施工機(jī)械或人為破壞，一旦發(fā)現(xiàn)模袋被破壞，應(yīng)立即報(bào)告發(fā)包人和監(jiān)理人并按照監(jiān)理人的指示更換破損部分或進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3)砂袋拋填，由于樁基沖刷坑為漏斗狀，坑內(nèi)砂袋充填時(shí)先樁基附近砂袋，使得砂袋緩慢下沉且與基樁結(jié)合緊密，然后再拋填外部砂袋，直至沖刷坑填滿，確保表層砂袋充填平整。且與保護(hù)面緊密結(jié)合，起到應(yīng)有的防護(hù)作用。

4)充填控制，本工程小型砂袋3 m×3 m設(shè)置一個(gè)充填袖口，一個(gè)排水袖口，采用多次充填確保砂袋充填飽滿且相對(duì)平整。

5)分層分段，對(duì)回填區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分定量拋投。網(wǎng)格劃分原則上按40 m×2 m(長(zhǎng)度根據(jù)鋪排船滑板長(zhǎng)度定，寬度根據(jù)砂袋尺寸考慮搭接定，3 m×3 m小型砂袋充填完成后尺寸為2.5 m×2.5 m，排搭接0.5 m)的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，每次移船距離控制為2 m，其余不規(guī)則部分以方便現(xiàn)場(chǎng)施工為原則進(jìn)行劃分，每個(gè)網(wǎng)格根據(jù)相應(yīng)厚度的斷面面積用橫斷面法計(jì)算相應(yīng)網(wǎng)格方量，并按照網(wǎng)格方量除以單個(gè)砂袋方量，得到每個(gè)網(wǎng)格所需拋砂袋的數(shù)量，根據(jù)網(wǎng)格面積計(jì)算砂袋拋投數(shù)量。拋完一個(gè)網(wǎng)格立即作好記錄，然后采用GPS控制絞船移位，進(jìn)行下一個(gè)網(wǎng)格的拋投。每拋完一層砂袋，立即用測(cè)深儀進(jìn)行檢測(cè)，符合要求后才能進(jìn)行下一層的拋投施工(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7 拋填網(wǎng)格示意圖

圖8 分層拋填示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

以大連某海上風(fēng)電場(chǎng)Ⅳ(350 MW)項(xiàng)目為例，對(duì)大直徑單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

1)本次監(jiān)測(cè)24臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊半徑50 m范圍內(nèi)海底地質(zhì)及沖刷溝發(fā)育情況均存在不同程度的沖刷現(xiàn)象。相對(duì)周邊高程沖刷量：距風(fēng)機(jī)中心半徑21 m范圍內(nèi)，最大坑深度為0.77～1.93 m，沖刷量范圍為13～252 m3，平均沖刷量為113 m3。相對(duì)設(shè)計(jì)高程沖刷量：距風(fēng)機(jī)中心半徑21 m范圍內(nèi)，最大坑深范圍為0.68～2.02 m。

2)采用袋裝砂回填方法對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行沖刷防護(hù)施工，充砂袋在沉放前，先用GPS定位，充灌砂袋，采用鋪排船施工。先拋填樁基附近砂袋，再拋填外部砂袋。采用分層分段式拋填，對(duì)回填區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分定量拋投。

3)施工前必須對(duì)施工海域進(jìn)行掃海，對(duì)淺水區(qū)進(jìn)行實(shí)際水深探測(cè)，做好水深警示標(biāo)記。對(duì)海圖上未標(biāo)注的實(shí)際存在的海底管線及已敷設(shè)海纜路由均需與相關(guān)部門聯(lián)系，取得實(shí)際路由GPS坐標(biāo)，對(duì)施工船舶進(jìn)行交底，確保拋錨避開(kāi)該區(qū)域，做好成品保護(hù)。