海上风电高桩承台基础关键技术研究

吉伟，裴立勤，池德星，党浩然，王晨润，林逸凡

（1.华电（浙江）新能源有限公司，浙江 杭州 310000；2.华电重工股份有限公司，北京 100070）

海上风电场在风能资源方面优势显著，无需占用过多土地，风切变小、湍流强度小、稳定性强且污染噪声低。高桩承台基础与诸多专业存在密切关联，涉及较长的工序流程，施工管理面临诸多挑战。同时，风电基础承台包含大量预埋件，且安装预埋件时面临极高的精度要求，穿插实施浇筑混凝土与螺栓组合件，进一步加大精确控制预埋件定位的难度。加之外海作业一般存在较差的环境条件，承台在浇筑大体积混凝土时，理应高度重视温差变化问题。因此，以海上风电高桩承台为对象，研究基础关键技术，意义深刻。

1 工程概况

某岛海上风电场项目年平均风速9.8m/s，东北与西南为主风向，属I 类风区。该项目引入WT4.0-130 风机（西门子公司），所处海域地层起伏剧烈、沟壑纵横、暗礁流丛生且岩基裸露，带给风机基础选型、设计及施工前所未有的挑战。该工程具备以下特点：（1）海上存在相当大的风浪，夏季在热点气旋的影响下，会相应减少海上有效作业时间，加之该地区台风多发，面向施工设备及工艺提出极高的要求。（2）场区岛礁、暗礁分布较多，沉积物厚度变化明显，地层分布不均。场区机位基岩未达到符合要求的埋深，桩基入土深度不足，涉及嵌岩施工的需求。桩基为直径大的斜桩，存在较高可钻性级别的岩石。施工面临较大难度。（3）浇筑承台时引入大体积混凝土，浇筑难度更大。

2 风机基础设计

2.1 基础选型

以某岛海域环境条件、荷载复杂多变为根据，结合国内施工能力、风机荷载等，考虑结构、施工等因素，拟定3 种方案，分别为高、中、低。经试验后，采用有效作业时间利用更充分且易于控制工期的中承台基础高度方案。同时，设置的承台高程适宜，起吊作业施工更方便，因此，确定选择高桩中承台基础方案。

2.2 基础结构设计

该项目工程总装机为400MW 的容量，从风电场工程安全规定标准出发，依照装机规模划分，确定该工程项目是大型的规模，工程等别为Ⅰ等，标准重现期设计中考虑50 年，风电机组基础结构安全等级一级。

2.2.1 结构设计和校核

承台设计为14m，承台厚度和底高程分别为5.6m、3.4m。钢管桩1.8m，30mm 壁厚，桩长平均55m。桩端持力层为弱、强风化的散体状花岗岩的为促进基础水平刚度的提高，围绕嵌岩钻孔施工效率和难度同时加以考虑，引入5:1 斜钢管桩。混凝土承台中，需要事先安排高强预应力锚栓埋设作业，经过渡段连接塔筒，最终形成的风机支撑结构集混凝土承台、地脚螺栓、钢管桩、过渡段和塔筒为一体。

2.2.2 荷载计算

在对比DNV 基础设计规范的基础上，计算基础荷载分项与抗力系数，见表1。

表1 桩基础荷载分项及抗力系数

2.3 基础安全监测

在严格遵循全面、经济原则的基础上，布置监测设备至3 台风机上。监测工作开展中，主要针对承台与基础承台波浪力、钢管柱应力应变、风机倾斜与振动、钢管桩保护电位、塔筒过渡段内力等项目展开监测。通过监测获取的数据经分析后发现：经计算后得到的支撑结构相关结果，有着与塔筒振型与频率基本一致的趋势，表面约束假定的设计阶段支撑结果无误。承台中，结构并没有出现超限的钢筋应力，表现为拉应力的压应力变化趋势；承台结构中，应变是以压应变为主。钢管柱内，经测试发现2 号嵌岩机位桩尖部分位置存在处于零值范围的锚筋应力，呈现出平缓的波动变化，表示嵌岩段没有过多贡献，可能是设计嵌岩桩时过于保守，后续可对嵌岩桩数及长度进行优化。

3 风机基础施工

3.1 基础施工工艺流程

结合液压锤保证沉桩一次性到位；码头组装加工钢套箱，吊装加固；绑扎封底钢筋，封底后混凝土浇筑一次性完成。待封底混凝土强度达标后，拆除桁架梁并完成部分承载钢筋的预绑扎，转移至现场后，对剩余钢筋绑扎，并进行预埋件的埋设，钢套箱模板可在做好承台混凝土浇筑作业后拆除。在密切考虑海域地质条件的基础上，确定高桩承台基础类型为摩擦、嵌岩，后者施工工艺具备更高的复杂性，且体现出的海域地质特点更显著。

3.2 桩基施工

嵌岩桩基施工中，涉及的工艺主要包含钢管桩成桩、嵌岩钻进及搭设钻孔平台等。打桩作业中选择液压冲击锤，在打桩架上固定液压冲击锤，可规避沉桩受偏心力的影响，为桩身倾斜度提供保障。沉桩期间，无须进行打桩锤的更换，有利于沉桩效率的提高。引入装配式整体结构完成海上嵌岩平台的搭设，码头处加工制作平台后，现场整体吊安，施工效率更高。针对钢管桩，在嵌岩平台底部提前做好对应桩孔的预留作业，每个桩孔上进行1 根用于平台与钢管桩连接的扁担梁设置。连续2次加固，提高平台稳固性。钻孔平台由于为整体式，因此在安装或移除时皆可整体完成。该平台支持对钻，即同时钻进2 个对称位置的钻孔，能够取得更可观的施工效率。

3.3 承台施工

码头制作组装钢套箱，整体吊装。承台需提前在岸上布置部分预埋件及钢筋，水上完成剩余部分的布置。一次性浇筑基础承台混凝土，并妥善控制承台温度、落实水化热处理，浇筑时多在夜间进行。工程如果处于较高温度的海域环境，造成浇筑中温控要求很难得到满足时，应当结合人工降温措施，具体包含：（1）混凝土拌制中，在不改变水灰比的基础上，将部分水用冰块代替；（2）预置水循环管线在承台内，浇筑期间水冷降温。

4 施工质量控制措施

（1）沉桩定位控制措施隶属于外海作业的承台放样，常规仪器无法使用，此时定位放样作业需结合GPS，针对校核无法使用常规仪器的情况，为确保沉桩正位率，各承台首个沉桩中核定桩位时选择GPS 流动站。本工程在海上高程与沉桩平面控制中，最终选择定位技术为GPS-RTK（厘米级），施工前采集提前确定的GPS 基准点坐标和国家高程基准，经复核后，于测风塔上进行GPS 基准站的设置。准备阶段，根据图纸细致落实高程、尺寸、坐标等信息的复核工作，结合CAD 软件绘制，细致查验有无差错。施工中，定期开展仪器校对工作，辅以相关措施为仪器精确度提供保障。定位放样时，参照系描述步骤进行：一是沉桩定位中，以GPS 远距离打桩定位系统为基础，结合图形实时显示位置；二是结合桩架进行钢桩倾斜度的调整，结合打桩船绞锚船进行平面扭角的调整；三是缓慢移船，确保桩架实际桩位与界面拟打桩不会出现偏差，合理落实定位中落后量的标记作业；四是船头桩架上，复核钢桩桩位时建立在GPS 流动站的基础上进行，经查验确定为正确时开锤沉桩。

（2）整体钢套箱模板控制。承台基础基于整套钢套箱模流水作业的过程中，构成整体钢箱模板的结构包含4 部分，即底部桁架、上与下挑梁、侧壁模板，选择铰接螺栓连接的上下挑梁支持拆卸。钢箱模板侧壁是4 个拼装的单片组成，经专业设计、建模验算，保证刚度与强度要求得到满足。陆地完成钢箱模板的加工制作后，整体落驳并向现场拖运、安装。拼装缝不得出现超过3mm 误差的平整度。侧壁单片连接时使用螺栓，侧壁与桁架梁牛腿连接时使用插销方式。拼缝止水使用定制橡胶条，避免有漏水渗水的情况出现在结构中。钢箱模板安装时，从模板钢梁主梁边线着手，精准标记安装装订的定位，桩顶上焊接导向板，沿导向板安装钢箱模板。安装与测量调整同步进行，可实现更精确的就位，共同引入导向板与逐步焊接限位板方法。钢箱模板中心如果出现偏位或与规范和设计要求不符合的倾斜度时，及时调整。完成安装后，结合纤维钢板将8 根桩顶和钢套箱焊接为整体，消除施工中钢管桩晃动的可能性。

（3）预埋件施工控制。预应力螺栓组合件是风机设备基础的主要预埋件。该预埋件安装中引入整体工艺，承台首次浇筑混凝土时，预埋件和顶面埋设对应部位的钢板，做好安装标高的控制。混凝土达到与设计要求相符合的强度后，底板与高支撑螺柱经焊接后在预埋钢板上固定，选用标高调校螺帽在支撑螺柱顶部安置。在履带吊向的作用下，向支撑螺柱调校螺帽处仅需预埋件的吊装。调校螺帽后再进行高程的调整，即可保证预埋件与设计要求相符合的平整度及顶部法兰垫板标高。调平后，宁静紧固支撑螺柱的螺帽，同时在支撑螺柱上固定组合件。组合件顶部处，用二硫化钼涂抹各个螺帽及螺栓头。

（4）控制承台混凝土温差。基于大体积混凝土的海上风电高桩承台中，由于海上存在一系列施工限制因素、条件，大体积混凝土产生裂缝的可能性相当高，而浇筑温差是至关重要的控制要素。建立在集成模块化监控系统的基础上监测温差，数据采集时间间隔为0.5h，通过网络支持温度值的远程接收，同时自动分析温差。维持至少14d 的监测周期，当内外存在不超过25℃的温差时，模板即可拆除。在控制承台混凝土温差时，可从以下几方面着手：①胶凝材料以低水化热水泥为主，高效减水剂与水泥相匹配，拌合用水选择船载低温水。②优化配合比，适当减少使用的水泥量，促进水化热降低。③重视材料热传导性能的改善，优选粗骨料且导热系数更大的材料，用水量尽量减少。④浇筑混凝土时，出现超过28℃的温度，需加大原材料温度控制力度，若有必要可用冷水对集料冲洗，降低入机时骨料初始温度，重测喷水后的骨料含水率，并以测试结果为根据重新调整配合比。⑤混凝土终凝前，通过二次振捣，促使粗骨料下部及水平钢筋混凝土等部位由于泌水引起的空隙及水分等情况得以规避，消除混凝土沉落引起裂缝的情况。⑥做好养护作业，延长拆模时间。冬季时，拆模时间需适当延长，提高保温保水效果；夏季时，拆模时间同样需要适当延长，取得更好的保水效果。做好养护作业，为混凝土水化提供保障，促进抗裂作用的提高。⑦视具体情况进行冷却水管的布置。在温差控制理论的支撑下，在大体积混凝土内部进行冷却水管的设置，一旦出现超限的温差监测数据情况，结合注水冷却措施保证温差始终处于规定范围。

5 结语

综上所述，本文围绕海上风电高桩承台展开研究，从选型与结构设计出发，经试验确认拟定的嵌岩方案符合设计规范要求。同时，从桩基施工及承台施工着手，对嵌岩基础施工工艺展开分析，并探讨了控制施工质量的措施。经研究发现，引入整体式嵌岩平台，联合装配式预制钢套箱工艺及打桩架固定式沉桩，有利于施工效率的提升，保证工程建设要求得到满足。