摘要：对于单桩式海上风机，部分机位单桩防冲刷保护采用抛填级配块石及碎石的方式， 抛石的最终目的为冲刷保护完成后，桩周土体不被水流掏空，冲刷坑的范围、深度不再增加，钢管桩不会因桩周土体流失或其他非运行载荷而导致倾斜。本文以广东某海上风电项目为例，较全面地阐述了海上风电单桩基础防冲刷的抛石施工方案，对类似工程具有一定的指导意义。
关键词：海上风电；单桩式基础；抛石施工技术
一、工程概况
广东某海上风电项目场址,位于湛江市徐闻县新寮岛及外罗以东的近海区域。项目规划面积约 29km2，场址距离西侧徐闻县陆域的最近距离 10km， 最远距离约 17.5km。场址位置见图 1，共布置36台容量为5.5MW抗台型风力发电机，装机容量为198MW，基础形式均为无过渡段单桩结构；风电场配套建设一个陆上集控中心，1座220kV海上升压站，8组35kV场内集电海缆进入升压站，升压后通过220kV海底电缆登陆接入陆上集控中心，然后以220kV架空线路接入闻涛变电站，线路长度约30km。
二、自然条件
风电场所处海域潮汐现象主要是太平洋潮波经巴士海峡和巴林塘海峡进入南海后形成的。以湛江港潮位站和硇洲岛潮位站以往资料，以及本次全潮观测所设临时潮位站资料，工程附近海域潮性系数在0.88～1.04之间，属于不正规半日潮，其特征是一太阴日有两次高潮和两次低潮。由于受地形的影响，外海潮波从湾口进入湾内后发生变形，高潮位逐渐增高，低潮位逐渐降低，潮差也逐渐增大。本项目工程区理论最低潮面在1985年国家高程基准下1.488m。
风电场所处海域全年的波浪以风浪为主，年风浪频率达 90%，受季风的影响，最多风浪向为ENE和E，频率分别为22%和17%。5月和8月为偏SE向，10月至次年3月为ENE向，4月和9月则为E向，受热带风暴的影响，往往出现巨大的波浪。
风电场区域无长期测波资料，硇洲岛海洋站位于硇洲岛东部约-10m水深处，该站所处位置相对较为开敞，对工程海域具有较好的代表性。根据硇州岛海洋站1960～1979年实测波浪资料统计，年平均波高H1/10=0.9m，平均波高的年变化受季风影响，5月和8月的平均波高较小，为 0.7m～0.8m，10月至次年3月的平均波高较大，为 1.0m～1.2m，平均波高 11 月最大为 1.2m。年最大波高一般出现于热带气旋影响较多的月份，以10月居多，占30%，7月至9月次之，占15%～20%。波浪玫瑰图如图1所示。
图1硇洲岛海洋站波浪玫瑰图（2002～2004年）
通过全潮水文测验和数值模型计算分析，工程海域潮位和潮流之间存在着一定的相位差，工程海域潮波属以前进波为主的混合潮波。工程区全潮平均流速在0.6~0.8m/s之间，最大流速大多在0.8~1.5m/s之间，个别位置最大流速可达2.1m/s。工程附近海域潮流，深槽内潮流具有明显的往复性，浅滩上潮流具有明显逆时针旋转流特性。涨潮时间要略大于落潮时间，且涨潮流速要大于落潮。
场址距离西侧徐闻县陆域的最近距离约 6.8km，最远距离约17.5km，海底地貌属于水下浅滩、水下岸坡地貌单元，有部分沙洲，水下地形较平坦，海底泥面标高一般为-1m~-10m，范围变化较广。
三、钢管桩抛石施工技术
迄今为止，国内外关于自然水流对桥墩、防波堤、护岸、大坝等结构的冲刷研究开展较多，并取得了一定的研究成果[1-4]。
根据项目施工要求，部分机位单桩防冲刷保护采用抛填级配块石及碎石的方式进行， 抛石的最终目的为冲刷保护完成后，桩周土体不被水流掏空，冲刷坑的范围、深度不再增加， 钢管桩不会因桩周土体流失或其他非运行载荷而导致倾斜。
机位沉桩施工完成后，因波浪与海流作用形成的冲刷坑大小及形态各异，因此抛石前需要对桩基周围泥面冲刷情况进行复测，并抛填级配块石及碎石进行防冲刷保护。 抛石前，要求所抛级配石级配良好，中值粒径为150mm，单个块石粒径最大不超过250mm，所抛碎石粒径为60mm。抛石范围初定为8~10m，最终按照打桩后冲刷形成的冲刷范围确定，且最小抛石范围不小于 8m。
级配块石材料通过运输船运至风场附近后，通过总包、监理、业主的验收确认，并随即发运至海上已沉设好的机位。
级配块石运输船开航至预抛填机位附近100m左右时开始抛锚，并确认前后锚缆稳定后趁 平潮靠泊机位，在船舶与机位之间带缆固定。定位完成后，利用块石运输船甲板上的挖掘机进行块石的抛填，同时注意抛填时通过绞锚沿桩周围抛，确保桩基周围的抛石均匀性。根据提前测量的结果初步判定块石量满足要求后，第二航次进行碎石的抛填，抛填要求与块石相同。抛石时要确保抛石通畅，抛填方向与潮流主向一致，抛填块石后需检测抛石厚度。
图2 块石量方
施工时可采用GPS定位，由潜水员下水配合测扫抽查抛石铺设质量。施工期应调查施工期潮流和波浪强度及方向，做好相应的施工措施及安全防护工作，保障抛石顺利铺设到位，并尽量减少抛石的孔隙率。施工过程中控制抛石速度，尽量降低抛石高度，避免抛石时对桩身油漆涂料及牺牲阳极系统造成损伤。施工时应注意电缆J型管及海缆路径位置，以方便抛石完成后敷设海缆。防冲刷保护抛石完成，单桩经历第一次台风后，对海床抛石情况进行检测，块石、碎石 在台风后有影响需抛石的地方进行补抛。
图3 块石抛石
四．抛石施工安全措施
“安全生产”是一切施工的前提条件，在施工过程中，需始终贯彻“安全第一，预防为主”的方针，建立安全生产管理体系和保证措施。
设置安全机构，配备专职安全负责人专门管理安全生产，按工程施工投入总人数的一定比例，配备专职安全员，并组织岗前培训持证上岗。在施工期间，现场科学管理要求及现场施工需要进行布置。施工完工后，迅速清除运走所有装备和剩余材料、垃圾和临时设施，做到工完、料尽、场地清。根据本工程进度计划，制定施工船舶调遣预案，合理组织调遣。船舶、机械操作及维修人员提前检修、调试施工机械设备，检测人员检校仪器设备，确保施工船舶、机械、仪器设 备等能随时调用，正常运转。我司拟根据工程需要配备相应施工船，可以满足施工要求。此外，投入多艘运输船舶， 以及其他辅助船舶，完全满足工程进度需求。
五．结语
本文根据现场施工情况，介绍了部分机位的防冲刷保护的抛石施工方案的过程、要求、注意事项和安全措施，对相关海上工程有一定的指导性作用。
参考文献
[1]王涛, 刘兴年, 黄尔. 卵石河床清水冲刷粗化层破坏临界条件试验研究[J]. 四川大学学报(工程科学版）, 2008(4).
[2]刘晓平, 侯斌潘, 宣何等. 南津渡水库闸坝下游河床冲刷问题的试验研究[J]. 长江科学院院报, 2010(4).
[3]谢兴华, 赵建钧, 土石坝溃决冲刷侵蚀的力学机理初探[M]. 第十一届中国科协年会论文, 2009.
[4]肖忠. 沉入式大圆筒防波堤稳定性的三维弹塑性静动力数值分析[D]. 天津：天津大学, 2007.
论文作者:谢儒文
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
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