郑庆弟1 林志庞2 侯林高3
（1.2.3中国能源建设集团广东火电工程有限公司 广州市 510735）
摘要：国内近海水深20～30m左右、正在开发建设的海上风电场大多选用水下四桩型导管架基础，成本高、工效低、质量管控难度高、风险高。吸力桩型基础具备施工安装方便、噪声小、可重复利用、方便拆除、受水深增加影响小等优点，其在海洋工程领域已有近40年的使用历史，借鉴海洋工程经验，国内设计人员正试图将吸力桩型导管架基础应用于海上风电领域。吸力桩型导管架基础的施工难度大，包括沉贯过程模拟和计算分析，土动载下的土塞效应和渗流特性，安装坐标、方位角和倾斜度测量等。吸力桩型导管架基础施工的成功与否直接关系到风机基础结构抵抗风、浪、流等载荷的能力和寿命。本文针对吸力桩型导管架的施工关键技术进行研究，并结合苏格兰阿伯丁（Aberdeen）项目的实践经验分析其过程中的施工特点及重难点，为我国海上风电基础建设提供参考。
关键词：吸力桩；吸力筒；吸力桶；导管架；海上风电；基础施工
Abstract：The depth of the offshore water is about 20~30m in China，most of the offshore wind farms under development are selected from the underwater four-pile jackets foundations，which has high cost，low efficiency，difficult quality control and high risk. The suction pile type foundations have the advantages of convenient construction and installation，low noise，reusable，easy to dismantle，and less affected by the increase of water depth. It has been used for nearly 40 years in the field of marine engineering. With reference to marine engineering experiences，domestic designers are working. Attempts have been made to apply the suction pile jackets foundations to offshore wind power. The construction of the suction pile type jackets foundations is difficult，including the simulation and calculation analysis of the penetration process，the soil plug effect and seepage characteristics under the soil dynamic load，the installation coordinates，the azimuth and the inclination measurement，etc. The success or failure of the foundations construction of the suction pile type jackets is directly related to the ability and life of the wind turbine foundations to resist loads such as wind，waves and flow. This paper studies the key construction technology of suction pile jackets and combines the practical experience of Aberdeen in Scotland to analyze the construction characteristics and difficulties in the process，and provide reference for China's offshore wind power infrastructure construction.
Key words：suction pile；suction cylinder；suction bucket；jackets；offshore wind power；foundations construction
1引言
1.1海上风电发展现状
随着时代的发展变迁，可再生能源的投资开发已成为全球新能源领域关注的热点。与陆上风电相比，海上风电具有平均风速高、风切变小、湍流强度小、产出高等优点，近海风能资源开发潜力大、靠近沿海各用电负荷中心，海上风电因此成为能源战略的发展方向，海上风电场的开发建设也逐渐成为国内外可再生能源发展的焦点。
为了承受海上的强风荷载、海流、波浪耦合冲击、海水盐雾侵袭等，相对陆上风电，海上风电机组的基础结构复杂、技术难度高。据统计，目前国内近海水深20～30m左右的海上风电场大多选用水下四桩导管基础，基础造价占比约为25～30%，随着开发场址水深的加深，选择水下四桩导管架基础，基础造价占比会进一步提高；另外，随着国家竞争性配置政策的推行，如何降低海上风电的LCOE显得尤为重要，因此选用结构合理、能显著降低工程造价的海上风电基础是发展海上风电迫切需要解决的关键技术问题之一。
1.2吸力桩型基础应用情况
吸力桩（也可称为“吸力筒”或“吸力桶”）是一种底端敞开、上端封闭的钢质圆桶型结构，可与上部导管架设计为一体，因其外观形状像倒扣的桶且靠吸力沉贯而得名，安装过程中，先通过自重沉贯，然后通过吸力泵将桩内海水抽出，形成桩内外的压力差，将吸力桩沉贯至设计入泥深度。吸力桩在海洋工程领域已有近40年的使用历史，吸力桩是上世纪40年代提出来，70年代以来，海油工程依据负压锚原理，在北海和墨西哥湾采用带裙型的基础平台，1980年在北海安装的12个吸力桩是其首次商业应用；1994年7月，挪威国家石油公司建成了一座新型的大型导管架平台，该平台采用了一种新型的基础——吸力桩型导管架基础（水深70m）；吸力桩自上世纪90年代开始，陆续在国内开始应用。吸力桩型基础在国内外海洋工程，尤其是海油工程里，已经积累了大量的理论、实践经验和技术成果，技术已成熟、可商业应用和推广。吸力桩具有定位准确、施工效率高、费用低、噪音小、可承受较大的横向力和扭转力矩、回收简单、可重复利用及受水深增加影响小等优点，因而得到越来越多的应用。本文主要研究吸力桩型导管架基础的特点、适用范围、施工工艺及施工关键性技术。
2吸力桩型导管架基础分析
2.1吸力桩型导管架基础在海上风电的应用
吸力桩型导管架基础，目前已经在欧洲的测风塔、海上升压站、海上风机基础进行商业化应用，在2017-2018年施工建设的苏格兰阿伯丁（Aberdeen）海上风电项目，采用了11座吸力桩型导管架基础，安装9台MHI-Vestas V164-8.4MW和2台MHI-Vestas V164-8.8MW风机；在国内暂时在海油工程中应用较多，海上风电方面应用较少，香港中华电力有限公司在2012年投资建设了1座海上测风塔平台，采用了吸力桩型基础。基于吸力桩型基础的上述优点和应用案例，国内设计人员正尝试将吸力桩型导管架基础应用在海上风电领域，助力海上风电行业的健康有序发展。
2.2与水下四桩型导管架基础的对比
水下四桩型导管架基础是目前国内开发建设海上风电项目的主推基础型式，海上风机水下四桩型导管架基础一般采用沉桩法施工。需使用导向架，先将水下四根桩打入海床土体设计深度，确保其垂直度及位置精度满足设计要求，然后拆除导向架，安装导管架，完成调平后开始水下灌浆；平均单台施工周期约在5-10天左右。水下四桩的垂直度和位置精度要求高，施工质量管控难度大；为了避免桩与导管架之前的结合段的桩内部被海洋生物附着，需连续施工，对作业窗口期要求高，在海上的恶劣施工天气下不容易满足，工效低、风险高；水下灌浆过程不可逆，容易产生漏浆现象，大大增加灌浆料的成本投入，对海洋环境造成不良影响；灌浆质量管控难度非常高，且暂无检测及修复、返工手段，给后续海上风机长期安全运行带来隐患。
吸力桩型导管架一般为三桩或四桩，海上风机基础一般为三桩，海上升压站基础一般为四桩。该两种型式基础对比如下：
表1 吸力桩型与水下四桩型导管架基础的对比
在2017-2018年施工建设的苏格兰阿伯丁（Aberdeen）海上风电项目，采用了11座吸力桩型导管架基础（三桩），分别安装9台MHI-Vestas V164-8.4MW和2台MHI-Vestas V164-8.8MW风机，目前该风电场已经投产运营。根据荷兰吸力桩海洋技术公司（SPT offshore）提供的数据和资料，对该项目的吸力安装时间（如图1）、现场安装时间（如图2）、垂直度测量结果（如图3）和法兰面高度测量结果（如图4）的进行整理分析，吸力桩型导管架基础的现场施工时间在8-31个小时之间，施工工效非常高，可以在海上恶劣施工天气的间隙作业窗口期顺利完成作业；而其垂直度及法兰面高度均符合设计要求，非常利于质量管控。
图1 苏格兰阿伯丁项目11台吸力桩型导管架基础 吸力安装时间
Fig.1 11 suction pile jackets foundations in the Aberdeen project，Scotland. Suction installation time
图2 苏格兰阿伯丁项目11台吸力桩型导管架基础 现场安装时间
Fig. 2 11 suction pile jackets foundations in the Aberdeen project，Scotland Site installation time
图3 苏格兰阿伯丁项目11台吸力桩型导管架基础 垂直度测量结果
Fig. 3 Foundations of 11 suction pile jackets in the Aberdeen project，Scotland. Verticality measurement results
图4 苏格兰阿伯丁项目11台吸力桩型导管架基础 法兰面高度测量结果
Fig. 4 11 Suction pile jackets foundations in the Aberdeen project in Scotland Flange height measurement results
通过上述分析，吸力桩型导管架基础具有工程造价低、工效高、质量易管控、环境友好、可承受较大的倾覆力和扭转力矩、回收简单、可重复利用及受水深增加影响小等优点，有助于进一步降低海上风电的LCOE和施工风险，提高海上风电的施工质量，因此，吸力桩型导管架基础在海上风电有很好的应用前景。
3施工关键技术研究
3.1施工原理
吸力桩型基础为一个顶端封闭、底端敞开的结构，主要原理是负压作用。首先在施工中，吸力桩型基础被吊装在海底进行定位，由于基础本身的自重会使其贯入海床土体的一定深度，使桩内形成一个密闭的空间，通过安装在吸力桩顶端的吸力泵向外排水，在吸力桩的内部与外界形成一个负压差。吸力桩沉贯时，主要遇到2个阻力：桩端阻力和桩侧摩阻力；当桩内外负压差形成的下压力超过向上的阻力时，吸力桩型基础可被不断的下压、沉贯（如图5）。在施工过程中，通过调节吸力泵的工作参数进而调整桩内外压力差，控制吸力桩沉贯速度，同时监测其倾斜度等参数，直至沉贯至设计要求深度。
图5 吸力桩工作原理图
Fig. 5 Working principle diagram of suction pile
在施工过程中，当桩内的压力差可能与沉贯阻力相平衡，吸力泵排水将不能使基础贯入，此时需要根据应对预案，进行一系列的应对措施，一是增加吸力，但需要控制在一定范围内；二是压力循环；三是导管架循环等等。待基础沉贯到位后，通过在船上的中央控制室操作吸力泵的液压控制插销，拆除吸力泵；如果出现意外情况，中央控制室无法打开时，可采用水下ROV进行操作。吸力桩型导管架安装完成后，内外将不再有任何压力差。
3.2施工工艺
3.2.1吸力桩型导管架工作的主要施工工艺如下：
（1）安装前准备
安装前准备工作包括：吸力桩型导管架生产制造、码头装船固定、海上运输、船舶抛锚定位、设备（如吸力泵系统、水下ROV、倾斜仪有水平姿态仪、水下电罗经、短基线定位系统、内外压力传感器等）安装调试、吊具和牵引绳安装等。
（2）导管架吊装入水
将吸力桩型导管架起吊，移至拟安装粗定位的位置，吊装设备松钩、将导管架放入水中，在吸力桩底端刚接触到泥面时（如图6 a），暂停松钩。在此过程中，吸力泵排水口打开，使得桩内的水可自由排出。通过操作吊装设备的扒杆动作、卷扬机辅助调整牵引绳或移船等操作，使吸力桩进行小范围移动调整；同时通过水下电罗经监测吸力桩型导管架基础的方位角，通过短基线定位系统监测吸力桩型导管架的坐标，直到坐标和方位角均满足设计安装精度时，停止移动吸力桩型导管架基础。
（3）导管架下放、自重贯入
吊装设备继续缓缓松钩，吸力桩型导管架靠自重使其吸力桩贯入海床土体，并形成可吸力沉贯的桩土密封条件。在此过程中，吸力泵排水口打开，使得桩内的水可自由排出（如图6 b）；同时保持监测其倾斜度，确保满足设计要求。在自重贯入过程中，如果需要，可通过控制吸力泵来调节导管架的水平度。
（4）吸力泵系统排水、贯入
在自我贯入完成后，将吊装缆绳处于放松状态，然后启动吸力泵系统（如图7），抽取吸力桩内的水，使吸力桩内形成负压，吸力桩在桩顶端内外压力差的作用下，慢慢贯入海底土体（如图6 c）。在此过程中，导管架的倾斜度和入泥深度通过吸力泵系统内的设备进行监控，安装船上中央控制室对安装数据和速度进行控制。同时也可通过水下姿态仪和水下ROV等设备进行确认（如图8），直到吸力桩型导管架基础贯入深度达到设计要求（一般为吸力桩的顶端基本与海床泥面有约30厘米间隙）。
若吸力桩型导管架基础沉贯过程中，实时监测发现倾斜度超过允许值时，通过控制各自吸力桩上吸力泵的流量来控制吸力桩的贯入速度来调节水平度，直至吸力桩型导管架安装到位及完成水平调节。
（5）沉贯到位
吸力桩型导管架基础沉贯到位后（如图6 d），测量其倾斜度（法兰水平度）满足设计要求后，回收吸力泵系统等水下施工机具的回收，安装结束。
图6 吸力桩型基础的安装过程
Fig. 6 Installation process of suction pile foundation
图7 吸力泵系统（三桩型）图
Fig. 7 Suction pump system（three pile type）
图8 吸力桩型导管架基础（三桩型）施工模拟图
Fig. 8 Construction simulation diagram of suction pile type jackets foundations（three pile type）
3.2.2安装技术分析
吸力桩型导管架基础在安装前需要根据安装位置所处海域的海况、水文、气象情况、海床地质、土壤特性、安装船舶、吊装设备、吸力桩型导管架结构特点等条件进行安装分析工作，主要包括在位能力分析和安装能力分析，具体为静力分析、疲劳分析、贯入可行性与屈曲分析、极限承载力分析、吊装分析、运输分析、质量控制分析、施工风险分析等，以确保吸力桩型导管架的施工满足设计要求。
安装前需要考虑粘土和砂土的不同特性。粘土（clay）和砂土（sand）在吸力桩安装时会产生的现象是完全不同的。粘土是不会上升的，但是如果压力过大，粘土会被抽走，从而降低在位能力；同时，粘土也不会出现渗流现象。但在砂土中进行吸力桩安装时，砂土会上升，出土塞效应，同时会有渗流作用。
（1）土塞效应
土塞现象是指在吸力桩型导管架基础在沉贯入土的过程中，吸力桩内的土体在内外压力差和渗流的作用下向中抬升，提前与吸力桩的顶端接触，阻碍了吸力桩型导管架基础的继续下沉。
在吸力桩型基础沉贯过程中，吸力泵系统排水形成的下压力，主要用来抵抗桩阻阻力和桩侧摩阻力，随着负压沉贯的过程，桩内的土体在桩端压力和向上的渗流作用的影响下，产生了塑性区，从而降低了土体的抗剪强度，在渗流的持续作用下，塑性区的土体慢慢发生了流变现场，减少了桩端的阻力，从而使桩更容易沉贯入土。流变随着负压和时间的增大逐渐加强，土塞上升的速度也相应加快。
（2）土塞影响
土塞的现象给吸力桩型基础的施工过程带来了困难，提高了作业难度，而吸力桩型基础因此没能安装到位、没达到设计深度要求，不仅会降低其设计抗倾覆能力，而且还会造成海底水流作用对吸力桩型基础周边土体进行冲刷，尤其在近海，水深相对较浅，在海流和波浪力的长期共同作用下，冲刷作用和海洋沉积物移动现象明显，会导致基础裸露长度增加，给后续的安全运行带来隐患。
（3）土塞分析
在吸力桩型基础沉贯时，必须施加足够的吸力以使吸力桩下沉，同时吸力需通过智能化、数字化的吸力泵系统进行实时监测和调节，严格控制在一定的范围内，以使土体不致发生整体失稳破坏形成过大土塞。因此，当吸力最大压强一定时，吸力桩直径、海床土强度确定时，吸力桩的沉贯效应取决于压力差作用的有效面积，有效面积越大，沉贯效应越大，最终沉贯量也越大，土塞高度也相对越小。
吸力桩型基础在吸力沉贯阶段的性能状况一直是研究的焦点，主要是针对桩沉贯阻力的预测及内部土体稳定性的分析。在粘土中进行吸力沉贯时，与沉贯阻力和土塞稳定性紧密相关的是对其最小需求吸力与最大容许吸力的预测，防止土塞发生反向承载力破坏的失效模式。而吸力桩在砂土中沉贯时的情况较为复杂，由内部吸力引起的吸力桩周边渗流情况，会降低了桩内土体的有效应力和抗剪强度，从而大大减小了沉贯阻力，有利于吸力桩的贯入，但当渗流过大时则会引起地基管涌破坏。所以，在实际工程施工中，需通过吸力泵系统实时监测和控制施加的吸力小于最大容许吸力，防止桩砂土发生管涌、流砂等形式的失稳破坏。
（4）解决方案
根据上述分析，如何准确地估算负压沉贯过程中的贯入阻力及控制负压是吸力桩型导管架基础成功施工的重要前提。因此，需加强海床地质勘察的质量管控，确保数据真实可信；通过对海床地质、土壤特性进行详细的理论研究（如静力分析、贯入可行性与屈曲分析、极限承载力分析），并经吸力沉贯模型试验进行验算，得到吸力桩型导管架沉贯过程中的最小需求吸力和最大容许吸力，根据土层的特性，制定详细的吸力（负压）控制、调整方案和质量方案，以确保吸力桩型导管架的安全施工。另外，安装前根据海况、水文、气象情况、安装船舶、吊装设备等条件，制定详细的施工进度计划、资源计划安排及应急预案，为吸力桩型导管架的安装工作有序开展保驾护航。
4 结论
近年来，我国海上风电稳步发展，装机规模连续5年快速增长，已跃居全球第三。我国海上风电起步较晚、发展快，但同时面临着成本更低的陆上风电和光伏发电等其他新能源的激烈竞争，随着国家竞争性配置政策的推进，在下一阶段发展中，必须通过技术创新和规模化开发等手段，降低海上风电的LCOE，尽快摆脱补贴依赖，通过市场化的方式加快行业发展。
吸力桩型导管架基础具备工程造价低、工效高、环境友好、可重复利用、方便拆除、受水深增加影响小等优点，有助于进一步降低海上风电的LCOE和施工风险，提高海上风电的施工质量，吸力桩型导
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论文作者:郑庆弟1,林志庞2,侯林高3
论文发表刊物:《河南电力》2019年4期
论文发表时间:2019/10/31
标签：吸力论文; 导管论文; 基础论文; 海上论文; 风电论文; 水下论文; 海床论文; 《河南电力》2019年4期论文;