海洋工程
干货分享丨海上风电基础设施施工难点与解决
发布时间:2019-11-07
 
 
 

海上风电桩基础安装现状

 
 
 

 

海上风电基础安装费用在海上风电度电成本中占6%左右。

在不同的施工情况下,其成本占比也略有差异,以东海大桥海上风电场项目为例,在其预算中安装成本占比约为5.29%,基础比例占7.97%。这些成本比例会随着海水深度、海域条件及离岸距离的不同而变化。与陆上风电场投资成本相比,海上风电场投资成本增加最多的是支撑结构,其次是电网联接和安装成本方面。

数据来源:刘琦,许移庆 世界海上风电投资分析

海上风电桩基础在各种基础类型中占比达80%以上,海上风电桩基础安装不顺利影响塔架、风力发电机组安装,甚至可能影响整个风场并网时间。

目前,中国海上风电的基础型式主要还是单桩基础,导管架基础和漂浮式基础,当然还有其他的新型基础型式,但相对来说还没有得到大面积应用。单桩基础比较适用于水深较浅的风电场,如20-30米水深,单桩基础的优点是,造价较低,施工相对简单方便,不足就是水深超过50米可能就不太适用;而导管架基础则比较适用于水深较大的海域,但导管架基础造价较高,施工难度也更大;漂浮式基础目前在中国应用还比较少。就目前中国海上风电场的选址而言,主流的基础形式还是单桩基础。

虽然说单桩基础相对于导管架基础造价要低,施工也相对简单,但海上风电的单桩基础相比于陆地或者其他水上项目的单桩基础而来,还是非常大的项目,尤其是现在海上风电使用的单桩尺寸越来越大,直径最大可达10米左右,桩长100多米,单桩重量高达1800吨,张总提到,就目前的水平看,单桩基础的成本约为10000元/吨,也就是说一根桩的成本可能高达2000万,可以说是巨无霸的存在。

这个级别的单桩在施工过程用到的运输船、打桩船以及打桩锤也都是国内乃至世界顶级的,目前,国内海上风电用到的打桩锤最大打击能量已经达到3500kJ。对于单桩基础在施工过程中最怕的就是不能按照预期的要求把桩顺利打到位,比如在施工过程中出现溜桩;或者在桩顶到达设计标高之前出现拒锤,这些都可以算是施工过程中的事故。

 

溜桩

桩贯入至某些软弱土层时,在桩锤自重作用或较少的锤击数下不受控制地快速下沉的现象。

危害:

  • 钢丝绳断裂

  • 打桩锤损坏、落海

  • 桩身受损、废弃

  • 桩基承载力不满足要求

 

拒锤

桩贯入至某些土层时,连续贯入一定深度时的锤击数超过一定标准的现象。

危害:

  • 桩在泥面处水平变形不满足要求

  • 打桩锤损坏、报废

  • 桩身受损、废弃;桩底卷边

  • 桩顶标高不满足要求,影响塔架、机组安装

 

 
 

问题发生的本根原因分析

 
 
 

 

根本原因之一:工程地质条件的复杂性

 

◆ 海底土层起伏变化较大

◆ 特殊地形地貌、不良地质条件

  • 浅层存在身后的淤泥质软土层

  • 局部有上硬下软土的“鸡蛋壳”土层

  • 局部有溶洞、孤石

 

根本原因之二:岩土工程勘察方法失准

 

◆ 最常用标准贯入试验(SPT)方法:

  • 采用渔船改造的勘察船晃动影响SPT结果

  • 未计入风浪对标贯能量损失的影响

  • 杆长超标,未进行准确修正

 

根本原因之三:岩土工程勘察数据确定不当

 

◆ 据标准贯入试验(SPT)结果推测土参数,各地区经验公式有差异

◆ 对现场未能取得土样的淤泥质土层、非粘性土层土参数估计值偏小

◆ 桩基承载力计算和打桩分析对土参数要求不一致,但勘察报告一般提供同样的数据

 

根本原因之四:打桩锤选择有误

 

◆ 重锤打小桩

◆ 小锤打大桩

◆ 施工过程中更换打桩锤有误

 

根本原因之五:现场沉桩工序欠妥

 

◆ 桩基础自重入泥稳桩时间过短即压锤

◆ 压锤后稳桩时间太短即开始打桩

◆ 因故停锤时桩端位于坚硬黏土层或密实砂土层甚至强风化岩层,再次启锤打桩时难以贯入

◆ 群桩打入时未考虑合理工序,导致后续基桩难以贯入到位

 

 
 

溜桩和拒锤解决方案

 
 
 

 

理论分析溜桩、拒锤原因(打桩软件反分析)

 

针对钢管桩在打桩过程中可能出现溜桩和拒锤的现象,可以通过PDI公司的打桩模拟软件GRLWEAP进行事先模拟和预测,GRLWEAP软件可以根据已知的桩身参数以及地质资料,结合相应的打桩锤信息,在实际施工之前对设计的桩进行打桩模拟,从而得到打桩全过程的桩身应力、实时承载力、锤击能量、每米锤击数(贯入度)以及总锤击数等信息,其中,通过每米锤击数(贯入度)这个参数,我们就可以对打桩过程中的溜桩及拒锤现象进行预测及解读。

PDI 精确模拟打桩过程软件GRLWEAP 2010

 

GRLWEAP2010海工版特别适用于海上非均匀桩和斜桩的打桩分析。

  • 通过GRLWEAP打桩波动方程分析程序,分析并模拟打桩过程。GRLWEAP的波动方程被广泛用于沉桩分析。对于已知的桩身参数、土质情况及承载力要求,GRLWEAP可以帮助选择合适的打桩锤和打桩系统。

  • GRLWEAP2010可在互联网访问自带锤数据库,数据库中拥有800多个型号的打桩锤数以及大量的打桩系统数据,数据库可定期更新。

  • 对于给定的桩锤系统,GRLWEAP可依据观测的锤击数预测打桩阻力、桩身动应力及预估承载力。

  • GRLWEAP可打性分析可确定打桩过程中桩身应力和锤击数是否超限或拒锤。

  • GRLWEAP能估计总打入时间。

 

岩土勘察复测(CPT+钻孔取样+室内试验)

 

为了安全安装和长期性能检测,土体参数的准确性非常重要。同时,对于各个项目而言,基础的成本是重中之重,因此要详细了解土体状况。

最好的岩土工程场地特征描述方法是:根据实验室数据和原位测试数据建立具体土体的相关关系。原位测试方法主要采用静力触探CPT。

        
 

 

Geomil海床静力触探

 

重型的水下静力触探(CPT)系统

  • 目前最新型的海床静力触探(CPT)试验系统

  • 其独特的链式驱动设计,带来了海洋静力触探系统的革命性改变

  • 可快速、精确地测试离岸海底土层力学性质

  • 可以在500m以上水深地近岸环境中使用

  • 最大可以在4000m水深地离岸环境中使用 

 

 

 

GDS伺服电机控制的动态循环单剪试验系统EMDCSS

 

EMDCSS电机控制的动态循环单剪设备可以很好地研究土的动态特性,因为它简易而且可以模拟现场的许多加载条件,而这些特点是其它实验室设备所无法达到的。EMDCSS设备可以让主应力的方向平稳和连续地旋转90度。模拟主应力旋转的能力可以适合研究许多岩土问题,包括地震荷载。该单剪试验系统可以直接研究排水和不排水条件下的剪切应力和剪切应变的关系,也可以用于海底结构,滑坡和地震性能研究的常规试验。

 

 

 

GDS多向动态循环单剪系统VDDCSS

 

VDDCSS允许两个方向进行简单剪切,而不是标准单向。这通过具有作用于其上的次级剪切作动器来实现,此剪切作动器与主剪切作动器相差90度。

当用作变向系统时,次剪切轴可以独立于主剪切轴或与其一起使用,因此可以在任何水平方向上执行简单的剪切。近似于海上结构可能由于风和波浪载荷组合形成的复杂载荷模式。

 

 

GDS多维复合动态循环单剪实验系统MDDCSS

 

MDDCSS提供了一种用于测试土样的系统,土样可能随时间改变剪切荷载方向。这包括各种海上基础设施,附风力发电机和石油钻机。

MDDCSS还可以模拟在一个方向上偏移并在另一个方向上加荷的情况。

 

桩基复打(桩基承载力与桩身完整性检测,注意打桩锤选择)

 

海上桩基承载力测试与完整性检测宜采用高应变测试,由于打桩锤的锤击能量大,锤击对中好,所以其实海上高应变测试总体效果是非常理想的,来自全球各地的用户已经充分证明了这一点。


PDI高应变打桩分析仪PDA-8G&水下应变和加速度传感器

 

PDA-8G可用于评估桩身承载力及其完整性。对于现场实测的数据还需使用CAPWAP拟合软件进一步分析,分析得出的结果与静载荷试验有着良好的相关性。

PDI浅水(100米以内)和深水(300米以内,Seacon生产)防水型力传感器和加速度传感器与PDA-8G打桩分析仪相配合,能够实现海上打桩高应变动测。

同时,施工单位可以通过PDI 精确模拟打桩过程软件GRLWEAP来验证其现有的打桩锤能否将设计的单桩顺利打入到预定标高,如果不行,选用什么样的锤比较合适,这样可以避免因为选择的打桩锤不适用而造成的经济损失。

 

桩基础顶法兰检测与处理

 
  • 法兰质量检验

  • 法兰打磨

  • 法兰切除重新焊

 

 
 

海上风电桩基础设计与施工建议

 
 
 

 

桩基础设计:

  • 复核岩土工程勘察数据的合理性

  • 考虑承载力分析与打桩分析分别选用不同土参数

  • 对桩身强度、屈曲稳定性分析时提前考虑施工工

 

来源:XX海上风电场项目单桩可打入性分析/XX海上风电场项目岩土工程勘察报告

桩基础施工:

  • 合理选择打桩锤

  • 合理安排施工工序

  • 加强现场沉桩监

 

参考文献

 

[1] 翟恩地,金风科技,海上风电桩基础溜桩和拒锤的根因分析,海上风电机组基础设计施工专题研讨会

[2] 张翼,国家电投集团广东电力有限公司,国内近海深水海上风电项目基础型式探讨,海上风电机组基础设计施工专题研讨会

[3] Tom Lunne,NGI,海洋静力触探及岩土工程测试技术研讨会引言,2019海洋静力触探及岩土工程测试技术研讨会

 

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