張成芹，王俊杰，包彩虹

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；2.中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

海上風(fēng)電場風(fēng)機安裝施工中，利用自升式平臺船進行分體式安裝風(fēng)機是常用的施工工藝。其通過抬升系統(tǒng)將樁腿插入海底，并將船體升離水面，以消除海浪影響，從而為安裝施工提供平穩(wěn)的工作平臺[1]，達到吊裝過程中最大限度保護風(fēng)機部件的目的。相較于整體安裝方法，利用自升式平臺船進行分體安裝的工藝可以減小風(fēng)浪對安裝過程的影響，海域適應(yīng)性更強，安裝效率更高。

江蘇中部沿海海域海底表層土質(zhì)為中密實的粉砂質(zhì)細砂和砂質(zhì)粉砂，俗稱“鐵板砂”，自升式平臺船在該海域施工中，由于沖刷引發(fā)樁靴掏空現(xiàn)象，導(dǎo)致承載力下降或平臺失穩(wěn)風(fēng)險。本文針對自升式平臺船在粉砂質(zhì)地質(zhì)海域施工中預(yù)防與控制沖刷的措施進行探討，保證自升式平臺船施工安全，發(fā)揮其施工能力。

1 沖刷機理及危害

外海波浪自深海進入淺水時，隨著水深變淺，底摩擦作用增強，波浪開始明顯作用于海底部泥沙。而粉砂質(zhì)海域海底土表層為粉砂層，顆粒間黏結(jié)力較小，抗剪切能力較弱，易受波浪擾動。同時自升式平臺船在粉砂質(zhì)海域施工，樁腿插入海底后，改變了此區(qū)域原來的水動力條件，在樁腿前方形成二次流并在其周圍形成漩渦[2]，使樁腿周圍流速加快，形成了“波浪掀沙、水流輸沙”的泥沙沖刷運動格局。

沖刷深度隨時間的變化過程可分為3個階段，即初始段、發(fā)展段和平衡段。

1）沖刷初始階段：該階段雖然漩渦的尺寸和規(guī)模較小，但對樁腿前緣床面的沖刷作用卻很強，沖深急速增大，導(dǎo)致沖深隨時間迅速直線增加。

2）沖刷發(fā)展階段：沖深隨時間逐漸增大，沖深變化率逐漸減小。

3）沖刷平衡階段：該階段沖刷坑深度增加緩慢，沖刷逐漸穩(wěn)定，最后趨向沖深不再加大，達到最大平衡沖刷深度。

當(dāng)沖刷達到平衡狀態(tài)，其最大沖刷深度可通過下式計算求得[3]：z=0.001 3P0.406h

綜合因素系數(shù)P：

式中：NFW為弗勞德數(shù)，為波陡；Ns為泥沙顆粒系數(shù)，Ns=為圓柱雷諾數(shù)，NRP=UbD/v；ρs、ρ分別為海底土和海水的重度；g為重力加速度；d50為海底表層土的中值粒徑；v為運動黏性系數(shù)；Ub為海底水流流速；D為海底以上水中樁靴直徑；h、Hw、L分別為水深、波高、波長。

粉砂層較強的承載能力，使自升式平臺船樁腿入泥較淺，樁靴周圍泥沙覆蓋層較薄甚至沒有覆蓋層，滿足不了單個機位施工周期（5 d左右）的泥沙沖刷裕量，有可能因某個樁靴局部掏空，使承載力降低，產(chǎn)生下陷、樁腿失穩(wěn)或傾斜，從而導(dǎo)致整個船體有傾覆的風(fēng)險。2010年9月7日勝利作業(yè)三號平臺在埕島油田作業(yè)期間，因沖刷導(dǎo)致發(fā)生平臺失穩(wěn)、傾斜事故，36人遇險，其中2人溺水死亡，直接經(jīng)濟損失592萬元[4]。

2 沖刷影響因素與防治措施

2.1 沖刷影響因素

根據(jù)自升式平臺船在粉砂質(zhì)地質(zhì)海域施工沖刷的機理、沖刷深度的計算公式以及自升式平臺船的施工特點，分析得到影響沖刷的主要因素[5]：1）樁靴直徑：與最大沖刷深度近似成正比。2）泥沙：泥沙粒徑增大時，要達到最大沖刷深度的流速也必須增大。

3）水深：水深不大，海床上泥沙受波浪影響顯著時，水越深沖刷坑深度越大；當(dāng)水深很大，水深與樁靴直徑比值大于1時，水深影響可忽略不計。

4）沖刷時間：在沖刷的初始階段和發(fā)展階段，沖刷時間越長，沖刷深度越大。

5）波高、波長：波高與波長是造成泥沙運動的主要動力，波高越高，波長越長，沖刷越嚴重。

6）流速：在水流流速超過泥沙起動流速后，流速越大，沖刷越嚴重。

7）樁靴入泥深度：樁靴入泥深度越大，泥沙沖刷富裕量越大，沖刷對自升式平臺船的施工安全影響越小。

2.2 沖刷防治措施

沖刷將影響到風(fēng)機安裝施工過程中的船機穩(wěn)性及人員安全，通過對沖刷影響因素分析，從流速、泥沙、樁靴入泥深度、施工工藝及船舶等方面進行考慮[5-6]，確定預(yù)防與控制沖刷的有效措施，如表1所示。

表1 沖刷預(yù)防與控制措施Table 1 The measures of scour prevention and control

3 工程實例應(yīng)用

3.1 工程概況

圖1 “三航風(fēng)華”號自升式平臺船F(xiàn)ig.1Jack-up platform"SAN HANG FENG HUA"

華能如東300 MW海上風(fēng)電場工程位于江蘇如東縣八仙角海域，場區(qū)中心離岸距離約25 km。擬采用“三航風(fēng)華”號自升式平臺船安裝14臺上海電氣4.0 MW和20臺重慶海裝5.0 MW風(fēng)電機組。“三航風(fēng)華”號是國內(nèi)首條第三代自升式風(fēng)電施工船，其抬升系統(tǒng)裝備4根單個抬升能力3 500 t、支撐能力7 000 t的樁腿[7]，“三航風(fēng)華”號自升式平臺船見圖1。

對風(fēng)場海域水文、工程地質(zhì)等資料進行分析[8]，該風(fēng)場具備以下特點：

1）水深小。風(fēng)場部分機位水深較淺，典型機位38號實測泥面高程-5.6 m。

2）水流流速快。風(fēng)場屬于正規(guī)半日潮流性質(zhì)，漲潮流速較大，大潮時可達1.1 m/s平均流速，最大流速為1.6 m/s，而且潮流運動形式以東西向往復(fù)流為主。

3）地質(zhì)為粉土、粉砂質(zhì)，承載力較高，樁腿入泥深度普遍較淺，在典型機位38號機位“三航風(fēng)華”號4條樁腿插深平均在0.4 m。沉積物以粉砂為主，中值粒徑φ4～5 mm，占95%以上；分選系數(shù)σ值在0.8～1.3之間，分選較好。

根據(jù)勘測數(shù)據(jù)，利用最大沖刷深度理論計算公式，得到“三航風(fēng)華”號在典型機位38號的最大沖刷深度可達2.09 m，遠大于樁腿入泥深度0.4 m，將嚴重影響“三航風(fēng)華”號在該海域施工的作業(yè)安全。

3.2 防沖刷措施應(yīng)用

根據(jù)自升式平臺船在華能如東300 MW海上風(fēng)電場的施工特點，綜合考慮可行性、經(jīng)濟性，確定“三航風(fēng)華”號在38號機位典型施工的樁腿防沖刷方案。

1）水下探摸

考慮漲潮流沖刷嚴重，在自升式平臺船進點后，在高平潮期間，潛水員通過甲板駁潛水對每個樁腿進行探摸，并繪制樁腿泥沙沖刷情況示意圖以確定每個時段的沖刷情況。根據(jù)圖2“三航風(fēng)華”號位于38號機位時1號樁腿沖刷探摸情況示意圖，“風(fēng)華號”在該機位進點后2 d的最大泥沙沖刷深度達到1.5 m。

2）平臺傾斜度監(jiān)控

在平臺傾斜監(jiān)控軟件上將報警系統(tǒng)的傾斜角度閥值由0.5°降至0.3°，使得平臺在傾斜較小角度就發(fā)出警報，預(yù)留出更多安全余量，及時對船舶狀態(tài)進行調(diào)整。“三航風(fēng)華”號在38號機位施工期間平臺平均傾斜度為0.08°，最大傾斜角度不超過 0.2°。

3）樁腿壓力監(jiān)控

施工期間，安排專人監(jiān)控并記錄自升式平臺船4個樁腿的壓力變化情況，確保樁腿壓力在合理的變化區(qū)間。以“風(fēng)華號”在38號機位施工樁腿監(jiān)控為例，樁腿壓力記錄曲線分別如圖3和圖4所示。

圖2 “三航風(fēng)華”號位于38號機位時1號樁腿沖刷探摸情況示意圖（mm）Fig.2 The situation of the scour explored in No.38 wind turbine of No.1 pile leg of"SAN HANG FENG HUA"(mm)

圖3 樁腿壓力同一時間段變化記錄Fig.3 The record of the pressure change of the pile leg in same time

圖4 1號樁腿壓力變化記錄Fig.4 The record of the pressure change in No.1 pile leg

4）樁腿壓力調(diào)整

“三航風(fēng)華”號進點插腿壓載后，4個樁腿的壓力值分配基本相近。間隔一個漲落潮時間即6 h動腿壓樁，對角壓樁至預(yù)定的目標(biāo)值后保壓觀察1 h，抬升力穩(wěn)定后開始起重作業(yè)。其中一個漲落潮時間段內(nèi)樁腿受力變化小于200 t或者平臺整體抬升力變化不大于500 t可不需壓樁，隨時觀察抬升值變化到下一個潮水。同時根據(jù)平臺傾斜度及實際水下探摸情況，不定期調(diào)整樁腿壓力，減少沖刷可能帶來的承載力下降情況。如圖4所示，11月 12日 16：00—17：00 1號樁腿壓力下降了近400 t，18：00—18：30 通過主動壓樁，將樁腿壓力提升至3 000 t左右。

5）縮短沖刷時間

不斷優(yōu)化海上風(fēng)機分體安裝的施工工藝，如底塔筒內(nèi)電氣拼裝在陸上基地進行、底塔筒豎直運輸，減少海上的作業(yè)工序與時間；保障海上作業(yè)物資設(shè)備供應(yīng)，加強施工機具的維護保養(yǎng)與備份，不浪費各工序耗時；作業(yè)班組兩班輪替，連續(xù)施工。

在華能如東300 MW海上風(fēng)電場，“三航風(fēng)華”號單臺風(fēng)機安裝平均進點駐位時間由5個日歷天縮短至4個日歷天，降低了單個機位上沖刷對自升式平臺船的影響時間。

3.3 成效分析

通過在典型機位38號機位進行的防沖刷方案的實施，成效總結(jié)如下：

1）通過潛水員水下探摸最直接可信的樁腿沖刷數(shù)據(jù)，保障了整體工程施工前期的自升式平臺船施工安全，為后期常態(tài)化施工提供了借鑒。

2）采取平臺傾斜度、樁腿壓力監(jiān)控及不定期調(diào)整樁腿壓力措施，形成記錄制度，通過樁腿壓力值的縱橫向比較，確定樁腿壓力維持在一個常規(guī)的穩(wěn)定范圍內(nèi)，認為是滿足施工安全要求的。同時不定期調(diào)整樁腿，密實樁靴下表面地基土，保證地基承載力，進一步提高船舶安全保障。在本工程同一淺水區(qū)域后續(xù)5個機位施工過程中，該措施得到了常態(tài)化應(yīng)用，未發(fā)生樁腿壓力值變化異常及平臺傾斜角報警情況，保證了施工安全。

3）提高施工工效，連續(xù)施工，縮短自升式平臺船在單個機位的撐腿駐船時間，降低沖刷對自升式平臺船施工的影響時間，為“三航風(fēng)華”號在該海域常態(tài)化施工提供技術(shù)和安全保障。

4 結(jié)論與展望

自升式平臺船施工具有沖刷歷時周期短，移位頻率高的特點，不宜采用永久海工結(jié)構(gòu)物的沖刷防護措施。因地制宜地從船機自身操作及施工工藝進行考慮，采取的各項措施安全經(jīng)濟、可操作性強，確保了自升式平臺船安全，保障了施工的順利進行。

通過在粉砂質(zhì)海域的施工實踐，為了進一步提高平臺船作業(yè)安全與工效，可利用平臺船塢修的機會，繼續(xù)改進優(yōu)化防沖刷措施。如對沖樁系統(tǒng)進行優(yōu)化，增加出水口壓力，在樁靴入泥時向下沖水，增大入泥深度；裝備可視化的水下測深系統(tǒng)，可不間斷、實時觀測樁靴沖刷情況；樁腿周圍安裝可收放式水平裙板，保護海床防止沖刷等措施。

自升式平臺船在粉砂質(zhì)地質(zhì)海域施工防沖刷措施的研究，進一步拓展了“三航風(fēng)華”號的施工海域適應(yīng)能力，也能夠為后續(xù)自升式風(fēng)電安裝船的研制建造提供優(yōu)化船機設(shè)計依據(jù)。