丁健，謝錦波，王菁，李俊來

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

在波浪與潮流共同作用下，海洋環(huán)境中的建筑物基礎(chǔ)周圍易產(chǎn)生沖刷現(xiàn)象，影響基礎(chǔ)的承載性能，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致失穩(wěn)、坍塌破壞[1]。早期針對海上基礎(chǔ)沖刷的研究多來自于橋梁領(lǐng)域。國外多位學(xué)者[2-4]通過波流水槽試驗(yàn)的手段，研究了局部沖刷深度與其相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。Chiew[5-6]按防護(hù)機(jī)理把橋墩局部沖刷防護(hù)工程措施分為兩類，一類是從被沖刷物質(zhì)著手，著眼于提高河床材料的抗沖刷性能，另一類從水流著手，減小沖刷的原動力；并基于試驗(yàn)研究總結(jié)了清水沖刷條件下拋石防護(hù)的破壞機(jī)理。

隨著我國海上風(fēng)電建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，大量進(jìn)入投運(yùn)階段的海上風(fēng)電場面臨著風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的沖刷問題[7]，海上風(fēng)電樁基防沖刷技術(shù)的研究日益受到關(guān)注。祁一鳴等[8]通過物模試驗(yàn)研究了如東洋口海域海上風(fēng)電場基礎(chǔ)在波浪、潮流等作用下的局部沖刷特性，并提出了拋石防護(hù)方案。畢明君等[9]針對砂質(zhì)海床單樁基礎(chǔ)沖刷機(jī)理以及砂被防護(hù)的效果開展試驗(yàn)研究。和慶冬等[10]總結(jié)了目前實(shí)際工程中常用的各類防護(hù)措施的特點(diǎn)，并介紹了異位淤泥固化土在風(fēng)電基礎(chǔ)防沖刷中的應(yīng)用。異位固化技術(shù)利用淤泥固化土早期的流動性，使固化土填充基礎(chǔ)周邊已形成的沖刷坑，強(qiáng)度隨齡期提高后起到防護(hù)作用，取得了較好的效果[11]。對于未產(chǎn)生沖刷坑的基礎(chǔ)周邊，或者基礎(chǔ)未施工的海床，由于異位固化土難以匯集并形成一定厚度，其應(yīng)用存在一定限制。

原位淤泥固化是一種使用強(qiáng)力攪拌頭等施工設(shè)備，將固化材料與軟土在原位進(jìn)行強(qiáng)制拌和，使之形成強(qiáng)度更高的混合土體的新技術(shù)。該技術(shù)具有拌和均勻性好、固化后強(qiáng)度高、施工工序簡單、工效高等特點(diǎn)，近年來逐漸應(yīng)用于吹填軟土、河塘淤泥、灘涂土的加固處理并取得了良好的效果[12-14]。此外，深層水泥攪拌等原位地基加固技術(shù)在海洋環(huán)境下的應(yīng)用日漸成熟[15-16]。相對于拋石、砂被、異位固化等其他基礎(chǔ)防沖刷措施，原位淤泥固化防沖刷技術(shù)在一定環(huán)境條件下具有優(yōu)勢，尤其適用于先沖刷防護(hù)、后基礎(chǔ)施工的情況。

本文依托浙能嘉興1號海上風(fēng)電場項(xiàng)目，將原位淤泥固化技術(shù)引入到海上風(fēng)電樁基防沖刷領(lǐng)域，提出了用于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防沖刷的原位淤泥固化防護(hù)方案與施工工藝，進(jìn)行了室內(nèi)配比試驗(yàn)及原位固化現(xiàn)場試驗(yàn)，并開展了現(xiàn)場取樣與防沖刷效果的檢測。

1 防沖刷方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

浙能嘉興1號海上風(fēng)電場位于杭州灣平湖海域，東西寬約4.3 km，南北長約14 km，總面積約48 km2。風(fēng)場中心點(diǎn)離岸約20 km，布置72臺4.0 MW風(fēng)電機(jī)組，其中37臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，直徑6.0～6.8 m。

試驗(yàn)海域在施工期間水深8～12 m，場區(qū)內(nèi)海底地形變化較小。為濱海相沉積地貌單元，表層分布流塑狀的淤泥質(zhì)土，層厚超過20 m。工程所在海域夏季垂向平均最大流速1.49～2.27 m/s，冬季垂向平均最大流速1.58～2.34 m/s。全年有效波高（Hs）均值為0.51 m，最大值為1.84 m；最大波高（Hm）均值為0.81 m，最大值為3.09 m。平均周期（Ta）平均值為2.8 s。

1.2 防沖刷結(jié)構(gòu)形式

本次試驗(yàn)單樁基礎(chǔ)防沖刷采用原位淤泥固化方法。根據(jù)試驗(yàn)海域的水文地質(zhì)條件，結(jié)合以往海上風(fēng)電基礎(chǔ)防沖刷案例的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，防護(hù)范圍為單樁周邊14 m的環(huán)形區(qū)域，固化土設(shè)計(jì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu>400 kPa[10]。原位固化形成的固化樁呈方形，有效截面尺寸為1.6 m×2 m，樁位布置采用內(nèi)側(cè)長樁+過渡樁+外側(cè)短樁結(jié)構(gòu)形式，樁長由內(nèi)側(cè)至外側(cè)長度分別為5 m+2.5 m+1.6 m。樁位之間相互嵌固10 cm，單樁固化土方量約1500 m3。

原位固化防沖刷樁位平面和立面布置見圖1。

圖1 原位固化防沖刷布置示意圖Fig.1 Layout diagram of in-situ solidification for foundation scour protection

1.3 配合比設(shè)計(jì)

施工現(xiàn)場采用先施工主格并回填，后施工副格的工序。由于鋼板樁進(jìn)入較硬的沖積土層的深度很大，主格施工完成并內(nèi)部回填后存在一定的變形。實(shí)際施工中，副格不僅打入沖擊土層難度較大，而且要順應(yīng)主格已有變形，保持鎖口完整更具有一定難度，強(qiáng)行振動下沉甚至有鎖扣撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。在此背景下，需要對副格入土深度小于主格的格型鋼板樁海墻穩(wěn)定性、變形及受力情況進(jìn)行評估。

場地分布的表層淤泥層厚4.3～10.2 m，為新近沉積土，灰黃色，流塑，含少量有機(jī)質(zhì)，其主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 淤泥土主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physical and mechanical parameters of sludge

施工前，現(xiàn)場取不同深度、含水率的土樣進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)。固化劑主要由水泥、活性材料、激發(fā)劑、鈍化材料按一定配比組成，選用8%、10%、12%三個不同摻量。根據(jù)試樣檢測結(jié)果，正式施工時選取12%固化劑摻量，其加固不同含水率的各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2所示，其中14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度即可全部滿足大于400 kPa的要求。

圖2 12%摻量淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.2 Unconfined compressive strength of solidified soil with 12% curing agent

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 施工工藝

現(xiàn)場試驗(yàn)采用水上原位固化專用施工船舶，主要包括GPS定位系統(tǒng)、固化劑供料系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)噴漿攪拌系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)。施工前，確定施工區(qū)范圍，預(yù)留風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)位置；施工時，固化劑漿液通過高壓輸送系統(tǒng)輸送至攪拌系統(tǒng)，再通過高壓旋轉(zhuǎn)噴漿與強(qiáng)制式攪拌雙重作用，確保固化劑與淤泥質(zhì)土充分混合，形成整體護(hù)底結(jié)構(gòu)。主要施工工藝流程見圖3。

圖3 原位淤泥固化工藝流程圖Fig.3 Construction process flow chart of in-situ solidification

2.2 施工過程

根據(jù)基礎(chǔ)施工與原位固化的先后順序不同，本次現(xiàn)場試驗(yàn)采用了2種實(shí)施方案。

方案一：提前對基礎(chǔ)周邊進(jìn)行原位淤泥固化的防沖刷處理，后進(jìn)行基礎(chǔ)施工，即“先固化后沉樁”。處理機(jī)位的單樁直徑6.8 m，淤泥原位固化施工時固化區(qū)域中心位置預(yù)留4 m的不處理范圍，作為基礎(chǔ)施工的預(yù)留樁位。

方案二：基礎(chǔ)沉樁完成后再對樁周地基土進(jìn)行原位固化處理，即“先沉樁后固化”。隨著沉樁完成后的時間增長，原位固化施工時樁周圍會有不同程度的沖刷。施工前需對固化區(qū)域提前掃測，利用固化船上的固化設(shè)備，在平潮時對沖刷坑找平處理。在原位淤泥固化施工時，由樁周外側(cè)向里側(cè)順序進(jìn)行施工，即可利用攪拌時的擠土效應(yīng)對沖刷坑進(jìn)一步填平。鋼樁及與固化樁間的間隙通過增加注漿壓力進(jìn)行填充加固處理。施工作業(yè)示意圖見圖4。

圖4 單樁基礎(chǔ)原位固化防沖刷施工示意圖Fig.4 Diagram of in-situ solidification construction for scour protection of monopile foundation

在施工過程中，需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)加固深度攪拌下鉆，在提升鉆頭時邊噴漿、邊攪拌，嚴(yán)格控制提升速度和噴漿流量，保證固化劑漿液與土體充分拌和。為確保固化劑摻量滿足設(shè)計(jì)要求，可適當(dāng)增加復(fù)攪復(fù)噴次數(shù)。在船舶移位及攪拌頭定位時，需考慮樁周水流帶來的影響。

3 實(shí)施效果

3.1 固化土取樣檢測

原位淤泥固化施工完成后，分別于14 d、28 d在固化區(qū)域的不同部位、不同深度采取原狀芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 原位固化土樣強(qiáng)度檢測結(jié)果Table 2 Result of unconfined compressive strength of in-situ solidification sampling MPa

各取樣位置的芯樣14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足大于0.4 MPa的設(shè)計(jì)要求，且在28 d時強(qiáng)度還有明顯的提升。

3.2 掃海檢測

樁基施工完成后、原位淤泥固化施工前后均采用水下多波束對樁周海床面進(jìn)行掃海檢測，并在施工完成后一定時間持續(xù)進(jìn)行掃海以檢測防沖刷效果。結(jié)合掃測結(jié)果分析，由于原位固化施工對原狀土的擾動以及固化土強(qiáng)度的形成需要一定的齡期，在原位固化施工后1個月內(nèi)，固化平面范圍的海床面普遍發(fā)生0.1～0.5 m厚度的沖刷。從1個月后至固化施工1 a內(nèi)，掃測結(jié)果基本一致，說明固化土強(qiáng)度形成后的防沖刷效果良好。

4 結(jié)語

本文依托杭州灣海域浙能嘉興1號海上風(fēng)電場項(xiàng)目，通過理論分析、工藝研究、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，將原位淤泥固化技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)電樁基防沖刷領(lǐng)域，得到主要結(jié)論如下：

1）提出了用于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防沖刷的原位淤泥固化防護(hù)方案，并通過室內(nèi)配合比試驗(yàn)確定了固化劑摻量。

2）研發(fā)了水上原位固化專用施工船用于單樁基礎(chǔ)防沖刷的施工工藝，分別采用“先固化后沉樁”、“先沉樁后固化”2種方案完成了原位淤泥固化防沖刷的現(xiàn)場試驗(yàn)。

3）通過現(xiàn)場固化土樣的強(qiáng)度檢測，以及樁周范圍防沖刷效果掃測，表明原位淤泥固化用于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防沖刷的實(shí)施效果良好，本文的研究可為類似工程提供參考。