自升式平台船在粉砂质地质海域防冲刷措施

张成芹，王俊杰，包彩虹

（1.中交第三航务工程局有限公司，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

海上风电场风机安装施工中，利用自升式平台船进行分体式安装风机是常用的施工工艺。其通过抬升系统将桩腿插入海底，并将船体升离水面，以消除海浪影响，从而为安装施工提供平稳的工作平台[1]，达到吊装过程中最大限度保护风机部件的目的。相较于整体安装方法，利用自升式平台船进行分体安装的工艺可以减小风浪对安装过程的影响，海域适应性更强，安装效率更高。

江苏中部沿海海域海底表层土质为中密实的粉砂质细砂和砂质粉砂，俗称“铁板砂”，自升式平台船在该海域施工中，由于冲刷引发桩靴掏空现象，导致承载力下降或平台失稳风险。本文针对自升式平台船在粉砂质地质海域施工中预防与控制冲刷的措施进行探讨，保证自升式平台船施工安全，发挥其施工能力。

1 冲刷机理及危害

外海波浪自深海进入浅水时，随着水深变浅，底摩擦作用增强，波浪开始明显作用于海底部泥沙。而粉砂质海域海底土表层为粉砂层，颗粒间黏结力较小，抗剪切能力较弱，易受波浪扰动。同时自升式平台船在粉砂质海域施工，桩腿插入海底后，改变了此区域原来的水动力条件，在桩腿前方形成二次流并在其周围形成漩涡[2]，使桩腿周围流速加快，形成了“波浪掀沙、水流输沙”的泥沙冲刷运动格局。

冲刷深度随时间的变化过程可分为3个阶段，即初始段、发展段和平衡段。

1）冲刷初始阶段：该阶段虽然漩涡的尺寸和规模较小，但对桩腿前缘床面的冲刷作用却很强，冲深急速增大，导致冲深随时间迅速直线增加。

2）冲刷发展阶段：冲深随时间逐渐增大，冲深变化率逐渐减小。

3）冲刷平衡阶段：该阶段冲刷坑深度增加缓慢，冲刷逐渐稳定，最后趋向冲深不再加大，达到最大平衡冲刷深度。

当冲刷达到平衡状态，其最大冲刷深度可通过下式计算求得[3]：z=0.001 3P0.406h

综合因素系数P：

式中：NFW为弗劳德数，为波陡；Ns为泥沙颗粒系数，Ns=为圆柱雷诺数，NRP=UbD/v；ρs、ρ分别为海底土和海水的重度；g为重力加速度；d50为海底表层土的中值粒径；v为运动黏性系数；Ub为海底水流流速；D为海底以上水中桩靴直径；h、Hw、L分别为水深、波高、波长。

粉砂层较强的承载能力，使自升式平台船桩腿入泥较浅，桩靴周围泥沙覆盖层较薄甚至没有覆盖层，满足不了单个机位施工周期（5 d左右）的泥沙冲刷裕量，有可能因某个桩靴局部掏空，使承载力降低，产生下陷、桩腿失稳或倾斜，从而导致整个船体有倾覆的风险。2010年9月7日胜利作业三号平台在埕岛油田作业期间，因冲刷导致发生平台失稳、倾斜事故，36人遇险，其中2人溺水死亡，直接经济损失592万元[4]。

2 冲刷影响因素与防治措施

2.1 冲刷影响因素

根据自升式平台船在粉砂质地质海域施工冲刷的机理、冲刷深度的计算公式以及自升式平台船的施工特点，分析得到影响冲刷的主要因素[5]：1）桩靴直径：与最大冲刷深度近似成正比。2）泥沙：泥沙粒径增大时，要达到最大冲刷深度的流速也必须增大。

3）水深：水深不大，海床上泥沙受波浪影响显著时，水越深冲刷坑深度越大；当水深很大，水深与桩靴直径比值大于1时，水深影响可忽略不计。

4）冲刷时间：在冲刷的初始阶段和发展阶段，冲刷时间越长，冲刷深度越大。

5）波高、波长：波高与波长是造成泥沙运动的主要动力，波高越高，波长越长，冲刷越严重。

6）流速：在水流流速超过泥沙起动流速后，流速越大，冲刷越严重。

7）桩靴入泥深度：桩靴入泥深度越大，泥沙冲刷富裕量越大，冲刷对自升式平台船的施工安全影响越小。

2.2 冲刷防治措施

冲刷将影响到风机安装施工过程中的船机稳性及人员安全，通过对冲刷影响因素分析，从流速、泥沙、桩靴入泥深度、施工工艺及船舶等方面进行考虑[5-6]，确定预防与控制冲刷的有效措施，如表1所示。

表1 冲刷预防与控制措施Table 1 The measures of scour prevention and control

3 工程实例应用

3.1 工程概况

图1 “三航风华”号自升式平台船Fig.1Jack-up platform"SAN HANG FENG HUA"

华能如东300 MW海上风电场工程位于江苏如东县八仙角海域，场区中心离岸距离约25 km。拟采用“三航风华”号自升式平台船安装14台上海电气4.0 MW和20台重庆海装5.0 MW风电机组。“三航风华”号是国内首条第三代自升式风电施工船，其抬升系统装备4根单个抬升能力3 500 t、支撑能力7 000 t的桩腿[7]，“三航风华”号自升式平台船见图1。

对风场海域水文、工程地质等资料进行分析[8]，该风场具备以下特点：

1）水深小。风场部分机位水深较浅，典型机位38号实测泥面高程-5.6 m。

2）水流流速快。风场属于正规半日潮流性质，涨潮流速较大，大潮时可达1.1 m/s平均流速，最大流速为1.6 m/s，而且潮流运动形式以东西向往复流为主。

3）地质为粉土、粉砂质，承载力较高，桩腿入泥深度普遍较浅，在典型机位38号机位“三航风华”号4条桩腿插深平均在0.4 m。沉积物以粉砂为主，中值粒径φ4～5 mm，占95%以上；分选系数σ值在0.8～1.3之间，分选较好。

根据勘测数据，利用最大冲刷深度理论计算公式，得到“三航风华”号在典型机位38号的最大冲刷深度可达2.09 m，远大于桩腿入泥深度0.4 m，将严重影响“三航风华”号在该海域施工的作业安全。

3.2 防冲刷措施应用

根据自升式平台船在华能如东300 MW海上风电场的施工特点，综合考虑可行性、经济性，确定“三航风华”号在38号机位典型施工的桩腿防冲刷方案。

1）水下探摸

考虑涨潮流冲刷严重，在自升式平台船进点后，在高平潮期间，潜水员通过甲板驳潜水对每个桩腿进行探摸，并绘制桩腿泥沙冲刷情况示意图以确定每个时段的冲刷情况。根据图2“三航风华”号位于38号机位时1号桩腿冲刷探摸情况示意图，“风华号”在该机位进点后2 d的最大泥沙冲刷深度达到1.5 m。

2）平台倾斜度监控

在平台倾斜监控软件上将报警系统的倾斜角度阀值由0.5°降至0.3°，使得平台在倾斜较小角度就发出警报，预留出更多安全余量，及时对船舶状态进行调整。“三航风华”号在38号机位施工期间平台平均倾斜度为0.08°，最大倾斜角度不超过 0.2°。

3）桩腿压力监控

施工期间，安排专人监控并记录自升式平台船4个桩腿的压力变化情况，确保桩腿压力在合理的变化区间。以“风华号”在38号机位施工桩腿监控为例，桩腿压力记录曲线分别如图3和图4所示。

图2 “三航风华”号位于38号机位时1号桩腿冲刷探摸情况示意图（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)

图3 桩腿压力同一时间段变化记录Fig.3 The record of the pressure change of the pile leg in same time

图4 1号桩腿压力变化记录Fig.4 The record of the pressure change in No.1 pile leg

4）桩腿压力调整

“三航风华”号进点插腿压载后，4个桩腿的压力值分配基本相近。间隔一个涨落潮时间即6 h动腿压桩，对角压桩至预定的目标值后保压观察1 h，抬升力稳定后开始起重作业。其中一个涨落潮时间段内桩腿受力变化小于200 t或者平台整体抬升力变化不大于500 t可不需压桩，随时观察抬升值变化到下一个潮水。同时根据平台倾斜度及实际水下探摸情况，不定期调整桩腿压力，减少冲刷可能带来的承载力下降情况。如图4所示，11月 12日 16：00—17：00 1号桩腿压力下降了近400 t，18：00—18：30 通过主动压桩，将桩腿压力提升至3 000 t左右。

5）缩短冲刷时间

不断优化海上风机分体安装的施工工艺，如底塔筒内电气拼装在陆上基地进行、底塔筒竖直运输，减少海上的作业工序与时间；保障海上作业物资设备供应，加强施工机具的维护保养与备份，不浪费各工序耗时；作业班组两班轮替，连续施工。

在华能如东300 MW海上风电场，“三航风华”号单台风机安装平均进点驻位时间由5个日历天缩短至4个日历天，降低了单个机位上冲刷对自升式平台船的影响时间。

3.3 成效分析

通过在典型机位38号机位进行的防冲刷方案的实施，成效总结如下：

1）通过潜水员水下探摸最直接可信的桩腿冲刷数据，保障了整体工程施工前期的自升式平台船施工安全，为后期常态化施工提供了借鉴。

2）采取平台倾斜度、桩腿压力监控及不定期调整桩腿压力措施，形成记录制度，通过桩腿压力值的纵横向比较，确定桩腿压力维持在一个常规的稳定范围内，认为是满足施工安全要求的。同时不定期调整桩腿，密实桩靴下表面地基土，保证地基承载力，进一步提高船舶安全保障。在本工程同一浅水区域后续5个机位施工过程中，该措施得到了常态化应用，未发生桩腿压力值变化异常及平台倾斜角报警情况，保证了施工安全。

3）提高施工工效，连续施工，缩短自升式平台船在单个机位的撑腿驻船时间，降低冲刷对自升式平台船施工的影响时间，为“三航风华”号在该海域常态化施工提供技术和安全保障。

4 结论与展望

自升式平台船施工具有冲刷历时周期短，移位频率高的特点，不宜采用永久海工结构物的冲刷防护措施。因地制宜地从船机自身操作及施工工艺进行考虑，采取的各项措施安全经济、可操作性强，确保了自升式平台船安全，保障了施工的顺利进行。

通过在粉砂质海域的施工实践，为了进一步提高平台船作业安全与工效，可利用平台船坞修的机会，继续改进优化防冲刷措施。如对冲桩系统进行优化，增加出水口压力，在桩靴入泥时向下冲水，增大入泥深度；装备可视化的水下测深系统，可不间断、实时观测桩靴冲刷情况；桩腿周围安装可收放式水平裙板，保护海床防止冲刷等措施。

自升式平台船在粉砂质地质海域施工防冲刷措施的研究，进一步拓展了“三航风华”号的施工海域适应能力，也能够为后续自升式风电安装船的研制建造提供优化船机设计依据。