浅谈坐底式导向架防淤积施工技术

中图分类号：U671.99

0 引言

三峡阳江青洲海上风电场项目场址位于阳江市阳西县沙扒镇附近海域，中心点离岸距离为：70km，水深范围约 45m～53m ，风场总面积为 142km² ，规划装机容量为 1000MW。

在波浪和水流的共同作用下，海上风电桩基会导致桩基附近水流质点的流线产生变化，桩基影响了一定范围内的水流状态。在桩基朝向来流的一侧形成马蹄涡，桩基的背水侧出现尾涡并可能伴随着涡流发散，水流流态紊乱，波浪的反射和散射，波浪破碎以及泥面处土颗粒受到流态改变而产生的上、下压力不平衡，进而出现的砂土液化现象；使得结构物附近局部范围内土颗粒被水搬运走，从而使得海床土体有可能产生冲刷。

1 导向架于海上风电桩基施工过程运用

自然条件及分析

1.1.1 气象条件

根据阳江国家气象站近 60 年的历史气象资料统计，年平均气温为 22.5^∘C ；年平均雨量为 2310.7mm ；年平均风速 3.0m/s ；历史极大阵风（3s）风速为 52.5m/s ，最大 10min 平均风速为 34.6m/s ，均出现在 2008 年 9 月 24 日，为 0814 号台风“ 黑格比” （强台风级）登陆茂名市电白县的时刻，期间大风暴雨，灾情严重。阳江盛行风向以东北至东南风为主；年平均雾日13.8d；年平均雷暴日81.1d；年平均相对湿度 80‰

（1）气温

阳江年平均气温 22.5^∘C ，最热月7 月的平均气温为 28.2^∘C ，最冷月1 月的平均气温为 14.9^∘C ，气温年较差为 13.3^∘C ；极端最高气温 38.3^∘C（2005 年 7 月 19日）；极端最低气温- ⋅1.4^∘C（1955 年 1 月 12 日）。

（2）气压

阳江年平均气压 1002.0hPa ，各月平均气压在 994.6～1009.2hPa 之间，8 月最低，12 月最高；极端最低气压为 959.4hPa（2013 年 8 月 $1 4 ＼boxed ＼boxed { ＼begin{array} { r l } ＼end{array} }$ ，由登陆阳江市阳西县溪头镇沿海地区的1311 号台风“ 尤特” （超强台风级）影响造成。

（3）降水

受海洋暖湿气流影响，阳江气象站记录的多年平均相对湿度是 80% ，每月相对湿度在 69%～87% 之间，季节变化不明显，属于全年都比较湿润的气候。

阳江多年平均雨量为 2310.7mm ，雨水充沛，但干湿季仍然明显。年内降雨主要集中在汛期（4＼～9 月），占全年雨量的 85.2‰ 。雨量最少的年份为1977 年，降雨量为 1197.1mm ；雨量最多的年份为2001 年，降雨量为 3611.3mm

（4）风

阳江气象站多年平均风速为 3.0m/s 。阳江气象站记录的历史最大风速（10min）为 34.6m/s ，极大风速（3s）为 52.5m/s ，均为 2008 年 9 月 24 日于茂名电白登陆的0814 号台风“ 黑格比” （强台风级）影响的结果。

根据阳江气象站历史测风资料统计，该区域年盛行风向以东北至东南风为主。秋冬季主导风向为东北风，春季主导风向为东南风，夏季主导风向为偏南风。

2 导向架清淤前后对比

2.1 载荷数据

海底数据中心的防沉板基础是重力式基础，外部荷载与地基阻力的关系决定了基础的稳定性。对防沉板的贯入检查来说，外部载荷来源于海底数据中心结构基础质量的水下质量，包括所有附属物。对基础的承载力、抗滑性、抗倾覆性和抗扭性的能力检查来说，外部载荷为极端工况下海底数据中心的水平载荷。该项目防沉板的最大水平载荷为887kN，最大垂直载荷约为 3000kN_o

2.2 海底数据中心基础设计

海底数据中心布放海域水深较浅，需要水下落底布放，且有快速部署的需求，同时对布放水平度和稳定性要求较高。海底数据中心需要具有可运维性，且在服务器服役期满可出水更换，因此需要对海底基础和数据舱进行分离设计，且可在水下组合安装，选择水平度较好，安装简单，可直接布放的永久性基础结构防沉板基础可以满足以上设计。

青洲项目的海底属于软黏土中的淤泥地质，几乎无法获取 0.5m 以内的土体强度，因此勘测建议表层土体强度取0，这个地质条件不属于通常认为的浅基础的适用地质。因为吸力桩能够在水平和垂直方向上提供合成载荷的能力，所以认为是适用于松软地质的基础，但其对安装要求较高。在较软的地质下，防沉板设计如果过大会影响安装，因此需要缩小尺寸，并通过增加裙摆来提高稳定性。因此当设计防沉板时，要根据海底数据中心对安装船舶的要求和数据舱模块的质量和尺寸来设置防沉板基础质量和尺寸的上限，设定上限：空气中质量为500t，面积上限为 400m² ，通过稳定性分析来确定裙摆高度，并合理设计质量和尺寸。

2.3 水平和垂直载荷的稳定性设计在不排水条件下，基础能够支撑的最大垂直载荷的计算过程。

Q=F^× [Suo× Nc + （ k^× B/4）] Kc^× A （1）

式中：F 为 kB/Suo 的函数给出的校正系数；k 为不排水抗剪强度随深度增加的速率；Suo 为土壤的不排水抗剪强度；Nc 为无量纲常数，取 5.14；B 为最小有效侧向基础尺寸；A 为基础的有效面积，数值取决于荷载的偏心率；Kc 为校正系数。

当防沉板基础及其上部模块的水下质量满足防沉板基础承载极限的安全系数时，就认为承载力设计是满足要求的。根据规定，土壤极限承载力的安全系数为 2.0

在浅水和土体强度较差的环境不选用防沉板作为浅基础的重要原因是其容易受到水平载荷的影响发生平移或滑动。因此在承载力设计满足要求的情况下，最重要的是要进行滑动阻力检查，检查阻力是否能承受最大水平载荷。通过滑动阻力来确定裙摆高度范围，裙板高度对防沉板基础单向承载力影响较大[2]。

滑动阻力包括基础底部不排水情况的摩擦阻力和被动土压力，计算摩擦阻力。

Hd=Suo× A （2）

计算被动土压力如公式（3）所示。

Pp=1/2×Gama×H2+2Suo×H（

式中：Gama 为有效土壤密度；H 为裙边高度。

由以上分析可以看出， 1.4m 的裙摆水平安全系数为1.61，垂直安全系数为2.5，均可满足规范对垂直和横向阻力的要求。同时不存在安全系数过多冗余的情况，因此设定的尺寸和质量是合理的。基于以上数据，再对 1.4m 裙摆进行抗倾覆和渗透分析检查。

2.4抗倾覆性设计检查

海底数据中心的上部模块为圆形舱体，通过鞍座将上部模块放在防沉板基础的中心位置。防沉板基础在水下是全部贯入泥土的状态，作用在上部模块的水平力产生倾覆力矩，作用在防沉板基础上的垂直载荷提供保持力矩。将防沉板设计为矩形基础，倾覆可以发生在矩形基础的纵向边缘或横向边缘。因此，用公式（4）计算浅层地基的一个边缘的倾覆能力。

Mrs=Fs. ×⋅ Drs：（4）

式中：Fs为垂直力：Drs为Fs·中心到基础边缘的距离，即垂直力的臂。

针对本次海底数据中心防沉板基础的各项力检查。作用在上部模块上的水平力Fh将产生一个倾覆力矩（Mov），保持力矩应比倾覆力矩大1.5倍。

该项目倾覆的安全系数： Fsov=Mov/Mrs=12>1.5 ，抗倾覆设计满足要求。6结论

防沉板基础虽然对剪切力敏感，但是当它承载的装置可能承受的最大水平荷载和滑动阻力设计安全系数大于规定的安全系数·1.5·时，就认为设计是可行的。研究主要对滑动阻力、抗倾覆性、裙摆的穿透性进行设计分析，当对防沉板基础做实际设计检查时，除了以上方面，还需要对地基的沉降、抗扭性、地震载荷等进行检查。每种基础的适用性都不会限定在固定的地质、水深及水文环境。海底数据中心示范项目的海洋基础设计选用不仅可以为近海海洋结构基础设计提供参考，还可以为海底数据中心海洋基础设计及进一步发展提供基础。

参考文献：

[1]林宗虎. 风能及其利用[J]. 自然杂志， 2008， 30（6）： 309-314.

LINZH.WindEnergyandItsUtilization[J]NatureJournal， 2008，30（6）：309-314

[2] 严新平. 新能源在船舶上的应用进展及展望[J]. 船海工程， 2010， 39（6）：111-115.

YANXP. ProgressandProspectsofthe ApplicationofNewEnergyinShips[J]Shipb uildingEngineering，2010，39（6）： 111-115.

[3]YAN J， LI G， LIUK. Development Trend of Wind Power Technology[J]. International Journal of Advanced EngineeringResearch and Science. 2020， 7（6）： 124-132.