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海上测风塔
发布者:admin 发布时间:2015/4/11


海上测风塔 
我国海上风电开发刚刚起步,在风资源评估、海上风电场的设计理论和方法、海上风电场的建设与运行等方面均属空白。开发海上风电首先要对风资源进行评估,获取海上风资源数据的最直接方法就是在海上建立测风塔。目前我国已建成的海上测风塔较少,海上测风塔建设可供借鉴参考的资料很少,海上气象条件恶劣,施工周期长、难度大。
风电是可再生的无污染的能源。海上风能资源丰富而且稳定,风况优于陆地,且受土地利用、噪声污染、鸟类保护、电磁波干扰较少,不涉及土地征用等问题。初步资料表明,我国陆上风电可开发量为2.5亿千瓦,在海水深2m至15m之间的海域风电可开发量为7.5亿千瓦,我国风电的大规模开发潜力在海上,特别是水深小于15m的近海,更是今后几十年风电发展的方向。德国、丹麦等国己经建成多个海上风电场,在海上风电场设计、建造、运行和维护方面已形成了一定的理论和经验,我国目前在海上风电场建设方面才刚刚起步。
开发海上风能首先需要弄清近海区域风的变化规律及特征。近岸陆地气象站所测风速由于受到地面粗糙度及大气稳定度等因素的影响,与海上风速有一定差异,不能直接用来代表海上风况。获得海上风资源数据的最直接方法就是在海上建立测风塔。
一、测风塔结构形式设计
常见的测风塔结构形式有自立式和拉线式两种。自立式测风塔塔体下部较宽,塔架材料用量相对较大,对基础要求也较高;拉线式测风塔受力较为合理,可靠性高,塔体截面小,塔架材料用量小,但拉线基础数量多,施工工艺复杂。
测风塔塔架可采用单根钢管、三角形桁架及四边形桁架等结构形式。单根钢管结构形式所需钢管直径大,迎风面积亦大,材料量大;三角形桁架结构形式较为稳定,塔架受风荷载作用较小,最为经济;四边形桁架结构形式较为稳定,一般情况下当三角形桁架不能满足受力及变形要求或不经济时,塔架可选用四边形桁架结构形式。
测风塔为高耸结构建筑物,一般采用桩基础或重力式基础等。适用于测风塔的桩基础有钻孔灌注桩、预制混凝土桩、钢管桩等。采用钻孔灌注桩时,需水下浇注混凝土,且施工周期长;采用预制混凝土桩时,需考虑接桩,打入较难,且承台不宜采用钢结构,施工周期长;采用钢管桩时,桩长小于50m时无需接桩,施工方便,但费用略高。钢管桩基础受力情况明确,抵抗极端工况的能力较强,尤其是海底洋流对钢管桩基础的影响较小,但其施工工艺较为复杂和海上防腐要求较高。重力式基础结构简单,施工方便且较为经济,但其体型较大,在海洋中受到的各种作用力复杂,受力情况不明确,且存在海浪、洋流等淘刷作用,容易失稳或产生倾斜。综合考虑,测风塔采用钢管桩基础。
二、钢结构整体防腐设计
海洋环境对钢结构的腐蚀很大,为确保测风塔在正常测风期内不发生严重锈蚀,保证结构安全使用,需对钢结构进行防腐设计。
海上测风塔根据其暴露条件可分为大气区、浪溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区等腐蚀区带,其中浪溅区和潮差区腐蚀最严重,其次是海泥交界处下方区域。不同的环境条件和暴露条件有不同的腐蚀规律,一般情况下应采取相应的防腐、保护技术措施。常用的防腐方法有热浸锌法、 热喷铝(锌)复合涂层法、涂层法和阴极保护法。
防腐按塔架、承台、桩等等部分进行要求,具体措施为:(a)钢管桩、钢承台、其他基础部分受力构件及下部5.5m的钢塔架按0.5mm/a的腐蚀速度预留腐蚀余量;(b)泥面下7m以上部分钢管桩:无机富锌环氧底漆两层厚75μm,环氧中间漆两层厚75μm,聚氨酯面漆两层厚50μm,漆膜干膜总厚度不小于20μm;(c)承台、上部塔架及其他钢结构采用热镀锌防腐,其镀锌量不小于275g/m2。
三、测风塔施工
3.1 基础施工
(1)桩基施工
桩基施工所需的船舶主要有打桩船、运桩船、抛锚船等。鉴于海上施工的特点,打桩船必须配备合适的桩锤,选用合适的施工工艺,尽可能提高沉桩效率,且应具有良好的可靠性。经调研分析,打桩船采用“三航桩2#”,桩锤选用D128开口柴油锤,并配900HP拖轮负责移船就位作业;运桩船选用自航驳;抛锚船选用当地常见的渔船。
打桩船沉桩的施工顺序为:起桩→立桩→插桩→锤击沉桩→停锤、移位→下一根桩起桩→…搭设围囹。根据打桩船特点和施工环境,计划测风塔基础施工工期为:准备工作及抛锚1.0d,沉桩施工1.5d,桩支撑结构及托板焊接3.0d,钢平台安装及焊接2.0d,安装爬梯、护舷、护栏1d,临时设施拆除1d,参考相关海上施工经验取气候影响系数2.5,则1个测风塔基础的实际作业工期定为24d。
打桩船锤击沉桩约需20min/根,收锤阶段实测贯入度约为1.0cm。打桩过程贯入度变化规律与勘探地质分层较为吻合。基础施工表明,所选的施工设备和施工工艺较为合理,勘探资料准确。
(2)施工船舶配合及安全控制措施
海上施工受风、浪、流影响较大,施工期间自航驳要运桩给打桩船,且要预防船舶与打好的桩发生碰撞。因此,各种船舶施工期间的配合需制定详细的作业计划和安全控制措施。
打桩船由拖轮运至施工点附近,采用八字形式抛锚,每个锚上设立浮漂。自航驳停泊在打桩船附近,由于外海作业受风浪影响较大,打桩船和自航驳间距保持在500m左右,自航驳亦设4根锚缆。
施打第一根桩时,打桩船抛锚至预定桩位,自航驳起锚,行至打桩船打桩架一侧,将打桩船上的2根缆绳固定在自航驳上,通过收紧缆绳,令两船紧紧相靠且使其中心线保持互相垂直;打桩船下放吊钩,开始起桩;钢管桩水平脱离运桩驳船并至一定高度后,松开系在自航驳上的缆绳,让自航驳回至原位,打桩船准备打桩。施打其余桩时,打桩船通过调节其4根锚绳远离已打好的钢管桩,同时起锚自航驳,按照前述方法起桩;自航驳离开后,打桩船再通过调节其4根锚绳靠近已打好的桩,重新测量定位,开始打桩。
施工实践表明,所选用的船舶配合方法统筹安排较为合理。
(3) 打桩检测
测风塔采用钢管桩基础,且桩较少(4根),施打过程不仅需监测桩身完整性,更要对桩基承载力进行分析判断。因此,加强基桩施工过程中的质量控制和施工后的质量检测,对确保整个工程的质量与安全具有重要意义。由于海上施工受到特殊的场地条件限制,无法也不可能像陆地的基桩那样进行各种静力载荷试验,只能通过基桩检测获得设计所需各项参数,控制施工质量。高应变法是在桩顶沿轴向施加冲击力,使桩产生足够的贯入度,实测由此产生的桩身质点应力和加速度的响应,通过波动理论分析,判定单桩竖向抗压承载力及桩身完整性。高应变动力检测不仅能够有效地确定桩身结构完整性,而且能快速判定桩的承载力,省工、省时,节约费用。桩基检测采用PAK高应变桩基检测仪检测。
检测要求参照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003),考虑到被检桩并非竖直桩,有一定的斜度,同时参考了美国的ASTM高应变动力检测标准(ASTMD4945),实际提供各桩的轴向抗压承载力。检测前的钢桩桩顶的高度自水面起约为8m,检测用的力传感器和加速度传感器距桩顶约1m,打桩锤重128KN。
3.2 承台吊装及塔架安装
待桩打完后,在桩间搭设加固平台进行围囹加固。现场焊接桩间斜支撑、平台托板及加劲板,并严格控制托板标高。焊接工作结束后起重船就位,先将钢承台吊至安装位置上方50cm~60cm左右,缓缓下降,人工辅助控制承台位置,承台套管对准桩后下放使其就位,检查调整承台水平度,满足要求后焊接承台套管与托板,安装护舷与爬梯。
塔架结构在工厂预制,采用自升式方法安装。
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