全球首創(chuàng)!振華重工座底自升式打樁船通過專家評審
一、序言
當(dāng)下開發(fā)可再生能源風(fēng)靡世界,其中風(fēng)電市場具有舉足輕重的地位。據(jù)知,英國規(guī)劃到2030前要將用電30%全部改為風(fēng)電,其中主要是海上風(fēng)電。如眾已周知:我國黨和政府高度重視風(fēng)能的開發(fā)和利用。近年來,陸上風(fēng)電已趨向飽和,開發(fā)海上風(fēng)電則方興未艾。我國有1.6萬公里海岸線,其岸邊蘊(yùn)藏有巨大的風(fēng)能,據(jù)中央氣象局統(tǒng)計(jì),近海水深5米至25米范圍的風(fēng)電潛能有5億千瓦。按國家十三五規(guī)劃,海上風(fēng)電計(jì)劃為開發(fā)1000萬千瓦。據(jù)知,已經(jīng)批準(zhǔn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目近600萬千瓦,而建成的海上風(fēng)電僅約150萬千瓦。由此可知,開發(fā)海上風(fēng)電具有誘人的寬廣市場,為完成十三五計(jì)劃,今后四年開發(fā)海上風(fēng)電任務(wù)極為艱巨。
海上插樁式打樁船吊樁作業(yè)
現(xiàn)用的海上風(fēng)電工程船(俗稱打樁船)是一種全新的海洋工程船舶,主要由起重機(jī)、船體、樁腿和樁靴、抱樁機(jī)以及升降系統(tǒng)等組成,主要用于海上風(fēng)力發(fā)電的打樁作業(yè)、風(fēng)機(jī)安裝和樁柱、樁錘等物料附屬設(shè)備的運(yùn)輸。現(xiàn)代風(fēng)電工程船將起重船、海上作業(yè)平臺(tái)和運(yùn)輸船、抱樁機(jī)以及生活供給船的各項(xiàng)功能完美地融為一體,便于出海獨(dú)立工作和工作人員持續(xù)近月余的生存。另外還裝有先進(jìn)的動(dòng)力定位系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng),操作靈活自如,可以獨(dú)立完成上述樁的安裝作業(yè)和運(yùn)輸任務(wù),全過程無需其它船舶協(xié)助。
現(xiàn)代打樁船的漂浮狀態(tài)
海上風(fēng)電場施工難點(diǎn)之一是樁柱的安裝。將直徑3~8米重達(dá)500~2000噸甚至更大的樁柱用樁錘強(qiáng)力打擊插入水下泥中,即所謂“打樁”,不僅需滿足樁柱的吊高(80~120米左右)、吊重和位置的要求,還要保證樁柱的垂直度,即垂直于海平面。需要指出,因?yàn)楸稒C(jī)是安裝在船體上,因此要求船體在打樁全過程不能移動(dòng),過去曾用拋錨絞車等來穩(wěn)定船體的辦法由于它是柔性系統(tǒng),無法保證船體固定不動(dòng),不適用于風(fēng)電打樁作業(yè),早已被淘汰。當(dāng)下可行之途有二,其一是將打樁船自身帶有樁靴的樁腿深深插入泥中使其在海上風(fēng)浪涌襲擊下保持穩(wěn)定,其二令打樁船的船體(其實(shí)為一中空浮體)“座底”,即下船體(中空浮體)坐在水下泥層面上,由泥層和下船體承載船的重量并依靠與泥層的摩擦力以及同時(shí)插入泥中的小樁(無樁靴)保持水平方向的穩(wěn)定。
由于船體座底后又引發(fā)一系列新麻煩(見以下敘述),因此,目前,世界上的打樁船,都采用前一種方式即插樁來穩(wěn)定自身即所謂插樁式打樁船。
現(xiàn)代普便采用可抬離水面的插樁式風(fēng)電安裝船
二、插樁式打樁船的難題和缺點(diǎn)
由于開發(fā)海上風(fēng)電,是近十年左右的事,比較年青因缺乏實(shí)踐,對不能迅速插拔樁是采用插樁式打樁船的一大難題,普便認(rèn)識(shí)不足。因而已登埸和將要登埸的數(shù)十艘海上風(fēng)電打樁船,無一不是插樁式。近年,當(dāng)風(fēng)埸上數(shù)十根樁需要迅速完成栽入任務(wù)時(shí),若不能迅速插拔樁將嚴(yán)重影響生產(chǎn)率提上開發(fā)海上風(fēng)電企業(yè)的議事日程。普便認(rèn)識(shí)到它是這種安裝船自身無法克服的重大缺點(diǎn)。為了說明該點(diǎn),先談?wù)剣鴥?nèi)外廣泛采用的插樁式打樁船的作業(yè)過程:
如眾周知,目前,國內(nèi)外海上風(fēng)電裝置由于盛行用3~8米直徑、厚50~100毫米重達(dá)500~2000噸或更高的單樁柱插入海面泥中數(shù)十米(即所謂“打樁”),以支承海上風(fēng)力發(fā)電裝置(重150~300噸)和承受風(fēng)壓以及涌浪沖擊。打這種巨大的樁,如上己述,用錨和纜繩定位的傳統(tǒng)打樁船因自身不穩(wěn)早已被棄用,新誕生的插樁式打樁船的特點(diǎn)是:自身也用樁腿插入泥中(調(diào)遣時(shí)拔出),并配有起重機(jī)和打擊力強(qiáng)大(200~400噸米)頻率高(30~50/分)的特殊樁錘,以及抱樁機(jī)等附屬裝備。此外,如大家己看到:為了減小海上涌浪對打樁船船體的沖擊(沖擊力視不同船型可達(dá)3000~4000千噸,為躲避此力,用樁腿將打樁船的船體稍抬離水面約4~5米,以令涌浪從其下方穿過),為了滿足樁柱垂直度的要求(不成文的規(guī)定;樁柱垂直度控制在3‰),必須穩(wěn)定打樁船,其自身多采用長幾十米的大直徑(3~4米)樁腿和端部的巨大樁靴插入泥中(軟質(zhì)土壤條件下可能需20~30米)以承受其自重,并穩(wěn)定它在水中的位置。
這種插樁式打樁船,雖能較好的實(shí)現(xiàn)打樁作業(yè),但作業(yè)程序復(fù)雜嚴(yán)格,例如:總重達(dá)2萬噸大型風(fēng)電工程船(包括外載5000噸),它每只樁腿插到位后,仍需經(jīng)過加載“預(yù)壓”工序以保證它有高可靠的地基承載能力。每只單樁預(yù)壓載荷常需正常承壓的一倍(8000~10000噸),為此需先將船體注水,以增加自重,這種設(shè)計(jì)主船體需具備很大容積的壓載艙,對大型打樁船往往難以實(shí)現(xiàn),此時(shí)只能采用對角壓載的方法完成預(yù)壓(同時(shí)只壓兩只樁),對主船體結(jié)構(gòu)提出很高要求,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)很厚重。而且樁靴必須座落在承載能力為80~100t/m2的硬質(zhì)土層或者密實(shí)的砂層上,才能為船體提供有效支撐,這種優(yōu)質(zhì)的地基條件往往需要在海底以下數(shù)十米才存在,打樁作業(yè)完成后,再拔出被泥砂覆蓋的樁靴。這些工序必須一絲不茍認(rèn)真進(jìn)行,否則打樁過程船體將會(huì)出現(xiàn)地基穿刺,導(dǎo)致歪斜甚至傾翻大禍。要知道現(xiàn)代插樁式打樁船插入泥中的樁靴面積至少為100平米,而樁腿直徑為4米左右,兩者截面的面積相差六倍,拔樁時(shí),樁靴上覆蓋的十幾米砂土重量會(huì)帶來巨大的下壓力,拔樁時(shí)還要克服這些土體與周圍土體相互間的摩擦和粘附載荷,以及樁靴底部上拔時(shí)產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓形成的吸附力和粘聚力,需巨大拔起力。視不同土質(zhì),為消除負(fù)孔隙水吸附力和底部粘聚力,常常先要用高壓水沖樁,以聯(lián)通樁靴底部孔隙和外界海水,而在泥中插深較深時(shí),外界水不容易補(bǔ)充進(jìn)來,這種聯(lián)通更為困難。在特殊情況下,甚至可能沖不動(dòng)樁。例如:每只樁腿視土質(zhì)和需插入深度,(20米左右),通常其插入力需2000~3000噸,然后需加1倍于插入力進(jìn)行“壓樁”作業(yè)(視土質(zhì)需保持12~24小時(shí)),如果碰上粘性土壤產(chǎn)生粘附力吸注樁靴,常使拔樁力遠(yuǎn)大于壓樁力。有時(shí),千方百計(jì)仍拔不出,不得已只好割掉,這是令操作者最為痛心,也是這種插樁式打樁船的致命缺點(diǎn)。
還應(yīng)提到:插樁時(shí),船體本身重量(即便加水)往往不足同時(shí)壓四只樁以完成預(yù)壓載,這時(shí),如上文已指出,常使用對角壓載(同時(shí)只壓兩只樁),則對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出很高要求,增加了船體結(jié)構(gòu)重量。拔樁時(shí)要借用船的浮力,只能一只一只的進(jìn)行。這些作業(yè)耗時(shí)久又費(fèi)力,若不順利時(shí),插拔需數(shù)日、1~2周,甚至更長。
總之,樁靴是插樁式打樁船不可缺的。既是重大關(guān)鍵又帶來麻煩。公正的說:這種具有龐大樁靴結(jié)構(gòu)的插樁式打樁船,雖能完成任務(wù),因需插、拔、壓、帶有樁靴的樁腿,既費(fèi)力又需不少時(shí)日,大大降低它的整體效率(如作業(yè)順利,平均每打一根樁約1周左右,其中插拔壓樁約占1/2以上時(shí)間),現(xiàn)代大型海上風(fēng)電場,常需70~100座風(fēng)電塔,如只一艘打樁船作業(yè),僅打樁要1~2年始能完成,若能提高效率,對于加速風(fēng)電場建設(shè),具有重大意義,對某些特殊土質(zhì),因怕拔不出帶有樁靴的樁腿,甚至視為畏途,不敢承接作業(yè)。因此,如何迅速插拔樁靴成為發(fā)展海上風(fēng)電采用插樁式打樁船的一個(gè)待解課題。
在舉國上下一派創(chuàng)新熱潮的鼓舞下,上海振華重工公司發(fā)揚(yáng)一貫敢于創(chuàng)新,敢于擔(dān)當(dāng),敢為世界先的大無畏精神,積極研發(fā)設(shè)計(jì)了取消樁靴,提高作業(yè)工效(提高工效至少一倍),增大市場競爭力,從而增加企業(yè)效益的舉世無雙的“座底抬升式海上風(fēng)電打樁船”,它涉及海上洋流、海洋地貭、受壓容器等諸多方面,我們請教了海上地質(zhì)專家、海上風(fēng)浪涌方面專家、曾設(shè)計(jì)海上座底建筑物的專家等,結(jié)合我公司曾設(shè)計(jì)制造了多艘插樁式打樁船的經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了這艘取消樁靴的新型座底自升式打樁船(見圖4)。本文是對其可行性和己有初步方案設(shè)計(jì)進(jìn)行論述和說明,是一份待再次修正稿,聆聽領(lǐng)導(dǎo)、專家和對此感興趣的朋友指教、評議。然后再進(jìn)行工作圖紙繪制。某些技術(shù)細(xì)節(jié),因涉及專利保護(hù),按貫例暫不在本文披露。
三、新型座底自升式打樁船的性能和基本構(gòu)造
下圖展示出座底自升式打樁船的全貌示意圖,表中列出了建議的技術(shù)性能參數(shù)。
新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數(shù)
新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數(shù)
新型無樁靴的座底自升式打樁船的座底狀態(tài)示意圖
新型座底自升式打樁船繼承了傳統(tǒng)插樁式打樁船全部功能并實(shí)現(xiàn)了其技術(shù)參數(shù),從外觀上看它們的差異是:取消了樁靴和增加了下浮體。在漂浮狀態(tài)時(shí),下浮體收入船體之內(nèi),可以短程調(diào)遣也可以拖帶遠(yuǎn)航如圖4所示,在工作時(shí),仍由安在下浮體上的四只腿,將它抬離水面4~5米,以減小風(fēng)、浪、涌對它的沖擊。
目前世界盛行用單樁柱支承發(fā)電裝置。單樁柱大約在800~2000噸左右,(各別有超過2000噸)。國內(nèi)目前,則不超過1000噸,估計(jì),在若干年內(nèi)國內(nèi)會(huì)出現(xiàn)超過2000噸重的大樁柱,本座底船起重量視幅度可達(dá)2000~2500噸,其它技術(shù)各參數(shù):如可在水深10~50米下工作,有動(dòng)力定位裝置可調(diào)遣移動(dòng),有3000~4000平米置物面積,有供100人的生活條件,以及直升飛機(jī)平臺(tái)等等,請見示意圖所示,這里不再贅述。其技術(shù)參數(shù),完全滿足國內(nèi)外市場需要。在十年內(nèi)不致落伍。
新型無樁靴的座底自升式打樁船的座底狀態(tài)示意圖
從示意圖上看,它與傳統(tǒng)插樁式打樁船完全相同,用安有齒條升降機(jī)構(gòu)的四只直徑約4米的樁腿將上船體與下浮體聯(lián)在一起,需要提到:座底式打樁船的樁腿是不插入泥中的,因而,每只腿上面的齒條也不會(huì)沾泥砂,對齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將起良好的保護(hù)作用,再經(jīng)特殊熱處理,基本可實(shí)現(xiàn)與整機(jī)同壽命。
獨(dú)具特色的下浮體,如下圖所示:
下浮體構(gòu)造示意圖
它的主體由一排管狀中空浮體構(gòu)成,可注水排水由此提供浮力和壓載力。上部浮體由5只長70米直徑7米的承壓圓筒組成近似菱形,它提供約1.3萬噸浮力,兩側(cè)和尾部浮箱提供約3000噸浮力。由此,總浮力可達(dá)1.5~1.6萬噸(四只腿視不同水深尚可提供浮力2000噸左右)。管狀浮體壁厚18~20毫米,內(nèi)部有環(huán)形筋,按受壓容器校核,安全系數(shù)不小于3。
根據(jù)初步計(jì)算,中部五只浮體,是中空完全封閉,即提供浮力,而兩側(cè)水箱,可以吸排水(總體積約5000方左右),根據(jù)需要,每次調(diào)控水量不過1000~2000方,不需消耗多少能量。
在浮體側(cè)有8只抗滑移無靴小樁腿,長約6米插入泥中作為防止移動(dòng)承受水平力的補(bǔ)充。從圖7下浮體的橫剖面圖可以看出:它具有和插樁式打樁船的樁靴同樣的支承船體重量的功能,所不同是前者支持在泥下某個(gè)深度的結(jié)實(shí)土層上,插拔困難,而座底船是半坐半浮在水下表層泥面上,承壓面積大,入泥深度淺,脫離極為容易。此外,前者無法調(diào)節(jié)土上的承壓載荷。而后者則可通過調(diào)節(jié)浮力調(diào)節(jié)座底浮體對土壤的壓載,有利適應(yīng)不同的土壤條件。
四、座底式打樁船的優(yōu)點(diǎn)
必須指出:本“座底自升式打樁船”的突出優(yōu)點(diǎn)是既座底又將上船體抬離水面4~5米,這是命名“座底自升”的原因,是迄今為止世界首創(chuàng),也是本設(shè)計(jì)有別于過去所謂座底打樁船的重大區(qū)別。如行家周知,不將上船體抬升離開海面,則無法解決海上洋流涌浪的襲擊,這也是己有所謂座底打樁船,只宜在灘涂性貭淺水中作業(yè)不宜進(jìn)入有暗流和涌浪等水域作業(yè),此為它因適用性狹窄以至不受歡迎得不到發(fā)展的重要原因。
還需指出:座底自升式打樁船有別于插樁式打樁船的特征是沒有樁靴(見圖5)。首先談?wù)動(dòng)袩o樁靴的優(yōu)劣。插樁式打樁船每根支承樁的底部均安裝有樁靴(見圖8)它的作用是擴(kuò)大支承面積,以支持打樁船高達(dá)1.5~2萬噸的自重和外加載荷,若沒有樁靴,無論插多么深,僅靠樁與土的摩擦力,是無法支承如此龐大且重的船體。
傳統(tǒng)樁靴示意圖
由圖上可以看到,插樁式打樁船的傳統(tǒng)樁靴,不論是圓形或三角形樁腿,其所配樁靴均在100平方米以上,沒有如此大的面積很難支承重達(dá)1.5~2萬噸的船體和外載荷,但反過來,它也給拔樁腿造成巨大困難。如上已敘,這是我們研發(fā)用座底式取代插樁式的根本原因所在。
若取消樁靴改為座底式,船的自重是否將全部落在泥面上?海底泥面能支承如此重的船體嗎?其實(shí)不然,因?yàn)樽孜锸莻€(gè)具有巨大排水量的中空浮體(見圖7),從某個(gè)意義上說,是這個(gè)浮體承受著打樁船的大部分自重(本設(shè)計(jì)下浮體其排水量共達(dá)15000噸以上,四根樁柱仍有近2000噸浮力未計(jì)),船的自重減去浮力剩余的重量,才是壓在泥面上的力。調(diào)節(jié)浮體內(nèi)水量,就可調(diào)節(jié)其對泥面的載荷。即是泥面上并沒有承受船的全部自重,而是部分分載荷,它視不同土質(zhì)的承壓能力可予以調(diào)節(jié)。
座底打樁船取消了插拔困難的樁靴:首先是“打樁”作業(yè)全過程,無插拔壓樁靴之“苦”,大大提高工效。其次是對海底土的單位面積壓力可調(diào)節(jié),因而能適宜各種土質(zhì),特別是軟粘土甚至淤泥土質(zhì)條件的打樁作業(yè),即對海上風(fēng)場作業(yè)不同土壤的適應(yīng)性強(qiáng)。其三是樁腿上無樁靴,也不需對樁腿端的樁靴預(yù)壓(尤其是對角預(yù)壓載),不只減小了作業(yè)時(shí)間,也取消了為預(yù)壓而加強(qiáng)船體結(jié)構(gòu),簡化了船體結(jié)構(gòu)。綜合各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),其生產(chǎn)效率提高至少一倍甚至更高,從而大大提高其市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。
五、打樁船座底后產(chǎn)生的問題和我們的對策
如前已敘,座底自升式打樁船繼承了插樁式打樁船的各項(xiàng)功能,唯一不同是取消了樁靴,將船自身的巨大載荷由通過樁靴的下泥面承受改為由下浮體的浮力(阿幾米德力)和施加在水下泥面載荷共同承受。它無樁靴可拔,大大提高了作業(yè)效率。但也產(chǎn)生一些大小問題。這是前人曾有過座底的構(gòu)想,但由于種種原因,至今未見一艘實(shí)用的可與插裝式打樁船媲美的座底打樁船問世(如前已敘,個(gè)別只座底能否實(shí)用尚不知,但如本設(shè)計(jì)用腿抬起船體離開水面,可防風(fēng)浪涌沖擊,與插樁式類似的打樁船世界上是沒有前例的)。
發(fā)展海上風(fēng)電,提高打樁船終工效是個(gè)巨大需要,推動(dòng)我們研發(fā)設(shè)計(jì)了“座底抬升式打樁船”,我們與海工領(lǐng)域的有關(guān)專家共同研討取消樁靴座底后可能遇到的問題,應(yīng)用國內(nèi)外技術(shù)進(jìn)步帶來的新手段,為座底抬升式打樁船制定了對策,必須萬無一失,令它高安全高可靠的為發(fā)展海上風(fēng)電服務(wù)。
如周知,座底船對海下泥土表層施加的載荷有三類:垂直載荷、水平載荷和傾復(fù)力矩。為此必須研究這些載荷的極限值和水下泥表層的承載能力。如前己指出,前人的海工工程水下結(jié)構(gòu)物座底并不乏有,但能承受用以打樁并抬升船體的本座底式打樁船確系世界首創(chuàng)。為此,本公司鄭軼刊博士和上海交通大學(xué)葉冠林教授(土力學(xué)專家)進(jìn)行了大量調(diào)研,總結(jié)寫出針對本項(xiàng)目特點(diǎn),具有指導(dǎo)設(shè)計(jì)意義的論文。
經(jīng)研究,我們的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是首先解決好3個(gè)主要載荷的問題,然后處理幾個(gè)伴生問題:
(1)如何承受垂直載荷?
座底垂直載荷必須與海下泥層的承載能力相適應(yīng),這是座底成功的關(guān)鍵。為此,首先要掌握清楚座底垂直載荷的大小和變化規(guī)律,然后海底土壤在必須有足夠大的安全裕度前提下,承受座底載荷,同時(shí),此座底力應(yīng)可調(diào)節(jié),以適應(yīng)千差萬變的水下表面泥層。
(A)座底船的垂直載荷:
本座底船的極限垂直載荷的構(gòu)成如下:
a. 座底船上船體總重:船殼體、甲版機(jī)械、起重機(jī)、人員寢室、直升飛機(jī)平臺(tái)、動(dòng)力機(jī)組等:共約1萬噸。
b. 攜帶可變載荷(樁錘、樁柱、風(fēng)葉、燃油等)5000噸。
c. 樁腿與下浮體以及浮沉和伸縮齒條機(jī)構(gòu)等:5000噸。
以上共計(jì)2萬噸,如何承受這兩萬噸垂直載荷?
(B)水下不同泥層的承載能力
按上述專題研究論文的結(jié)論,由表1可以看出,在較差的淤泥質(zhì)粘土(剪切強(qiáng)度Cu=15kPa,在海上風(fēng)場中屬于很軟的地質(zhì)條件)中插深達(dá)2米時(shí),每平方米可承受五噸載荷(計(jì)算己考慮了地基同時(shí)受到垂向載荷和水平載荷時(shí)的垂向承載力衰減。同時(shí)使用了2倍的安全系數(shù),達(dá)到長期座落在海床上的固定式平臺(tái)基礎(chǔ)要求,遠(yuǎn)高于普通自升式平臺(tái)1.3倍的安全因子)。實(shí)際上,很多風(fēng)場表面為粉砂或砂土,例如如東表面粉砂內(nèi)摩擦角達(dá)到25°~30°,其垂向許用承載力可達(dá)45 t/m2~90t/m2。本船設(shè)計(jì)水下著泥面積為3300平米,承載面基本在水下兩米左右,承載面基本在水下兩米左右,按每平米給予3噸左右垂直載荷(安全度為3),則泥面共需承擔(dān)1萬噸。考慮到抗傾穩(wěn)性要求,壓在泥面上的載荷需8000t,垂直載荷的其余部分(最大1.2萬噸)由浮體承擔(dān)。本估算為極限情況,事實(shí)上因可變載荷5000噸,只在某種特定條件下才全額存在,致使上述的總垂直載荷在1.5~2萬噸間變化。我們調(diào)整排水量,令泥面載荷視需要,保持在5000~1萬噸左右,即在表1中偏軟淤泥質(zhì)粘土情況下,單位面積承受壓力不大于5噸(包括因起重2000t貨物時(shí),力矩產(chǎn)生偏載),遠(yuǎn)小于其極限承載力10.17噸,即安全系數(shù)不小于2.0,足夠安全。
(C)小結(jié)
總之,在正常但偏軟的土層上(由分析可知,大多數(shù)海上風(fēng)場水下表土層的承受能力大于淤泥質(zhì)粘土的情況),給予泥層1萬噸垂直載荷是安全的,即浮力和座底載荷,各承擔(dān)一半總載荷。對不同土質(zhì),只要改變浮力(使座底載荷剩為1/3或1/4),即可調(diào)整座底力,使座底船在各種不利土壤條件下,均能高可靠,高安全的工作。
不同土壤條件垂向極限承載力和許用承載力
(2)如何抵抗水平載荷?
在允許作業(yè)條件(6級風(fēng)速)下,由于風(fēng)、浪、涌和水下“流”等產(chǎn)生的水平力,將使打樁船整體滑移,無法打樁?
雖然本船己抬離水面4~5米,大大減輕了涌浪的沖擊力,仍有四根直徑4米的腿在水中,經(jīng)理論計(jì)算和海上實(shí)際驗(yàn)證,50m水深條件下,此力最大約500噸,淺水條件下(10m),下浮體受到的載荷相對較高,不超過1000t。如何防止(或抵抗)此水平力是開發(fā)此座底式打樁船能否成功的關(guān)鍵之二?我們的對策:
其一是:雖取消了樁靴但又設(shè)計(jì)了八只無靴的抗滑移樁。每根小樁若從材料的抗剪強(qiáng)度考慮可承受水平載荷達(dá)2000噸。每根抗滑移樁2米直徑、長6米小樁,投影面積至少16平米。在較軟的淤泥質(zhì)粘土(剪切強(qiáng)度Cu=15kPa)中,每平米極限抗剪能力約10噸,6只樁共935t。在其它地質(zhì)條件下,抗滑移能力更強(qiáng),極限抗滑移能力甚至達(dá)到2500t(見表),足可抵抗風(fēng)、浪涌和水下“流”產(chǎn)生的水平力。此外,這6只抗滑樁并可承擔(dān)部分外載產(chǎn)生的不平衡力矩。
其二是:該船座底后根據(jù)不同地質(zhì)條件可調(diào)整其座底壓力(調(diào)節(jié)浮體存水量,可令此壓載至少5千噸多至1萬噸甚至更大。利用下浮體底部與泥面的粘聚力(粘土)或摩擦力(砂土)產(chǎn)生的阻力阻止打樁船的水平滑移。按照理論計(jì)算,淤泥質(zhì)粘土情況底面可提供4000t極限抗水平滑移力,松砂也可提供2000t極限抗水平滑移力,以上兩項(xiàng)措施,有其一即可保證座底船工作時(shí),不會(huì)水平移動(dòng)。
不同土壤條件極限抗滑移力
插深達(dá)1.5米時(shí),每平方米可承受十噸載荷。本船設(shè)計(jì)水下著泥面積為3000平米,若系軟淤泥,承載面基本在水下兩米左右(若需仍可再深至3~5米),按每平米給予3噸左右垂直載荷(己有安全系數(shù)為3),則泥面共可承擔(dān)1萬噸。垂直載荷的其余部分(最大1萬噸)由浮體承擔(dān)。本估算為極限情況,事實(shí)上因可變載荷5000噸,只在某種特定條件下才全額存在,致使上述的總垂直載荷在1.5~2萬噸間變化。我們調(diào)整排水量,令泥面載荷視需要,保持在5000~1萬噸左右,即在表1中偏軟粘土情況下,承受壓力不大于5噸(包括因力矩產(chǎn)生偏載),遠(yuǎn)小于其可允許承載10.13噸,即安全系數(shù)不小于2~3,足敷安全。
總之,在正常但偏軟的土層上(由分析可知,大多數(shù)海上風(fēng)場水下表土層的承受能力大于1表所示值),不理想情況給予1萬噸垂直載荷,也是安全的(根據(jù)土質(zhì)情況,并利用齒條機(jī)構(gòu)向下施加作用力,座底力可增加到3萬噸),對不同土質(zhì),只要改變浮力,即可調(diào)整座底力,使它在5000噸~2萬噸之間變化,使座底船在高可靠,高安全下工作。
(3)如何承擔(dān)外加傾覆彎矩?
首先要強(qiáng)調(diào)指出:力矩會(huì)影響垂直力的分佈,但不會(huì)增減垂直力的數(shù)值。如圖所示。
座底平臺(tái)地基在某個(gè)力矩影響下垂向壓力的分布
在吊樁柱時(shí),打樁船要穩(wěn)定,不因泥面無法承受此巨大的力矩發(fā)生傾斜?此彎矩有兩個(gè)來源:其一是起重機(jī)吊樁柱時(shí)產(chǎn)生的彎矩(雖被下浮體調(diào)整壓載后,但有剩余)。其二是上船體在風(fēng)浪涌作用下,對下浮體的力矩。
如周知,當(dāng)起重機(jī)吊一根2000噸的樁時(shí),若幅度達(dá)25米,僅對起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心(假設(shè)此心基本在船質(zhì)心的縱向沿長線上)將產(chǎn)生5萬噸米的傾復(fù)力矩,若再加上臂梁索具吊鉤等未被尾配重平衡的力矩共約1萬噸米,即共有6萬噸米左右的外加傾復(fù)力矩,對于插樁式打樁船,它通過深深下插的樁腿和樁靴,承受了此力矩。對于座底式打樁船,如何平衡(或承受)此力矩?是開發(fā)座底打樁船能否成功的另一個(gè)關(guān)鍵,我們采取了如下幾項(xiàng)措施:
其一是:采用菱形的上船體(國外已有類似結(jié)構(gòu),見圖10)并將起重機(jī)置于船中菱形頂點(diǎn)的繞樁位置(見圖10)。這時(shí),起重機(jī)成為國內(nèi)外經(jīng)常采用的所謂的“繞樁式起重機(jī)”。這種布置的優(yōu)點(diǎn):首先是吊樁柱時(shí),外載重心距船體質(zhì)心最近(也可說起重機(jī)的幅度得到有效利用),由此,可有效減小對座底打樁船的傾復(fù)力矩(否則,將大大超過上述的6萬噸米)。其次是樁腿不會(huì)干擾起重機(jī)吊臂,擴(kuò)大了甲板可用面積(可達(dá)到3000平米或更大),作業(yè)方便。其三是當(dāng)放下起重臂調(diào)遣或拖航時(shí),在船長方向,內(nèi)得到較好的支承等等。
國外菱形布置風(fēng)電打樁船示意
其二是:采用反向預(yù)加載荷系統(tǒng)。即根據(jù)事先知道的需吊的樁柱的重量、幅度等,預(yù)先配置好近似目標(biāo)彎矩一半的反向載荷(通過對下浮體內(nèi)各水箱注水排水),即令其產(chǎn)生反向力矩以平衡部分吊載時(shí)的力矩,特別應(yīng)指出:這時(shí),因預(yù)加力矩的作用,下浮體對泥面的壓載也產(chǎn)生變化,(即此力矩不改變總壓載數(shù)值,但改變它的分布),經(jīng)校核,即不同案例均在允許值之內(nèi)(本案例不超過5噸/米平方)。
其三是:采用了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)配水調(diào)節(jié)裝置,在打樁船上裝有計(jì)算機(jī)管理的配水調(diào)節(jié)系統(tǒng),它可以根據(jù)起重機(jī)起吊、卸載、旋轉(zhuǎn)的需要,調(diào)配下浮體前后、左右水箱內(nèi)的水,使打樁船保持動(dòng)態(tài)平衡,本措施與其二不同之處是:前者粗調(diào),目的是預(yù)先減小部分載荷,本措施是精調(diào),而且當(dāng)起重機(jī)起吊作業(yè)時(shí)才開始工作,根據(jù)起重量和旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),而不是預(yù)先實(shí)施。這樣也可避免采用大的吸排系統(tǒng)。
其四是:利用座底面積產(chǎn)生平衡力矩,平衡外載荷產(chǎn)生的力矩(即上述的6萬噸米中平衡后剩余的部分及風(fēng)浪流等環(huán)境載荷產(chǎn)生的力矩)。當(dāng)座底面積達(dá)3000平米,在淤泥質(zhì)粘土(剪切強(qiáng)度Cu=15kPa)每平米可承壓5噸。當(dāng)受到8000噸垂向載荷和6萬噸米彎矩作用時(shí),最大壓力不超過5t/m2。
其五是:對于特惡劣的土質(zhì)條件(剪切強(qiáng)度Cu值小于15kPa時(shí)),應(yīng)采取以下保護(hù)措施:
(A)限止外吊樁柱的重量,一般以小于1000噸為宜(在未考慮壓載水反向調(diào)節(jié)時(shí),起吊傾復(fù)力矩為3.5萬噸米左右)。事實(shí)上在這種超軟近似新淤泥的土質(zhì)上,不會(huì)設(shè)置大的風(fēng)電塔,也不可能有大且重的樁柱。
(B)可適當(dāng)增加下浮體在泥面的沉入深度。對2m左右的淺層淤泥,直接壓入并座落在該層之下條件更好的土層上。當(dāng)淤泥層較厚時(shí),增加插深(如3米~4米),由于土體有效重量壓頭的作用,單位面積承載力也會(huì)進(jìn)一步提升,而且一般情況下淤泥本身的抗剪隨著深度的增加也會(huì)有所增加。
必須指出,對付外力矩,本設(shè)計(jì)的要領(lǐng)是雙重安全保護(hù)。下浮體的水系統(tǒng),已基本可以平衡外載力矩,座底和幾只小樁是第二層保證,以適應(yīng)千差萬別的不同土質(zhì)。
由于座底式打樁船是個(gè)新生事務(wù),特別是海下泥層千差萬別,因之在針對上述三個(gè)主要問題給予對策之后,我們也研究并回答了幾個(gè)伴生問題
(1)在下浮體座底后,微沉入泥中,下浮體是否照舊存在浮力?
按照土力學(xué)理論,平臺(tái)下浮體座底后浮力是存在的,原因是海底土壤內(nèi)部實(shí)際上是由土顆粒和空隙組成的,內(nèi)部存在肉眼看不見的大量孔隙,如同海綿一樣,如圖11所示。海底的粘土、淤泥等基本都是飽和土(所有孔隙都被水充滿),并且含水量非常高,可以高達(dá)50%~100%。最重要的是,這些孔隙水通過空隙與外界(海洋)的水是相聯(lián)通的。因此,海水中的靜水壓力分布不受土層的影響,如圖11和圖12所示。因此,下浮體座在海底時(shí),浮體上下表面仍然存在靜水壓力差,與在海水中一樣,從而保持浮力不變。該結(jié)論為土力學(xué)最基本的結(jié)論之一,得到了大量文獻(xiàn)和試驗(yàn)的驗(yàn)證。因此,該平臺(tái)在座底時(shí),下浮體可提供足夠的浮力來減輕座底時(shí)海底的壓力。
土壤的三相組成示意
海底靜水壓力分布
(2)作業(yè)完成后如何脫底上浮?
所有與海底土壤接觸的結(jié)構(gòu)在上拔時(shí)受到海底吸附力的作用,座底船亦然。但有所不同,因?yàn)槭諗n下浮體時(shí),上船體已沉入水中,全船重量皆由上船體的浮力承擔(dān),泥層的粘滯力和瞬時(shí)局部真空等阻尼作用一般遠(yuǎn)小于浮體的上浮力,只要排水,浮體可產(chǎn)生1.5萬噸巨大浮力即可令下浮體脫離泥層的約束上浮。但也可能有個(gè)別情況,即遇到粘滯力特別強(qiáng)的“黃泥巴”土,這時(shí)可通過本船備有的高壓沖樁系統(tǒng)沖水,或利用四只腳上齒輪系統(tǒng)增加上拔力等措施仍會(huì)順利解決。
(3)如何保持下浮體剛性?
本座底船的由鋼管構(gòu)成的下部浮體是個(gè)長約70余米,寬36米,高8米的長方形,具有足夠大的剛度和強(qiáng)度,其受載后的變形在允許范圍之內(nèi),己另作校核。由于海底情況復(fù)雜,本設(shè)計(jì)接地面積3000平米是理想情況,實(shí)際接觸隨時(shí)間多少有個(gè)調(diào)整過程(水中泥受壓后會(huì)流動(dòng))由小而大再趨于穩(wěn)定。其次,四腿是集中載荷不是壓于浮體鋼管上,而是框架上,為此,下浮體在結(jié)構(gòu)上作了使浮力和載荷較均勻分布措施等等。
(4)如何適應(yīng)有坡度即在斜面上或凸凹不平的場地工作?
座底船的上船體與下浮體通過四只直徑為4米的圓筒型樁腿相連接,樁腿的上端被圓形長約六米筒狀導(dǎo)向約束,只可作伸縮運(yùn)動(dòng),而下端則用鉸接與下浮體相連如圖。
樁腿球鉸安裝示意圖
目前揷樁式風(fēng)電的安裝適用于50米以下的水深,風(fēng)場位于濱海大陸架以內(nèi)區(qū)域,外圍深度小于200米。根據(jù)資料,大陸架坡度平緩,平均坡度只有1:500。因此座底自升式打樁船作業(yè)斜度不會(huì)很大。即便如此,該船設(shè)計(jì)時(shí)仍然考慮了坡度的影響,在樁腿和下浮體連接處創(chuàng)新地使用球鉸連接方式。至于小凸凹不平地面,因下浮體由大直徑鋼管構(gòu)成,剛性極強(qiáng),不足懼。
(5)如何減少齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩損,延長使用壽命?
這是個(gè)凡采用齒條傳動(dòng)的插樁式打樁船均感到棘手的問題。有幸的是座底式打樁船的齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不似插樁式并不伸入泥中,因而齒面干凈,永不會(huì)出現(xiàn)因帶泥砂而研磨齒面,加之,我們在齒條設(shè)計(jì)、熱處理和潤滑方面均采取特殊措施,力爭這個(gè)系統(tǒng)與整機(jī)同壽命。
(6)如何調(diào)遣到海上風(fēng)場的固定樁位?
座底船雖由上船體和下浮體兩部分構(gòu)成,但調(diào)遣時(shí),下浮體收入上船體之內(nèi),與一般航行船無異。按DP2的要求,本機(jī)裝有4+1只舵漿,2只在前3只在后。每只功率1500KW 它的強(qiáng)大能力可以保證在允許作業(yè)的風(fēng)速(六級風(fēng))和浪高(1.5~2米)情況下,自行駛至海上風(fēng)場的下一個(gè)樁位。
(7)如何對待惡劣天氣?
如眾周知:海上航行船在作業(yè)時(shí),遇到惡劣天氣的傳統(tǒng)作法是移泊到錨地,順風(fēng)拋錨等候天氣好轉(zhuǎn)。即便己停靠碼頭,也要解纜移泊到錨地。對于插樁式打樁船,因拔樁困難,迅速移泊幾無可能,而對于座底式打樁船,如前己敘,它將如一般船泊一樣,可迅速轉(zhuǎn)移至錨地或其它指定場所,不懼惡劣天氣,這也
正是它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
(8)如何處理暗流“沖砂”。
座落在某些疏松沙土上的不規(guī)則建筑物,常因水下暗流的渦旋作用沖刷沙層甚至淘空而使建筑物傾斜產(chǎn)生大事故。
由于“掃海”時(shí),己摸清土層情況,遇到這種沙層,我們基本上采用如下措施以防止“沖砂”現(xiàn)象:首先是提高浮力,減小座底力,然后令小樁插入沙中,保持抗水平力的能力,其三是在外圍的浮桶間加裝可插入泥中約2米的可拆卸的波形扳,它可有效保護(hù)承載面上的砂,不致被沖走(見下浮體構(gòu)造圖)。需要提到,在下浮體外圍安裝的波形版,能極有效的對抗“沖砂”,但當(dāng)下浮體收入上船體之后,它凸出于下浮體之外,在完成一個(gè)風(fēng)埸作業(yè)需轉(zhuǎn)移時(shí),可將它拆下,以減小拖航阻力。
同時(shí)加強(qiáng)管理,因這時(shí)剩余座底力不大,下浮體基本半懸浮在水中如半潛船,又貼近在泥面上,退一萬步講,即便邊緣沙層被淘空也無懼,根本不可能傾斜。
總之“座底自升式風(fēng)電打樁船”,是振華重工總結(jié)了生產(chǎn)多艘插裝式打樁船的經(jīng)驗(yàn),綜合各用戶和專家的寶貴指教,擬定的初步方案。正式登場為大家服務(wù)尚需繼續(xù)完善,歡迎業(yè)內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)專家指教交流。
(來源:上海振華重工)
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