南方能源建设
SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION
特约专稿
Feature Articles
DOI: 10. 16516/j. gedi. issn2095-8676. 2017. 01. 002
海上风电机组基础灌浆技术应用与发展
元国凯\\汤东升h，刘晋超\\陈涛2,马兆荣1
(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663; 2.同济大学土木工程学院，上海200092)摘要：海上风电灌浆是影响海上风电发展的一项重要技术，由于风机设备的长期动力载荷作用，使得海上风电的灌浆
无论是灌浆材料、连接段类型、受力机理等多方面都与常规海洋工程有所不同。海上风电机组基础灌浆具有高终强、 高早强、抗疲劳、抗离析等优越性能，本文简述了海上风电场对灌浆材料的要求，详细介绍了单桩基础与导管架基础 这两类典型的灌浆连接段类型及其各自的工程应用和发展，最后简述了灌浆病害的监测与修复，并对海上风电灌浆技 术进行展望与总结。关键词：海上风电；单桩；导管架；灌浆中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号：2095-8676(2017)01-0010-08
Grouting Technology Application and Development in Offsliore Wind Farm
(1. China
YUAN Guokai1 $ TANG Dongsheng1 % $ LIU Jinchao1 $ CHEN Tao2 $ MA Zhaorong1
Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co. 2 . College of Civil Engineering，Tongji University $ Shanghai 200092 $ China)
an important technology impacting the offshore wind power development.
namic loading of offsliore wind turbine，there is a big diference in grout material，connection type，mechanics and others compared with conventional marine engineering. Offshore wind turbine foundation grouting has superior performance of high early and final strengthen，fatigue resistant and segregation resistant. In this paper，grout material requirement was first introduced briefly. Then two typical grouted connection types of monopile and jacket as well as their engineerign application were described in detail. Finally，grout diseases’s monitoring and repair was stated briefly and overview of offshore grouting technology’s development was summarized.Key words: offshore wind; monopile; jacket; grouting
Abstract: Offshore grouting is
$ Ltd
海上风电最早始于欧洲，1%年在瑞典Noger-
一些新型基础型式 基础型式。
，
式基础和浮式
台基础
sund安装了 上风电
上第一台 为220 kW的海
海上风机基础型式按结构型式及其安装 分为粧式基础、重力式基础、 型式，
基
、多导
；1991年，在丹麦Vindeby建设了
上第一座商业海上风电场；十年后，2001年世界第 一座大型海上风电场Homs Rev也丹麦建成并投
。自此海上风电技术开始大 不断提高，基础型式也不
， ，并
装
基础等[1]，见图1。其中，粧基础是最常用的基础
基础、高
等均属粧基础型式。
收稿日期：2016-10-11
基金项目：中国能建广东院201年科技项目“海上风电技术研究” (EX03911W)
作者简介：元国凯(1986)，男，湖南岳阳人，工程师，硕士，主要从事 海上风电场结构设计与研发工作(e -mail)yuanguokai'gedi. com cn。% }讯作者：汤东升(161)，男，广东饶平人，教授级高级工程师，广 东省电力设计研究院副总工，主要从事风能发电、大塔技术、海工工程 及环保工程的技术管理工作(e -mail)tangdongsheng'gedi. com. cn。
浮式基础
图1海上风机基础型式[2]
Fig. 1 Foundation types of offshore wind turbine
第1期元国凯，等！海上风电机组基础灌浆技术应用与发展
11
，欧洲海上风电场风机基 基通常采
接，一 少焊接带来的 中
和 ，另一还可 到调平的作用。海上灌
接最早用于连接石油平台导 基 基，该工艺已有超过&年的 。与海洋石油平台的 ，无论是 、受 、还是施工，海上风电 有自身特点，这主要是因基础上部的风机设备 。
， 水下灌浆时浆体不会被冲散，可进行长距和大高度泵送。高体积 缩率、 电 凝
结
任 的 、弹 指 ！
，
。
多，除上述指标外，还有
率等。接
的
并
从上部对风
结构中产生的所有
缩率、自
式的体积不
基础的 有不利
、竖向
本文首先 绍高 的基本 ，后 述了 接 型的 ，接 较
描述了几个典型的海上风电 工程 ，
四部分对既有 接段的病害及监 了阐
述，最后对海上风电
技术
望与总结。
1
灌浆材料
接段分析结果与设计要求
可
水泥 高 。
水泥
价格低、
易
，在海洋石
油工程中得到广泛 ，
水泥浆结收缩，抗
压
和粘结 较低。
高
水泥浆，是一种含收缩
补偿技术的水泥
，当水 ，其可 ；
均匀、可 易泵送的 。针对海上风机基
的特殊 和特殊施工 ，高
要具备大 、抗析可 和 、高早期
、高终 、高弹 、高积 、高抗 、低水化 点。 些 点下所述！含气率：灌浆料中空气中的含量一般要求 #4%。
大 ！ 了 的施工 ，任 的 下， 始 要求大于290 mm，30 min后的流动度大于260 mm，60min后的 大于230 mm，并 水和分 。
高早期强度°C时环境下，24 h的抗压强 度可达& MPa及以上。
超高最终 ：20 °C时环境下，28 d的抗压强度可达10 MPa及以上。
高抗疲劳性能：参考DNV-OS-C502'3]，考察 浆体是否 的要求。
好抗离析 ！可靠的抗离析性能可防止泵
实际施工中，最终的
是由 水。 水
上各
的两个非常重要的
&实施工中，不同 下，灌浆
的各
指 均有 化。
2灌浆连接段类型
接
不同的 可分为不同的类型，当以有
键作为区分
，可分为有 键接
键
接段。当
接的形状为
，可分为
接段、
接 和 型的
接 。
2.1单桩基础灌浆连接段
作为
广泛的基础型式之一，研究者对单粧基础的研究与创新做了很多工作，名
接 的基 上
了
接。 此，对于
基
接段，主要有两种
形式—— ，
接一般
不设置剪力键，如图2所示。
Fig. 2 Different grouted connection types of monopile
12
南方能源建设
第4卷
2.1.1圆柱形灌浆连接段
接段是
的一种 早可
较 ， 究仍有许多
工
的连接段
接形式之一，是对海上石油平台导
均匀分布， 长为钢构件的半
。一般而言， 基的 较大，故 2014
年发布的DNV规范[1]中，在单粧基础带剪力键灌 接 了竖向 键 图4所示， 的大小，可上设置1根、2;
者4根竖向
的作用，如键。
，研究者对于 接段的研究
到上 70年代，对该连接类型有的经验。但是由于主要受 基
。
接段受
式的改
的研
接段可分为带
键型和
力
键型，典型的带 键 基 接段
如图2(a)所示。剪力键能明显增加灌浆连接段的 向
，但由于
键附
显的
中
，对 接段的 有不利 。在2009年 ，业 认为轴向 可以由钢管
的
作
，但是，由于 基 接段受到反复
作用，
次
数高达#7〜次，反复弯矩作用下可能出现钢管
失效的 。在2009年 的一系列设计 未
是否需要 键，可由设计人员自
，但此举为2009年 大
的已建成海上风机基
键
接
移
沉降的病害[4]埋下了隐患。
因此，2014年发布的DNV规范⑴已经明确传
的 接段必须设计成带
键
接者
接段，不可在做
的同
键，并 了 键的分布 于灌
浆连接段中间#2有效长度的区域内，如图3 示。
图3单粧基础灌浆连接段剪力键布置
Fig. 3
Shear keys layout in grouted connection of monopile
接
的作用下表面的
抗
，分析时一般
摩
图4单粧基础灌浆连接段竖向剪力键布置
Fig. 4 Layout of vertical shear keys in grouted
connection of monopile
2.1.2圆锥形灌浆连接段
述，209年 的圆柱形无剪力键
接段的
事故促使DNV于2009年
至
2011年1月开展了节点性能的专项研究[)]，提出了
接段的设计方案。
这种 接
早在海洋工程的 是在荷 兰的一项工程[$。此工程中的运用是将两个直径不
同的
做成一 后套在一起， 的接。所谓 是这种 的连接
安装后
由于自身重力作用，两 生相对的竖向。这种
可
两
的接触压力，
从 ，提升轴向 ，并止进一步滑移的发生。这种理念亦在文献[7]对损伤焊接悬 广告牌的修补中得到了
，利此
接段替原有焊接节点，可提高节点 超过1倍以上，在200万次循环下并未
，疲
超
接 补。
综上所述， 接有 有的优势，故
DNV将上述 和 一起后得到如图）所示的 接段。
，也有研究者对
此 接
态度。有研究者在2014年的
会议中[*]指出这种结构由于存在一定的滑移，是一 种可控
的工程结构，在长作用下的稳定性仍然是不确定的；另一位研究者[9]也指出这种灌浆 接 受单向
作用的结构中使， 到
接段那样广泛的
。
DNV规范[1]规定不可同时做成圆锥形且带剪
第1期元国凯，等！海上风电机组基础灌浆技术应用与发展
13
力键的连接段，这是因为 一定的上部结构沉降及
接触面的 中，
的长 可超过
的
，
接段允许
的压碎，
大半弹性长 于
此范围内布
2.2.2后 两种导
围内，受
始
键。导 基
大，为了避免由，最好不要在接段
后粧法这接段示
键在这部分
键处易产生，这对灌浆段的竖向
不
不利，故两者不可同时运用，并
在DNV-OS-J101规范中，先 的。图+为后 导
基础的
接段的设计公式在本质上是一致
图5典型圆锥形灌浆段示意图
Fig. 5 Typical cone grouted connection
2. 2导管架基础灌浆连接段2. 2. 1
先粧法导管架基础灌浆连接段
先 导
基础的 接段是钢管
外，导
，一般在导
上设线及 ， 外卜
的环向 中
， 图6所示。
图6先粧法导管架基础灌浆连接段示意图
Fig. 6 Grouted connection of pre-piled jacket foundation
对于导 基
接段设计，重要的是要
避 复 的
。 一个方向， 向 主要 一方向时，
可以。 先
导管架基础的 接段中， 从 接
部往上至一半弹性长
围内，受
不大，而从灌浆连接
部往下至一
意图。
Fig. 7 Grouted connection of post-piled jacket foundation
后
导管架基础的
接段中，从接
部以下至一半弹性长
围内，受
不大，而从 接
部以上至一半弹性长度
围内，受
大，为了避免由于 键在
这部分
始 ， 好不要 此 围 布
键。由于后 导 基 先
导
，无 论是建造还是施工， 接这部分 不少工程量， 后
导
，这也是先
导管架基
海上风电场中得到广泛运用的 一。常见的水下
基础的 接
后
导管架基础的非常
，而水上 基础的
接式 先
导
基 的受 构 ， 这 两类基础型式的
接段可
于导
基础灌
接 中。
2.3其他灌浆连接段类型
了
的以高
接的
接段
外，
有研究者提
型的“
”型接段。即在套 一种内部
复
的连接段，如图8所示， 验研究工作
已经开展[1〇]。
14
南方能源建设
第4卷
Samsoe区域，本风场建设有10台风机单粧基础， 其灌浆连接段长度为$#， 的向 为110 mm。GwyntyM? r海上风电场位于爱尔兰海 的利 湾附近，是当时欧洲最大的海上风电 ，于2014年建成。本风电场中， 线的端
于 将 ，
的
的
上，
上
的软
至主要 线的 上进行灌
率较高，达到6 m3/ h，大大地
3海上风电灌浆的工程应用3. 1
单桩基础灌浆
基 接已成功应用许
多海上风电场，例如Utgrnnden I (瑞士）、Homs
Rev(丹麦#以及North Hoyle(英国#等，
及
接是 全球海上风电 的基
连
接形式， 水
围较广。国海上风电场的单
基础均是 ，水较 存在一定风
险。典型的单粧基
接
图9所示。
图9单粧基础灌浆连接位置示意图
Fig. 9 Grouted connection of monopile
世界第一座大型海上风电场Homs Rev I及后 续的Homs Rev I均 的是 基础和
接的形式，Homs Rev I
中的
重叠
部分（
接段）长度为$〇 #，环向
的
厚度为80 mm。Homs Rev II海上风电场单粧不仅接，
土平台也是
接。该
部分基础#
h即完成了所有灌浆施工'11(。
Samsoe海上风电场位于Kattegat海峡的丹麦
提高了灌浆施工效率'12(。
West of Duddon Sands海上风电场位于爱尔兰
海，总装机容量为389 MW，共18台风机，单机
3.6MW。 线
上，名
上，
一个可伸缩杆，
软
上，将
软管与浆接口相连进行灌浆，如图1所示[13]。
图10单粧基础灌浆施工图
Fig.
^0
口+此叫 30)(53(0) o1 1/0)(0)2
由于 基础的 接段是
的唯一路
， 有余度，一
接
失效或者缺陷，直接
风机的运行和 ，因此，对
基础的 接设计、施工以及
提出
高的要求。
3.2导管架基础的灌浆
导
基
接也已成功应一些海上风电
中，导
基础不仅可作
为风机的下部基础，在海上升压站的设计中也是广
泛采用，例如 Alpha Ventus(德国#、Belwind Demo (比利 #、Thomton Bank (比利 #、Walney (英 国）以及Omonde(英国#等， 可
，
导
基础及 接也是 全球海上风电应
较多的基础型式 的连接形式。
导 基础的 接段构 基础圆柱接 ，
有一些不同。由于钢管粧
和导
的施工
的不同，导
基础分为后粧导 先 导 ，同， 接段也
存在差异， 2.2节所述。先 导
安装
，然后进行导管架基础整
装，
第1期元国凯，等！海上风电机组基础灌浆技术应用与发展
15
装前先 平，最后
导 ， 导
导 水下
平，再将导
再
，连接导
导
支 和 支
部。后设置
， 先下放导 压手段调
基础结构形式是在导 海上施工时，先
打入海床，然后
。
装，通过
，连接
把 和
Ormonde海上风电场是欧洲第一个采用导管架 基础的大型商业化风电场，位于 海，总装
150 MW， 5 MW，共30台风机，还
1座海上升压站，基础型式也为导 基，即共有31个四粧导 基础。所有导
基均为先 导
，安装时将四个主 到预 先打好的 ，每个上均有1根主要 管线和1根次要 线，
线的接 于平台上。
施工时，
线中灌浆，同
察
的情
况，至少要
论 多灌1%来保证
中灌浆料的质量[14]。
Thornton Bank海上风电场位于比利时，是比 利时在北海第一个海上风电场，水
于12 m -27
m。本风场分 建设，第一为$台5 MW风机重力式基础，后两期为48台6. 15 MW风机导 基础和1座海上升压站。导
上有3根灌线——
主要
线、次要 线以及三级 线。我国在广东省珠海 海上风电场示范
的风电 导
基础中
了
的
设
计与施工
。
Samsung的7 MW风机是当时全球单机容量最
大的风机，工程场址水深30 m，下部基 导管
基础型式。本工程的 分两个工作部分，第一部分，由于海 ， 为 ，首先将 30 m
先钻好的 里，然后软 中 ， 的
，
保 质量。第二部分，待
施工完毕
后，再对
导 中间的，同
，确保
的
，
处察浆体的溢出情况来判断灌浆施工是否结束[1]。
Walney海上风电场的海上升压站 四粧导管架基础型式，水 30 m，如图11所示。海上升 压站导
基
海洋石油平台的导 基础型式
，先安装导
基础，再把
套管
图11 Walney海上风电场海上升压站结构
Fig. 11
Offshore substation structure in Walney offshore
wind farm
打入海底[1]。本工程每个环形空间的底部设置有
双
封圈，阻止
的泄露，每个套管
上设置有主要 线与次要 线，ii
线 。我国在江苏响水与东台2个海上风电场的海上升压站中， 了
的
设计与
施工。
导
基础的
接段是
的关键
，不同的是，
余较高，但是，导
基
础的灌浆连接
海床处，不易于巡检，因此，
施工质量不容易得到有效控制，
有效的防
护措施来进行质量控制，保障结构的耐久性。
3.3
基础的灌浆
此 F， 水上
基 、 水下 基 及
重力式基
存
接。水下
基
接 后 导 基
接
，水下 基
要注意的
是，要保 达到
的
，木
套管不发生较大的相对
，同也是保证基础
风机长 运行的必要条件。水上
基础灌接
先
导
接
，但它的
部分位于水上，因此于 的施工与质量控
。重式基础分为
土沉箱式和重力基座式两
， 安装 程中 要 高
， 保基础结构在后期运彳了的
和安
全
。论是
基 ， 还是导 基 ， 多 基 以及重力式基础，从受力上，海上风机基础的灌浆 连接是
风
至地基基
上启下的关键
16
南方能源建设
第4卷
部位，从施工上，海上风机基础的
安装基 可
接设计与施工对于保证风
是衬垫材料优化荷载分布，需要注意其耐久性。
启后的关键工序，因此，容
常运行至关重要，其
是确保海上风电正常运行的必要条件。
4既有灌浆连接段病害及监测
接段的长
对于风电基础至关重、海水以及各种环境因要，连接 长 作用下， 生各种
和
退化，
直接
风电结构的安全。！#年 设计的灌浆连接
常未
键，对于大直径的 基础，这种连接形式产生了意想不到的竖向 问题。随着海上风电的大 兴建，
有
接段的病
害监测、健康诊 价技术研究具有重要的理论价值和现实意义。 海上风电还处于新兴
阶
， 于病害和监测的经验还非常匮乏，需要进一
步的研究。
对受病害 的
接段采用不昂贵和永久
的修复措施对未来的运营至关重要。
的
复 要 到海上施工的困难性，同还需状态和
状态下的
， 向的
向 ，以及由于 的
。有些 下需要
复后的结构与未损伤结构
的 当。因此，修复技术起主导作用，目前复技术可分为两类：
接的底部安装修复装
小 部
措施。
部 安装支座（图#($))，首先需要的
及防腐层，然后将支座 并
完全焊接好。 该部分位于水下，
要昂贵的
水下焊接 ，
的防腐蚀措施也应完善。支座
常由 向 接， 有 要， 水
平
也需添加，并
该是环向
的
。
部修复
，顶部复在安装及防腐上具
有较大优越性。与可 于水下的底部修复 ，
顶部修复施工质量及维护条件也更加有利。图# (b)图及（.图给出了可能的顶部组合修复方法。 可 结构上焊接栓钉并浇筑配筋 土的方式 ，也可在下部焊接 兼
做
。由
于 土的保护，不要额外的防腐措施，{J
土的 设计需参 。图#(.图
叉
，
优化
分配， 接式，需要
注意防腐及
问题，
要图12无剪力键灌浆段的修复方案[17]
Fig. 12 Repair scheme of grouted connection without
shear keys[17]
监
，德国海洋水文局（BSH)
建风
电 要对#〇的风电基础安装监测系统。英国风电
部门
接
病害后，也对在役风
基 监测。
接 常长达数米，对于
接 的监 ， 还 有可 的 。 大部
分
中是 接两端的相对 ，如套的水平和 向 对 。 对于导 和
结构形式，
接
常在水下20〜50 m。
还
有的 解 案， 公司 研发此类感器，如图#所示。由于恶劣的环境，夺 验显示还需要继续研究更好的系统。
图13相对位移测量装置示意图[18]
Fig. 13 Relative displacement sensors[18]
5结论
从直接对海油平台导
基础经验的拿来主
义，再到针对海上风电特点的创 研究，海上风
电的 促进了 技术的 。本文总结了海上风电
技术
、连接 型、工程
、病
害监测及修复多 的
，主要总结如下：
1 #针对海上风机基础灌浆的特殊需求和特殊施
工
，高
要具备大
、高早
，
第1期元国凯，等：海上风电机组基础灌浆技术应用与发展
GmbH， 2014.
[10]
17
度、高最终强度、高抗疲劳性能等特点，用水量和 温度是影响以上各项性能两个非常重要的因素。
2) 单桩基础与导管架基础的灌浆连接段是海上 风电基础中两类典型的连接形式，单桩基础的灌浆 连接段一般设计成带剪力键圆柱形或者无剪力键圆 锥形，其中前者应用更普遍；而导管架基础的灌浆 连接段一般根据导管架基础分类而不同。
[12]
3) 单桩基础与导管架基础的灌浆工程应用已经 KEIDORF C，SCHAUMANN P. Sandwichttirme fiir winden- ergieanlagen mit h/ herfesten stahl-und verbundwerkstoffen [J]. Stahlbau，2010，79(9)： 648-659.
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Found Ocean. Gwynt mor grouting the 160 monopiles offshore windfarm off tiie coast nortli wales [ R/OL ]. http： 3 [11]
比较成熟，单桩基础的灌浆连接段是传力的唯一路 径，导管架基础的灌浆连接段位于水下，不易检 查，因此，海上灌浆施工质量是确保海上风电正常 运行的必要条件。
4) 随着海上风电的大规模兴建，可以预见在不 久的将来，无论是材料研发、分析手段、理论与试 验水平、施工机械与经验等，我国海上风电的灌浆 技术水平将伴随海上风电的发展而取得长足进步， 促进我国海上风电灌浆技术在全球行业中占有一席
。
参考文献：
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