1.3 灌浆的工程应用

1.3.1 海上风电场的灌浆

海上风机基础与上部结构连接有三种方式，即螺栓连接、锻造连接以及灌浆连接。

1．螺栓连接方式

螺栓连接主要用在无过渡段的单桩基础上，旨在取消过渡段，在单桩顶部设置法兰，直接与塔筒的法兰进行连接，两个法兰之间通过设置调平构件进行调平，从而避免了采用灌浆方式，但螺栓连接方式对单桩的沉桩精度要求非常高，在打桩过程中法兰处容易被锤击破坏，为避免桩内附属构件在打桩过程中被损坏，桩内附属构件需到海上后安装，这种方式在国内外一些浅海风电场中得到应用，图1-12所示为无过渡段单桩基础螺栓连接的法兰盘及剖面图。

采用螺栓连接的单桩基础具有一定的应用前景，但它对打桩精度的要求非常苛刻，需要采取有效的调平方法，对打桩偏差过大的情况进行纠偏。同时，打桩过程中要对法兰盘进行保护，以免锤击造成法兰盘的破坏。打桩过程产生的强烈震动会使焊接在钢管桩上的次要结构及其支座产生打桩疲劳，甚至裂缝开裂，局部微裂缝会对运行产生隐患。此外，采用螺栓连接方式的单桩基础的次要结构如J型管、靠船构件等需要后续在海上进行安装，一定程度上增加了海上作业的时间，宜采取整体吊装方式。

2．锻造连接方式

锻造连接是一种利用锻模将钢管桩锻压加工成形的机械连接方式，在英国Beatrice示范海上风电场应用过。在该项目中，钢管桩沉桩完毕后，导管架基础下放并调平，确保配套的凸缘是平整的，在钢管桩与导管架套管紧固前，采用一个锻压加工过程，使得钢管桩的一部分完全嵌入到套管的凹槽中，形成紧密的机械连接，如图1-13所示。

3．灌浆连接方式

灌浆连接方式与螺栓连接方式和锻造连接方式相比具有较大的优势，这种连接方式已成功应用于国外很多海上风电场，成为一种使用最为广泛的连接方式。灌浆连接的优点有：①容易控制沉桩及风电机组安装的误差；②最大限度地降低灌浆材料、桩及套筒/连接件的疲劳损伤；③避免法兰连接方案中，由于往复荷载导致的主要构件（如法兰）的疲劳破坏；④灌浆连接避免了水下焊接作业或潜水螺栓作业；灌浆材料一般为水硬性材料，水下施工方便。研究表明，采用灌浆连接方式可以有效地减小钢管的弯曲变形，灌浆材料可有效地防止海水对钢管的腐蚀，增加节点的承载力。

1.3.1.1 单桩基础的灌浆

单桩基础与过渡段通过灌浆连接已成功应用到许多海上风电场中，例如Utgrunden I（瑞士）、Horns Rev（丹麦）、Samsoe（丹麦）、Rhyl Flats（英国）以及North Hoyle（英国）等，单桩基础及其灌浆连接是目前全球海上风电应用最成熟的基础与连接方式，单桩基础灌浆连接段位置效果图如图1-14所示，单桩基础灌浆连接段示意图如图1-15所示。

世界第一座大型海上风电场Horns Rev Ⅰ及后续的Horns Rev Ⅱ均采用的是单桩基础和灌浆连接段的方式（图1-16）, Horns Rev Ⅰ项目中的单桩与过渡段重叠部分（灌浆连接段）的长度为6.0m，环向空间的灌浆厚度为80mm，过渡段上事先安装好靠船构件、J型管以及底法兰等，将自升式平台（Jacket-up）紧靠着钢管桩定位，然后在其上进行安装、调整以及灌浆连接过渡段与钢管桩。

Horns RevⅡ海上风电场水深7～17m，共包含91台风电机组单桩基础与1座海上生活平台。单桩不仅在过渡段与钢管桩采用的是灌浆连接，过渡段与混凝土平台也是采取灌浆连接。当过渡段建造完成后，起吊混凝土平台放至过渡段的上部，缓慢将该平台插入过渡段内，两者之间形成环向空间，事先在平台设置密封圈，防止浆体泄露，通过灌浆充满环向空间，两者形成紧密的连接。单桩基础采取灌浆连接非常高效，本项目部分基础12h即完成所有灌浆施工。

Samsoe海上风电场位于Kattegat海峡的丹麦Samsoe区域，本风场建设有10台风电机组单桩基础，其灌浆连接段（图1-17）的长度为6m，灌浆的环向空间间隙为110mm。该海域有冰荷载的作用，在水线附近，设置了一个抗冰的锥形体。

Gwynty Môr海上风电场位于爱尔兰海的利物浦湾附近，离北威尔士海岸约20.92km，共建设有160台单桩基础，水深跨越较大，介于12～28m之间，是当时欧洲最大的海上风电场项目，建成于2014年。本风电场中，灌浆管线的端口位于过渡段的甲板上，在船甲板上通过灌浆的软管将灌浆料输送至主要灌浆管线的端口上进行灌浆，灌浆的混合速率比较高，达到6m3/h，大大提高了灌浆施工效率。

West of Duddon Sands海上风电场位于爱尔兰海，总装机容量为389MW，共108台风电机组，单机容量3.6MW。灌浆管线固定在过渡段上，在船甲板上，通过一个可伸缩杆，灌浆软管固定其上，将软管与浆接口相连进行灌浆，如图1-18所示。本工程部分灌浆非常迅速，包括单桩安装、过渡段调平以及灌浆在内，总时间为8.8h，灌浆的混合速率更是高达12m3/h。

由于单桩基础的灌浆连接段是传力的唯一路径，而且没有冗余度，一旦灌浆连接段出现失效或者缺陷，直接影响风电机组的运行和使用寿命，因此，对单桩基础的灌浆连接设计、施工以及材料都提出很高的要求。

1.3.1.2 导管架基础的灌浆

导管架基础与钢管桩通过灌浆连接也已成功应用在一些海上风电场项目中，导管架基础不仅可作为风电机组的下部基础，在海上升压站的设计中也广泛采用，例如Alpha Ventus（德国）、Belwind Demo（比利时）、Thornton Bank（比利时）、Walney（英国）以及Ormonde（英国）等，因其稳定性与可靠性，导管架基础及其灌浆连接也是目前全球海上风电应用比较成熟的基础型式与连接形式，导管架基础的灌浆连接段位置效果如图1-19所示。

导管架基础的灌浆连接段构成与单桩基础圆柱形灌浆连接段类似，但又有一些不同。由于钢管桩和导管架的施工顺序的不同，导管架基础分为后桩法导管架与先桩法导管架，两类导管架基础灌浆位置对比如图1-20所示，同样，其灌浆连接段也存在差异。

先桩法导管架采用安装模架定位后沉桩，然后进行导管架基础整体吊装，吊装前先进行导管架调平，再将导管架支撑腿端部插入钢管桩，或先放下导管架再通过液压手段调平，最后进行水下灌浆，连接导管架和钢管桩。后桩法导管架基础结构型式是在导管架支腿末端设置桩靴，进行海上施工时，先进行导管架吊装，通过桩靴定位把钢管桩打入海床，然后进行灌浆，连接导管架和钢管桩。

Ormonde海上风电场是欧洲第一座采用导管架基础的大型商业化风电场，位于爱尔兰海，总装机容量150MW，单机容量5MW，共30台风电机组，还包括1座海上升压站，其基础型式也为导管架基础，即共有31座四桩导管架基础。所有导管架基础均为先桩法导管架，安装时将4个主腿插入到预先打好的钢管桩内，每个腿上均有1根主要灌浆管线和1根次要灌浆管线，灌浆管线的接口位于过渡段平台上。灌浆施工时，往灌浆管线中灌浆来填充环形空间，同时在钢管桩桩顶观察浆体溢出的情况，至少要比理论灌浆量多灌10%以保证环形空间中灌浆料的质量。本工程的混合与泵送速度为0.3～0.5m3/min。

Thornton Bank海上风电场位于比利时，是比利时北海第一个海上风电场，水深为12～27m。本风电场分三期建设，第一期为6台5MW风电机组重力式基础，后两期为48台6.15MW风电机组导管架基础和1座海上升压站。导管架每条腿上有3根灌浆管线——主要灌浆管线、次要灌浆管线以及三级灌浆管线。前两种灌浆管线位于中间的休息平台上，后面的灌浆管线位于导管架腿柱与钢管桩桩顶接触的位置。在正式灌浆施工前，需在船甲板上摆设好灌浆软管。Thornton Bank海上风电场灌浆施工如图1-21所示。

Samsung的7MW风电机组是当时全球单机容量最大的风电机组，工程场址水深30m，下部基础采用导管架基础型式。该工程的灌浆分两个工作部分：第一部分，由于海底覆盖层浅，钢管桩为嵌岩桩，首先将钢管桩插入30m深预先钻好的岩孔里，然后通过灌浆软管往环形空间中灌浆，通过连续的灌浆，确保灌浆质量；第二部分，待嵌岩钢管桩施工完毕后，再对钢管桩与导管架腿柱中间的环形空间进行灌浆，同理，确保灌浆的连续性，通过在桩顶处观察浆体的溢出情况来判断灌浆施工是否结束。

该项目建成后，通过一个栈桥连接陆地，可允许游客登上基础进行参观，栈桥的基础以及连接也采用了灌浆的形式。Samsung的7MW风电机组导管架基础，如图1-22所示。

Walney海上风电场的海上升压站采用四桩导管架基础型式，水深30m, Walney海上升压结构如图1-23所示。海上升压站导管架基础与海洋石油平台的导管架基础型式相似，先安装导管架基础，再把钢管桩通过桩套管打入海底。

Walney海上风电场工程中钢管桩外径1829 mm，桩套管的内径1990mm，如此形成一个环形的空间，每个环形空间的底部设置一个双层灌浆密封圈，阻止灌浆料的泄露，每个桩套管上设置有主要灌浆管线与次要灌浆管线，通过灌浆管线进行灌浆。Walney海上升压站导管架基础灌浆施工如图1-24所示。由于海上升压站结构没有很强的动荷载，主要以重力荷载为主，因此在灌浆材料的选择与搅拌的用水上没有风机基础要求严格，该工程海上升压站导管架基础选择的灌浆材料最终强度将近80MPa，采用海水进行搅拌。

导管架基础的灌浆连接段是传力的关键路径，与单桩不同的是，其冗余度较高，但是，导管架基础的灌浆连接段都在海床处，不易于巡检，因此，其施工质量不容易得到有效控制，需采取有效的防护措施来进行质量控制，保障结构的耐久性。

1.3.1.3 其他基础的灌浆

除上述单桩基础和导管架基础两种常见与典型的基础灌浆外，水下三桩基础、水上三桩基础以及重力式基础等都存在灌浆连接。

1．水下三桩基础

水下三桩基础灌浆连接段与后桩法导管架基础灌浆连接段类似，其位置效果图如图1-25所示。水下三桩基础的灌浆需要注意：应确保浆体在达到规定强度的时间内，桩顶与桩套管不发生较大的相对位移，这也是保证长期稳定运行的必要条件。

为了测量到灌浆连接段在短期与长期的变形，在Alpha Ventus的海上风电场建设中，其中有一台水下三桩基础安装了测量相对位移的设施。水下三桩基础灌浆连接段相对位移测量如图1-26所示。

2．水上三桩基础

水上三桩基础灌浆连接段与先桩法导管架灌浆连接段类似，但它的灌浆部分位于水上，因此便于灌浆的施工与质量控制。

3．重力式基础

重力式基础分为混凝土沉箱式和重力基座式两类，其在安装过程中都需要采用高强度灌浆料进行灌浆，以保持基础结构在后期运行的稳定性和安全性。

目前，海上风电机组塔筒与重力式基础的连接主要有两种方式：①塔筒插入到重力式基础中；②在预制基础中预埋连接杆，通过法兰将塔筒与基础连接。对于插入式的连接方式，首先将塔筒插入到重力式基础预留孔中，通过调平固定后向塔筒与预留孔之间的环形空间灌浆。对于法兰连接方式，在基础结构放置稳定后，需要对预埋塔筒连接杆件及法兰进行垂直度调节，调平后通过第二次灌浆实现对调平位置的固定。重力式基础在多向复杂荷载作用下会发生应力变形及抗力作用，在通过二次灌浆后对其受力起缓冲作用，结构更加稳定。图1-27所示为重力式基础二次灌浆位置效果图，重力式基础法兰连接灌浆步骤如图1-28所示。根据图1-28所示步骤，预先对法兰调平后再进行灌浆，便可确保风电机组杆塔安装后的垂直度。

重力式基础地基必须有足够的承载力支撑基础结构自重、使用荷载以及波浪和水流荷载，在施工前首先要进行疏浚作业，需将基础安装点的表层土清除至满足设计强度后抛石，再进行地基灌浆作业，并将重力式基础放置于灌浆材料之上进行固定以提高基础的抗滑、抗倾稳定性，然后再对基础进行抛石保护，图1-29所示为地基灌浆施工示意。越来越多重力式基础并不需要这一步灌浆，直接将基础放置在处理好的基础海床地基上，这取决于具体的重力式基础构造形式。

重力式基础在丹麦近海风场的应用比较广泛，表1-9为几个典型应用情况。

图1-30给出了几种基础型式的灌浆连接位置。无论是单桩基础还是导管架基础，或是多桩基础以及重力式基础，从传力途径上看，海上风机基础的灌浆连接段是传递风电机组荷载至地基基础承上启下的关键部位，从施工上看，海上风机基础的灌浆是钢管桩沉桩与安装基础承前启后的关键工序，因此，灌浆连接设计与施工对于保证风电机组正常运行至关重要，其可靠性是确保海上风电机组正常运行的必要条件。

1.3.2 海洋石油平台的灌浆

海洋石油平台的基础一般为导管架结构，导管架按腿柱对应桩的数目可分为四桩导管架、六桩导管架以及八桩导管架。以八桩导管架为例，一般腿柱与桩的布置呈正方形或矩形。在桩基施工时，腿柱可作为打桩定位和导向，保证打桩精度和质量，并使各单桩有机地连为一体；另外，导管架作为支撑结构的一部分可以增加结构抗倾覆力矩的刚度，提高结构的整体稳定性；而且导管架作为平台与海床的连接通道，一些附属设施，如隔水套管、防腐系统等可以用导管架作为支撑；在导管架结构上安装靠船设备，还可以停靠工作船等。海洋石油平台结构通常在导管架腿柱（或套管）与桩之间的环形空间内进行灌浆，通过灌浆连接将平台荷载传递给钢管桩。某石油平台导管架基础灌浆连接段示意图如图1-31所示。

无论是浅水导管架基础，还是深水导管架基础，钢管桩与导管架的桩套管之间都以灌浆进行连接，尤其是我国渤海的石油平台，灌浆连接段往往还会增加结构刚度和抗冰能力。

以我国某海洋石油平台工程为例，在导管架调平以后，要通过在裙桩与套管之间的环向空间灌注水泥浆，把裙桩和导管架永久地连接在一起。导管架灌浆系统包括封隔器组合件、灌浆管线和封隔器气胀控制管线等部件。导管架裙桩与套管之间的环向空间厚度为50.8mm。为保证桩的垂直度并保护封隔器的气囊，裙桩套管上下两端的内壁各设置8块扶正块。根据结构设计规定，水泥浆的设计强度为34.5MPa，灌浆段长度为8.7m，套管内壁和桩外壁均焊接一系列环向剪力键。剪力键的高度为8mm，宽度为16mm，间距为300mm。为保证灌浆的均匀性和可靠性，每个裙桩套管上均有主、副灌浆孔，主灌浆孔在正常状态下使用，副灌浆孔为应急备用灌浆孔。

由于灌浆工作在水中进行，水泥浆受海水作用，导致其黏结力要小于陆上的设计强度。根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法 工作应力设计法》（API RP 2A-WSD）的规定，水泥浆试样的28d龄期无侧限抗压强度不应小于17.25MPa。因此，海洋石油平台基础中，灌浆材料主要以普通水泥浆为主。但随着裙桩在深水导管架中的广泛应用，为了节省裙桩导管的长度，应尽量采用高强灌浆料。

下面介绍几个采用高强灌浆料的工程案例。

Bubut水下三桩基础平台位于我国南海80m水深海域，离Bubut油田约8km，文莱壳牌石油（BSP）要求给平台的三桩导管架基础进行灌浆，加强三桩结构。该工程先使用水下摄像机确认需要灌浆的位置，然后注入双组份发泡聚氨酯设置一个临时灌浆塞，接着用一种高强灌浆材料进行初步灌浆（计算好用量），并固化24h形成灌浆塞，然后使用另外一种强度更高的高强灌浆材料用于结构灌浆。

2010年10月，TL Offshore Sdn Bhd公司要求给安装在砂捞越外海的四桩导管架灌浆安装，业主为砂捞越壳牌有限公司。该平台设在我国南海水深约为92m的海域。在灌浆工作准备过程中，灌浆专业工程师发现有一根套管上的阀（水下）有泄露，于是专业工程师先在这个位置灌入了高强灌浆料，并固化24h，使之成为一个灌浆塞，然后进行正式的结构灌浆工作。

印度石油天然气公司（Oil Nature Gas Corporation, ONGC）在孟买较远海域进行石油天然气的勘探与开发。作为对该领域重建计划的一部分，Punj Lloyd印度公司签约安装各种采油平台，这些平台大多数是由裙桩支撑的四桩结构。在安装这些平台过程中，有一个平台在打桩过程中遇到阻力，桩上的剪力键并没有达到裙桩的预期深度，由于这部分缺少剪力键，此处的连接就成为了普通的套管连接。按照设计标准计算，采用普通灌浆材料，无法达到所需要的连接强度。为此，采用了高强灌浆产品进行灌浆，以确保连接强度。

1.3.3 灌浆的其他应用

灌浆材料在海洋工程的其他领域也应用广泛，例如文献[33]中提到，可将灌浆螺栓套筒夹的形式用于连接两直径相同或相似的钢管，以起到修补或者补强导管架结构的作用。文献[34]同样提到使用在钢管节点中灌浆的方式加强导管架的圆管节点，如图1-32所示。文献[35]则重点研究了用浆体填充补强的圆钢管T形节点的应力强度因子计算问题，图1-33所示为K形节点的灌浆补强。除了通过灌浆修复夹的方式进行补强外，还可直接对导管架基础钢管内部填充灌浆材料进行灌浆，如图1-34所示。

另外，文献[36]及文献[37]中都针对运用灌浆套管结构修补输油管道的问题进行了相关的数值模拟。在海底管线的运行过程中，由于海床的变化，部分海底管线会出现悬空，在这种情况下，可通过水下灌浆作为海底管线的支撑（图1-35），对于深海，灌浆过程还辅以水下机器人（ROV）进行实时监测。同理，海上风电场基础的J型管出口处的防冲刷也可以采用水下灌浆对海缆进行固定，防止海缆在水下随水流晃动引起疲劳问题。

同样，在非近海工程领域，灌浆段的应用也十分广泛，最具有代表性的是如文献[38]中所描述的对损伤焊接悬臂钢结构广告牌的修补，文中研究显示采用灌浆连接方式与焊接结构相比疲劳循环次数提高了近10倍，证明了灌浆连接方式具有良好的抗疲劳性能。