一、序言

　　當下開發可再生能源風靡世界，其中風電市場具有舉足輕重的地位。據知，英國規劃到2030前要將用電30%全部改為風電，其中主要是海上風電。如眾已周知：我國黨和政府高度重視風能的開發和利用。近年來，陸上風電已趨向飽和，開發海上風電則方興未艾。我國有1.6萬公里海岸線，其岸邊蘊藏有巨大的風能，據中央氣象局統計，近海水深5米至25米范圍的風電潛能有5億千瓦。按國家十三五規劃，海上風電計劃為開發1000萬千瓦。據知，已經批準的海上風電項目近600萬千瓦，而建成的海上風電僅約150萬千瓦。由此可知，開發海上風電具有誘人的寬廣市場，為完成十三五計劃，今后四年開發海上風電任務極為艱巨。

                 海上插樁式打樁船吊樁作業

　　現用的海上風電工程船（俗稱打樁船）是一種全新的海洋工程船舶，主要由起重機、船體、樁腿和樁靴、抱樁機以及升降系統等組成，主要用于海上風力發電的打樁作業、風機安裝和樁柱、樁錘等物料附屬設備的運輸?，F代風電工程船將起重船、海上作業平臺和運輸船、抱樁機以及生活供給船的各項功能完美地融為一體，便于出海獨立工作和工作人員持續近月余的生存。另外還裝有先進的動力定位系統和自動控制系統，操作靈活自如，可以獨立完成上述樁的安裝作業和運輸任務，全過程無需其它船舶協助。

                   現代打樁船的漂浮狀態

　　海上風電場施工難點之一是樁柱的安裝。將直徑3～8米重達500～2000噸甚至更大的樁柱用樁錘強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，因為抱樁機是安裝在船體上，因此要求船體在打樁全過程不能移動，過去曾用拋錨絞車等來穩定船體的辦法由于它是柔性系統，無法保證船體固定不動，不適用于風電打樁作業，早已被淘汰。當下可行之途有二，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浪涌襲擊下保持穩定，其二令打樁船的船體（其實為一中空浮體）“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插入泥中的小樁（無樁靴）保持水平方向的穩定。

　　由于船體座底后又引發一系列新麻煩（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定自身即所謂插樁式打樁船。

                 現代普便采用可抬離水面的插樁式風電安裝船 

　　二、插樁式打樁船的難題和缺點

　　由于開發海上風電,是近十年左右的事,比較年青因缺乏實踐,對不能迅速插拔樁是采用插樁式打樁船的一大難題，普便認識不足。因而已登埸和將要登埸的數十艘海上風電打樁船,無一不是插樁式。近年,當風埸上數十根樁需要迅速完成栽入任務時,若不能迅速插拔樁將嚴重影響生產率提上開發海上風電企業的議事日程。普便認識到它是這種安裝船自身無法克服的重大缺點。為了說明該點，先談談國內外廣泛采用的插樁式打樁船的作業過程：

　　如眾周知，目前，國內外海上風電裝置由于盛行用3～8米直徑、厚50～100毫米重達500～2000噸或更高的單樁柱插入海面泥中數十米（即所謂“打樁”），以支承海上風力發電裝置（重150～300噸）和承受風壓以及涌浪沖擊。打這種巨大的樁，如上己述，用錨和纜繩定位的傳統打樁船因自身不穩早已被棄用，新誕生的插樁式打樁船的特點是：自身也用樁腿插入泥中（調遣時拔出），并配有起重機和打擊力強大（200～400噸米）頻率高（30～50/分）的特殊樁錘，以及抱樁機等附屬裝備。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（不成文的規定；樁柱垂直度控制在3‰），必須穩定打樁船，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（軟質土壤條件下可能需20～30米）以承受其自重，并穩定它在水中的位置。

　　這種插樁式打樁船，雖能較好的實現打樁作業，但作業程序復雜嚴格，例如：總重達2萬噸大型風電工程船（包括外載5000噸），它每只樁腿插到位后，仍需經過加載“預壓”工序以保證它有高可靠的地基承載能力。每只單樁預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，這種設計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現，此時只能采用對角壓載的方法完成預壓（同時只壓兩只樁），對主船體結構提出很高要求，導致結構很厚重。而且樁靴必須座落在承載能力為80~100t/m2的硬質土層或者密實的砂層上，才能為船體提供有效支撐，這種優質的地基條件往往需要在海底以下數十米才存在，打樁作業完成后，再拔出被泥砂覆蓋的樁靴。這些工序必須一絲不茍認真進行，否則打樁過程船體將會出現地基穿刺，導致歪斜甚至傾翻大禍。要知道現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，樁靴上覆蓋的十幾米砂土重量會帶來巨大的下壓力，拔樁時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產生的負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，為消除負孔隙水吸附力和底部粘聚力，常常先要用高壓水沖樁，以聯通樁靴底部孔隙和外界海水，而在泥中插深較深時，外界水不容易補充進來，這種聯通更為困難。在特殊情況下，甚至可能沖不動樁。例如：每只樁腿視土質和需插入深度，(20米左右)，通常其插入力需2000～3000噸，然后需加1倍于插入力進行“壓樁”作業（視土質需保持12～24小時），如果碰上粘性土壤產生粘附力吸注樁靴，常使拔樁力遠大于壓樁力。有時，千方百計仍拔不出，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。

　　還應提到：插樁時，船體本身重量（即便加水）往往不足同時壓四只樁以完成預壓載，這時，如上文已指出，常使用對角壓載（同時只壓兩只樁），則對船體結構強度提出很高要求，增加了船體結構重量。拔樁時要借用船的浮力，只能一只一只的進行。這些作業耗時久又費力，若不順利時，插拔需數日、1～2周，甚至更長。

　　總之，樁靴是插樁式打樁船不可缺的。既是重大關鍵又帶來麻煩。公正的說：這種具有龐大樁靴結構的插樁式打樁船，雖能完成任務，因需插、拔、壓、帶有樁靴的樁腿，既費力又需不少時日，大大降低它的整體效率（如作業順利，平均每打一根樁約1周左右，其中插拔壓樁約占1/2以上時間），現代大型海上風電場，常需70～100座風電塔，如只一艘打樁船作業，僅打樁要1～2年始能完成，若能提高效率，對于加速風電場建設，具有重大意義，對某些特殊土質，因怕拔不出帶有樁靴的樁腿，甚至視為畏途，不敢承接作業。因此，如何迅速插拔樁靴成為發展海上風電采用插樁式打樁船的一個待解課題。

　　在舉國上下一派創新熱潮的鼓舞下，上海振華重工公司發揚一貫敢于創新，敢于擔當，敢為世界先的大無畏精神，積極研發設計了取消樁靴，提高作業工效（提高工效至少一倍)，增大市場競爭力，從而增加企業效益的舉世無雙的“座底抬升式海上風電打樁船”,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專家、海上風浪涌方面專家、曾設計海上座底建筑物的專家等，結合我公司曾設計制造了多艘插樁式打樁船的經驗，設計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計進行論述和說明，是一份待再次修正稿，聆聽領導、專家和對此感興趣的朋友指教、評議。然后再進行工作圖紙繪制。某些技術細節，因涉及專利保護，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性能參數。

            新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數

             新型座底自升式打樁船的外形示意圖和基本參數

                  新型無樁靴的座底自升式打樁船的座底狀態示意圖

         新型座底自升式打樁船繼承了傳統插樁式打樁船全部功能并實現了其技術參數，從外觀上看它們的差異是：取消了樁靴和增加了下浮體。在漂浮狀態時，下浮體收入船體之內，可以短程調遣也可以拖帶遠航如圖4所示，在工作時，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、浪、涌對它的沖擊。

　　目前世界盛行用單樁柱支承發電裝置。單樁柱大約在800～2000噸左右，(各別有超過2000噸)。國內目前，則不超過1000噸，估計，在若干年內國內會出現超過2000噸重的大樁柱，本座底船起重量視幅度可達2000～2500噸，其它技術各參數：如可在水深10～50米下工作，有動力定位裝置可調遣移動，有3000～4000平米置物面積，有供100人的生活條件，以及直升飛機平臺等等，請見示意圖所示，這里不再贅述。其技術參數，完全滿足國內外市場需要。在十年內不致落伍。

　　        新型無樁靴的座底自升式打樁船的座底狀態示意圖

        從示意圖上看，它與傳統插樁式打樁船完全相同，用安有齒條升降機構的四只直徑約4米的樁腿將上船體與下浮體聯在一起，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沾泥砂，對齒輪驅動機構將起良好的保護作用，再經特殊熱處理，基本可實現與整機同壽命。

　　獨具特色的下浮體，如下圖所示：

　　                              下浮體構造示意圖

         它的主體由一排管狀中空浮體構成，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，兩側和尾部浮箱提供約3000噸浮力。由此，總浮力可達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，內部有環形筋，按受壓容器校核，安全系數不小于3。

　　根據初步計算,中部五只浮體,是中空完全封閉,即提供浮力,而兩側水箱,可以吸排水（總體積約5000方左右）,根據需要,每次調控水量不過1000～2000方,不需消耗多少能量。

　　在浮體側有8只抗滑移無靴小樁腿，長約6米插入泥中作為防止移動承受水平力的補充。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深度的結實土層上，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，前者無法調節土上的承壓載荷。而后者則可通過調節浮力調節座底浮體對土壤的壓載，有利適應不同的土壤條件。

　　四、座底式打樁船的優點

　　必須指出：本“座底自升式打樁船”的突出優點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，也是本設計有別于過去所謂座底打樁船的重大區別。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不宜進入有暗流和涌浪等水域作業,此為它因適用性狹窄以至不受歡迎得不到發展的重要原因。

　　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）。首先談談有無樁靴的優劣。插樁式打樁船每根支承樁的底部均安裝有樁靴（見圖8）它的作用是擴大支承面積，以支持打樁船高達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。

                 傳統樁靴示意圖　

　    由圖上可以看到，插樁式打樁船的傳統樁靴，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？其實不然，因為座底物是個具有巨大排水量的中空浮體（見圖7），從某個意義上說，是這個浮體承受著打樁船的大部分自重（本設計下浮體其排水量共達15000噸以上，四根樁柱仍有近2000噸浮力未計），船的自重減去浮力剩余的重量，才是壓在泥面上的力。調節浮體內水量，就可調節其對泥面的載荷。即是泥面上并沒有承受船的全部自重，而是部分分載荷，它視不同土質的承壓能力可予以調節。

　　座底打樁船取消了插拔困難的樁靴：首先是“打樁”作業全過程，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節，因而能適宜各種土質，特別是軟粘土甚至淤泥土質條件的打樁作業，即對海上風場作業不同土壤的適應性強。其三是樁腿上無樁靴，也不需對樁腿端的樁靴預壓（尤其是對角預壓載），不只減小了作業時間，也取消了為預壓而加強船體結構，簡化了船體結構。綜合各項優點，其生產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濟效益。

　　五、打樁船座底后產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，大大提高了作業效率。但也產生一些大小問題。這是前人曾有過座底的構想，但由于種種原因，至今未見一艘實用的可與插裝式打樁船媲美的座底打樁船問世（如前已敘,個別只座底能否實用尚不知，但如本設計用腿抬起船體離開水面，可防風浪涌沖擊，與插樁式類似的打樁船世界上是沒有前例的）。

　　發展海上風電，提高打樁船終工效是個巨大需要，推動我們研發設計了“座底抬升式打樁船”，我們與海工領域的有關專家共同研討取消樁靴座底后可能遇到的問題，應用國內外技術進步帶來的新手段，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展海上風電服務。

　　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構物座底并不乏有，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。為此，本公司鄭軼刊博士和上海交通大學葉冠林教授（土力學專家）進行了大量調研，總結寫出針對本項目特點，具有指導設計意義的論文。

　　經研究，我們的設計指導思想是首先解決好3個主要載荷的問題，然后處理幾個伴生問題：

　?。?）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，這是座底成功的關鍵。為此，首先要掌握清楚座底垂直載荷的大小和變化規律，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，此座底力應可調節，以適應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成如下：

　　a. 座底船上船體總重：船殼體、甲版機械、起重機、人員寢室、直升飛機平臺、動力機組等：共約1萬噸。

　　b. 攜帶可變載荷（樁錘、樁柱、風葉、燃油等）5000噸。

　　c. 樁腿與下浮體以及浮沉和伸縮齒條機構等：5000噸。

　　以上共計2萬噸，如何承受這兩萬噸垂直載荷？

　?。˙）水下不同泥層的承載能力

　　按上述專題研究論文的結論，由表1可以看出，在較差的淤泥質粘土（剪切強度Cu=15kPa，在海上風場中屬于很軟的地質條件）中插深達2米時，每平方米可承受五噸載荷（計算己考慮了地基同時受到垂向載荷和水平載荷時的垂向承載力衰減。同時使用了2倍的安全系數，達到長期座落在海床上的固定式平臺基礎要求，遠高于普通自升式平臺1.3倍的安全因子）。實際上，很多風場表面為粉砂或砂土，例如如東表面粉砂內摩擦角達到25°～30°，其垂向許用承載力可達45 t/m2～90t/m2。本船設計水下著泥面積為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1萬噸?？紤]到抗傾穩性要求，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。本估算為極限情況，事實上因可變載荷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，力矩產生偏載），遠小于其極限承載力10.17噸，即安全系數不小于2.0，足夠安全。

　?。–）小結

　　總之，在正常但偏軟的土層上（由分析可知，大多數海上風場水下表土層的承受能力大于淤泥質粘土的情況），給予泥層1萬噸垂直載荷是安全的，即浮力和座底載荷，各承擔一半總載荷。對不同土質，只要改變浮力（使座底載荷剩為1/3或1/4），即可調整座底力，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

　?。?）如何抵抗水平載荷？

　　在允許作業條件（6級風速）下，由于風、浪、涌和水下“流”等產生的水平力，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，經理論計算和海上實際驗證，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）此水平力是開發此座底式打樁船能否成功的關鍵之二？我們的對策：

　　其一是：雖取消了樁靴但又設計了八只無靴的抗滑移樁。每根小樁若從材料的抗剪強度考慮可承受水平載荷達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。在較軟的淤泥質粘土（剪切強度Cu=15kPa）中，每平米極限抗剪能力約10噸，6只樁共935t。在其它地質條件下，抗滑移能力更強，極限抗滑移能力甚至達到2500t（見表），足可抵抗風、浪涌和水下“流”產生的水平力。此外，這6只抗滑樁并可承擔部分外載產生的不平衡力矩。

　　其二是：該船座底后根據不同地質條件可調整其座底壓力（調節浮體存水量，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）產生的阻力阻止打樁船的水平滑移。按照理論計算，淤泥質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，以上兩項措施，有其一即可保證座底船工作時，不會水平移動。

　　       不同土壤條件極限抗滑移力

　　插深達1.5米時，每平方米可承受十噸載荷。本船設計水下著泥面積為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（己有安全系數為3），則泥面共可承擔1萬噸。垂直載荷的其余部分(最大1萬噸)由浮體承擔。本估算為極限情況，事實上因可變載荷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（包括因力矩產生偏載），遠小于其可允許承載10.13噸，即安全系數不小于2～3，足敷安全。

　　總之，在正常但偏軟的土層上（由分析可知，大多數海上風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（根據土質情況，并利用齒條機構向下施加作用力，座底力可增加到3萬噸)，對不同土質，只要改變浮力，即可調整座底力，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。

　?。?）如何承擔外加傾覆彎矩？

　　首先要強調指出：力矩會影響垂直力的分佈，但不會增減垂直力的數值。如圖所示。

                 座底平臺地基在某個力矩影響下垂向壓力的分布

　　在吊樁柱時，打樁船要穩定，不因泥面無法承受此巨大的力矩發生傾斜？此彎矩有兩個來源：其一是起重機吊樁柱時產生的彎矩（雖被下浮體調整壓載后，但有剩余）。其二是上船體在風浪涌作用下，對下浮體的力矩。

　　如周知，當起重機吊一根2000噸的樁時，若幅度達25米，僅對起重機的旋轉中心（假設此心基本在船質心的縱向沿長線上）將產生5萬噸米的傾復力矩，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？是開發座底打樁船能否成功的另一個關鍵，我們采取了如下幾項措施：

　　其一是：采用菱形的上船體（國外已有類似結構，見圖10）并將起重機置于船中菱形頂點的繞樁位置（見圖10）。這時，起重機成為國內外經常采用的所謂的“繞樁式起重機”。這種布置的優點：首先是吊樁柱時，外載重心距船體質心最近（也可說起重機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力矩（否則，將大大超過上述的6萬噸米）。其次是樁腿不會干擾起重機吊臂，擴大了甲板可用面積（可達到3000平米或更大），作業方便。其三是當放下起重臂調遣或拖航時，在船長方向，內得到較好的支承等等。

                     國外菱形布置風電打樁船示意

　　其二是：采用反向預加載荷系統。即根據事先知道的需吊的樁柱的重量、幅度等，預先配置好近似目標彎矩一半的反向載荷（通過對下浮體內各水箱注水排水），即令其產生反向力矩以平衡部分吊載時的力矩，特別應指出：這時，因預加力矩的作用，下浮體對泥面的壓載也產生變化，（即此力矩不改變總壓載數值，但改變它的分布），經校核，即不同案例均在允許值之內(本案例不超過5噸/米平方)。

　　其三是：采用了實時動態配水調節裝置，在打樁船上裝有計算機管理的配水調節系統，它可以根據起重機起吊、卸載、旋轉的需要，調配下浮體前后、左右水箱內的水，使打樁船保持動態平衡，本措施與其二不同之處是：前者粗調，目的是預先減小部分載荷，本措施是精調，而且當起重機起吊作業時才開始工作，根據起重量和旋轉角度進行實時調節，而不是預先實施。這樣也可避免采用大的吸排系統。

　　其四是：利用座底面積產生平衡力矩，平衡外載荷產生的力矩（即上述的6萬噸米中平衡后剩余的部分及風浪流等環境載荷產生的力矩）。當座底面積達3000平米，在淤泥質粘土（剪切強度Cu=15kPa）每平米可承壓5噸。當受到8000噸垂向載荷和6萬噸米彎矩作用時，最大壓力不超過5t/m2。

　　其五是：對于特惡劣的土質條件（剪切強度Cu值小于15kPa時），應采取以下保護措施：

　　（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節時，起吊傾復力矩為3.5萬噸米左右）。事實上在這種超軟近似新淤泥的土質上，不會設置大的風電塔，也不可能有大且重的樁柱。

　?。˙）可適當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。當淤泥層較厚時，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進一步提升，而且一般情況下淤泥本身的抗剪隨著深度的增加也會有所增加。

　　必須指出，對付外力矩，本設計的要領是雙重安全保護。下浮體的水系統，已基本可以平衡外載力矩，座底和幾只小樁是第二層保證，以適應千差萬別的不同土質。

　　由于座底式打樁船是個新生事務，特別是海下泥層千差萬別，因之在針對上述三個主要問題給予對策之后，我們也研究并回答了幾個伴生問題

　　（1）在下浮體座底后，微沉入泥中，下浮體是否照舊存在浮力？

　　按照土力學理論，平臺下浮體座底后浮力是存在的，原因是海底土壤內部實際上是由土顆粒和空隙組成的，內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，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。該結論為土力學最基本的結論之一，得到了大量文獻和試驗的驗證。因此，該平臺在座底時，下浮體可提供足夠的浮力來減輕座底時海底的壓力。

             土壤的三相組成示意

                    海底靜水壓力分布

　　（2）作業完成后如何脫底上??？

　　所有與海底土壤接觸的結構在上拔時受到海底吸附力的作用，座底船亦然。但有所不同，因為收攏下浮體時，上船體已沉入水中，全船重量皆由上船體的浮力承擔，泥層的粘滯力和瞬時局部真空等阻尼作用一般遠小于浮體的上浮力，只要排水，浮體可產生1.5萬噸巨大浮力即可令下浮體脫離泥層的約束上浮。但也可能有個別情況，即遇到粘滯力特別強的“黃泥巴”土，這時可通過本船備有的高壓沖樁系統沖水，或利用四只腳上齒輪系統增加上拔力等措施仍會順利解決。

　?。?）如何保持下浮體剛性？

　　本座底船的由鋼管構成的下部浮體是個長約70余米，寬36米，高8米的長方形，具有足夠大的剛度和強度，其受載后的變形在允許范圍之內，己另作校核。由于海底情況復雜，本設計接地面積3000平米是理想情況，實際接觸隨時間多少有個調整過程（水中泥受壓后會流動）由小而大再趨于穩定。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，下浮體在結構上作了使浮力和載荷較均勻分布措施等等。

　　（4）如何適應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向約束，只可作伸縮運動，而下端則用鉸接與下浮體相連如圖。

                 樁腿球鉸安裝示意圖

　　目前揷樁式風電的安裝適用于50米以下的水深，風場位于濱海大陸架以內區域，外圍深度小于200米。根據資料，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斜度不會很大。即便如此，該船設計時仍然考慮了坡度的影響，在樁腿和下浮體連接處創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成，剛性極強，不足懼。

　?。?）如何減少齒條傳動機構摩損，延長使用壽命？

　　這是個凡采用齒條傳動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機構不似插樁式并不伸入泥中，因而齒面干凈，永不會出現因帶泥砂而研磨齒面，加之，我們在齒條設計、熱處理和潤滑方面均采取特殊措施，力爭這個系統與整機同壽命。

　　（6）如何調遣到海上風場的固定樁位？

　　座底船雖由上船體和下浮體兩部分構成，但調遣時，下浮體收入上船體之內，與一般航行船無異。按DP2的要求，本機裝有4+1只舵漿，2只在前3只在后。每只功率1500KW 它的強大能力可以保證在允許作業的風速（六級風）和浪高（1.5～2米）情況下，自行駛至海上風場的下一個樁位。

　　（7）如何對待惡劣天氣？

　　如眾周知：海上航行船在作業時，遇到惡劣天氣的傳統作法是移泊到錨地，順風拋錨等候天氣好轉。即便己?？看a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

　　正是它的另一個優點。

　?。?）如何處理暗流“沖砂”。

　　座落在某些疏松沙土上的不規則建筑物,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生大事故。

　　由于“掃海”時,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,它可有效保護承載面上的砂,不致被沖走（見下浮體構造圖）。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”，但當下浮體收入上船體之后,它凸出于下浮體之外,在完成一個風埸作業需轉移時,可將它拆下,以減小拖航阻力。

　　同時加強管理,因這時剩余座底力不大,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“座底自升式風電打樁船”,是振華重工總結了生產多艘插裝式打樁船的經驗,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尚需繼續完善，歡迎業內領導專家指教交流。

（來源：上海振華重工）