海上風電最早始于歐洲，1990 年在瑞典 Noger-sund 安裝了世界上第一臺單機容量為 220 k W 的海上風電機組; 1991 年，在丹麥 Vindeby 建設了世界上第一座商業海上風電場; 十年后，2001 年世界第一座大型海上風電場 Horns Ｒev 也在丹麥建成并投入使用。自此海上風電技術開始大力發展，單機裝機容量不斷提高，基礎型式也不斷改進，并涌現出一些新型基礎型式與混合基礎型式。
　　
　　海上風機基礎型式按結構型式及其安裝方法，分為樁式基礎、重力式基礎、吸力式筒基礎和浮式基礎等［1］，見圖 1。其中，樁基礎是最常用的基礎型式，單樁基礎、多樁導管架基礎、高樁承臺基礎等均屬樁基礎型式。 　　
　　目前，歐洲海上風電場風機基礎與樁基通常采用灌漿進行連接，一方面減少焊接帶來的應力集中和疲勞，另一方面還可以起到調平的作用。海上灌漿連接最早用于連接石油平臺導管架基礎與樁基，該工藝已有超過 40 年的使用歷史。與海洋石油平臺的灌漿相比，無論是材料、受力機理、還是施工，海上風電灌漿都有自身特點，這主要是因基礎上部的風機設備所致。
　　
　　本文首先簡單介紹高強灌漿材料的基本情況，然后詳細闡述了灌漿連接段類型的發展，接著比較詳盡地描述了幾個典型的海上風電灌漿工程應用，第四部分對既有灌漿連接段的病害及監測進行了闡述，最后對海上風電灌漿技術進行展望與總結。
　　
　　1 灌漿材料
　　
　　灌漿材料根據灌漿連接段分析結果與設計要求可選擇用普通水泥漿與高強灌漿料。
　　
　　普通水泥漿灌漿價格低、材料易得，在海洋石油工程中得到廣泛應用，但普通水泥漿結收縮，抗壓強度和粘結強度較低。
　　
　　高強灌漿材料相比普通水泥漿，是一種含收縮補償技術的水泥類灌漿，當與水混合時，其可形成均勻、可流動且易泵送的灌漿料。針對海上風機基礎灌漿的特殊需求和特殊施工方法，高強灌漿料需要具備大流動性、抗離析可靠性和穩定性、
　　
　　高早期強度、高最終強度、高彈性模量、高體積穩定性、高抗疲勞性能、低水化熱等特點。其某些詳細特點如下所述:
　　
　　含氣 率: 灌 漿 料 中 空 氣 中 的 含 量 一 般 要 求≤4% 。
　　
　　大流動性: 流動性反映了灌漿料的施工性能，在無任何沖擊的情況下，灌漿料初始流動度要求大于 290 mm，30 min 后的流動度大于 260 mm，60min 后的流動度大于 230 mm ，并且灌漿料無泌水和分層。
　　
　　高早期強度: 20 °C 時環境下，24 h 的抗壓強度可達 40 MPa 及以上。
　　
　　超高最終強度: 20 °C 時環境下，28 d 的抗壓強度可達 110 MPa 及以上。
　　
　　高抗疲勞性能: 參考 DNV-OS-C502［3］，考察漿體是否滿足規范的要求。
　　
　　良好抗離析性能: 可靠的抗離析性能可防止泵堵塞，在水下灌漿時漿體不會被沖散，可進行長距離和大高度泵送。
　　
　　高體積穩定性: 灌漿連接需傳遞并吸收從上部結構中產生的所有荷載，灌漿料的干收縮率、自收縮率、膨脹或任何其他形式的體積不穩定性都對風電機組基礎的壽命有不利影響。
　　
　　灌漿料的性能指標很多，除上述指標外，還有凝結時間、彈性模量、豎向膨脹率等。
　　
　　在實際施工中，最終的漿體是由灌漿干料與水混合攪拌。用水量與濕度影響以上各項性能的兩個非常重要的因素; 實際施工中，不同溫度下，灌漿材料的各項性能指標均有所變化。
　　
　　2 灌漿連接段類型
　　
　　灌漿連接段根據不同的標準可分為不同的類型，當以有無剪力鍵作為區分標準時，可分為有剪力鍵灌漿連接段與無剪力鍵灌漿連接段。當以灌漿連接段的形狀為區別標準時，可分為圓柱形灌漿連接段、圓錐形灌漿連接段和其他類型的灌漿連接段。
　　
　　2. 1 單樁基礎灌漿連接段
　　
　　作為應用最廣泛的基礎型式之一，研究者對單樁基礎的研究與創新做了很多工作，在傳統圓柱形單樁灌漿連接段的基礎上開發出了圓錐形灌漿連接段。因此，對于單樁基礎灌漿連接段，主要有兩種形式———圓柱形與圓錐形，圓錐形灌漿連接段一般不設置剪力鍵，如圖 2 所示。 　　
　　2. 1. 1 圓柱形灌漿連接段
　　
　　圓柱形單樁灌漿連接段是目前工藝最成熟的連接形式之一，是對海上石油平臺導管架灌漿連接段的一種沿用，研究者對于圓柱形灌漿連接段的研究最早可以追溯到上世紀 70 年代，對該連接類型有著比較豐富的經驗。但是由于主要受力形式的改變，使得單樁基礎圓柱形灌漿連接段受力性能的研究仍有許多方面值得發展。
　　
　　圓柱形灌漿連接段可分為帶剪力鍵型和無剪力鍵型，典型的帶剪力鍵圓柱形單樁基礎灌漿連接段如圖 2(a) 所示。剪力鍵能明顯增加灌漿連接段的軸向承載能力，但由于剪力鍵附近明顯的應力集中現象，對灌漿連接段的疲勞性能有不利影響。在2009 年以前，業界普遍認為軸向承載力可以由鋼管與漿體間界面的摩擦作用承擔，但是，由于單樁基礎灌漿連接段受到反復彎矩荷載作用，荷載循環次數高達 107～ 108次，反復彎矩作用下可能出現鋼管與漿體界面失效的情況。在 2009 年之前的一系列設計規范都未明確規定是否需要使用剪力鍵，可由設計人員自行決定，但此舉為 2009 年以來大量出現的已建成海上風機基礎無剪力鍵灌漿連接段滑移沉降的病害［4］埋下了隱患。
　　
　　因此，2014 年發布的 DNV 規范［1］已經明確傳遞軸力的灌漿連接段必須設計成帶剪力鍵灌漿連接段或者圓錐形灌漿連接段，不可在做成圓錐形的同時使用剪力鍵，并且明確了剪力鍵的分布只限于灌漿連 接 段 中 間 1/2有效長度的區域內，如圖3所示。 　　
　　灌漿連接段在扭矩的作用下通過灌漿體與鋼材表面的摩擦力來形成抵抗力矩，分析時一般假定摩阻力沿著表面均勻分布，力臂長度為鋼構件的半徑。
　　
　　一般而言，單樁基礎的扭矩較大，故在 2014年發布的 DNV 規范［1］中，在單樁基礎帶剪力鍵灌漿連接段增加了豎向剪力鍵以承擔扭矩的作用，如圖4所示，根據扭矩的大小，可在過渡段與鋼管樁上設置1根、2根或者4根豎向剪力鍵。 　　
　　2. 1. 2 圓錐形灌漿連接段
　　
　　如前所述，2009年以來出現的圓柱形無剪力鍵灌漿連接段的滑移事故促使DNV 于2009年秋季至2011年1月開展了節點性能的專項研究［5］，提出了圓錐形灌漿連接段的設計方案。
　　
　　這種灌漿連接段最早在海洋工程的應用是在荷蘭的一項工程［6］。此工程中的運用是將兩個直徑不同的鋼管做成一定角度后套在一起，形成錐形的滑移連接。所謂滑移是這種圓錐形的連接段在安裝后由于自身重力作用，兩鋼管之間會發生相對的豎向滑移。這種滑移可以增加兩鋼管之間的接觸壓力，從而增加摩擦力，提升軸向承載力，并阻止進一步滑移的發生。這種理念亦在文獻［7］對損傷焊接懸臂廣告牌的修補中得到了應用，利用此錐形連接段代替原有焊接節點，可以提高節點疲勞壽命超過10倍以上，在200萬次循環下并未出現疲勞破壞，疲勞性能超過焊接修補。
　　
　　綜上所述，錐形連接段有其獨有的優勢，故而DNV 將上述錐形鋼管和灌漿組合在一起后得到如圖5所示的錐形灌漿連接段。然而，也有研究者對此灌漿連接段持懷疑態度。有研究者在 2014 年的會議中［8］指出這種結構由于存在一定的滑移，是一種可控制破壞的工程結構，在長期作用下的穩定性仍然是不確定的; 另一位研究者［9］也指出這種灌漿連接段只能在承受單向軸力荷載作用的結構中使用，無法得 到像圓柱形灌漿連接段那樣廣泛的應用。
　　
　　DNV 規范［1］規定不可同時做成圓錐形且帶剪力鍵的連接段，這是因為圓錐形灌漿連接段允許一定的上部結構沉降及末端漿體的壓碎，以增大鋼管與漿體接觸面的摩擦力，而剪力鍵處易產生應力集中，會加速漿體的碎裂現象，這對灌漿段的長期穩定性不利，故而兩者不可同時運用，并且規范規定圓錐形灌漿段鋼管的豎向傾斜角度不可超過 4°。 　　
　　2. 2 導管架基礎灌漿連接段
　　
　　2. 2. 1 先樁法導管架基礎灌漿連接段
　　
　　先樁法導管架基礎的灌漿連接段是鋼管樁在外，導管架腿柱在內，一般在導管架腿柱上設置灌漿管線及灌漿孔，往內外管形成的環向空間中灌注灌漿料，如圖
　　
　　6 所示。 　　
　　對于導管架基礎灌漿連接段設計，重要的是要避免往復循環荷載引起的開裂。荷載只在一個方向，或軸向荷載主要沿著某一方向時，裂縫仍可以傳遞荷載。在先樁法導管架基礎的灌漿連接段中，從灌漿連接段最底部往上至一半彈性長度范圍內，受彎矩影響不大，而從灌漿連接段最頂部往下至一半彈性長度范圍內，受彎矩影響很大，為了避免由于剪力鍵在這部分區域引起初始裂紋，最好不要在此范圍內布置剪力鍵。
　　
　　2. 2. 2 后樁法導管架基礎灌漿連接段
　　
　　在 DNV-OS-J101 規范中，先樁法與后樁法這兩種導管架灌漿連接段的設計公式在本質上是一致的。圖7為后樁法導管架基礎的灌漿連接段示意圖。 　　
　　在后樁法導管架基礎的灌漿連接段中，從灌漿連接段頂部以下至一半彈性長度范圍內，受彎矩影響不大，而從灌漿連接段底部以上至一半彈性長度范圍內，受彎矩影響很大，為了避免由于剪力鍵在這部分區域引起初始裂紋，最好不要在此范圍內布置剪力鍵。
　　
　　由于后樁法導管架基礎相比先樁法導管架，無論是建造還是施工，在灌漿連接段這部分增加不少工程量，相比后樁法導管架，這也是先樁法導管架基礎在海上風電場中得到廣泛運用的原因之一。
　　
　　常見的水下三樁基礎的灌漿連接段與后樁法導管架基礎的非常相似，而水上三樁基礎的灌漿連接段形式與先樁法導管架基礎的受力與構造類似，這兩類基礎型式的灌漿連接段可歸類于導管架基礎灌漿連接段中。
　　
　　2. 3 其他灌漿連接段類型除了傳統的以高強灌漿材料連接的灌漿連接段外，最近有研究者提出新型的“三明治”型連接段。即在套管與樁之間增加一種內部填充復合材料或灌漿材料的連接段，如圖 8 所示，相關試驗研究工作已經開展［10］。 　　
　　3 海上風電灌漿的工程應用
　　
　　3. 1 單樁基礎灌漿
　　
　　單樁基礎與過渡段通過灌漿連接已成功應用許多海上風電場，例如 Utgrunden I ( 瑞 士) 、HornsＲev ( 丹麥) 以及 North Hoyle( 英國) 等，單樁及其灌漿連接是目前全球海上風電應用最成熟的基礎與連接形式，適用水深范圍較廣。國內海上風電場的單樁基礎均是無過渡段單樁，水較深時存在一定風險。典型的單樁基礎灌漿連接段如圖 9 所示。 　　
　　世界第一座大型海上風電場 Horns Ｒev I 及后續的 Horns Ｒev II 均采用的是單樁基礎和灌漿連接段的形式，Horns Ｒev I 項目中的單樁與過渡段重疊部分( 灌漿連接段) 長度為 6. 0 m，環向空間的灌漿厚度為 80 mm。Horns Ｒev II 海上風電場單樁不僅在過渡段與鋼管樁采用灌漿連接，在過渡段與混凝土平臺也是采取灌漿進行連接。該項目部分基礎 12h 即完成了所有灌漿施工［11］。
　　
　　Samsoe 海上風電場位于Kattegat海峽的丹麥Samsoe區域，本風場建設有10臺風機單樁基礎，其灌漿連接段長度為6m，灌漿的環向空間間隙為110mm 。Gw ynt y M ? r 海上風電場位于愛爾蘭海的利物浦灣附近，是當時歐洲最大的海上風電場項目，于 2014 年建成。本風電場中，灌漿管線的端口位于過渡段的甲板上，在船甲板上通過灌漿的軟管將灌漿料輸送至主要灌漿管線的端口上進行灌漿，灌漿的混合速率較高，達到 6 m3/ h，大大地提高了灌漿施工效率［12］。
　　
　　West of Duddon Sands 海上風電場位于愛爾蘭海，總裝機容量為 389 MW，共108臺風機，單機容量 3. 6 MW。灌漿管線固定在過渡段上，在船甲板上，通過一個可伸縮桿，灌漿軟管固定其上，將軟管與漿接口相連進行灌漿，如圖10所示［13］。 　　
　　由于單樁基礎的灌漿連接段是傳力的唯一路徑，而且沒有冗余度，一旦灌漿連接段出現失效或者缺陷，直接影響風機的運行和使用壽命，因此，對單樁基礎的灌漿連接設計、施工以及材料都提出很高的要求。
　　
　　3. 2 導管架基礎的灌漿
　　
　　導管架基礎與鋼管樁通過灌漿連接也已成功應用在一些海上風電場項目中，導管架基礎不僅可作為風機的下部基礎，在海上升壓站的設計中也是廣泛采用，例如 Alpha Ventus( 德國) 、Belwind Demo( 比利時) 、Thornton Bank ( 比利時) 、Walney ( 英國) 以及 Ormonde( 英國) 等，因其穩定性與可靠性，導管架基礎及其灌漿連接也是目前全球海上風電應用比較多的基礎型式與相應的連接形式。
　　
　　導管架基礎的灌漿連接段構成與單樁基礎圓柱形灌漿連接段類似，但又有一些不同。由于鋼管樁和導管架的施工順序的不同，導管架基礎分為后樁法導管架與先樁法導管架，同樣，其灌漿連接段也存在差異，如前 2. 2 節所述。先樁法導管架采用安裝模架定位沉樁，然后進行導管架基礎整體吊裝，吊裝前先進行導管架調平，再將導管架支撐腿端部插入鋼管樁，或先下放導管架再通過液壓手段調平，最后進行水下灌漿，連接導管架和鋼管樁。后樁法導管架基礎結構形式是在導管架支腿末端設置樁靴，進行海上施工時，先進行導管架吊裝，通過樁靴定位把鋼管樁打入海床，然后進行灌漿，連接導管架和鋼管樁。
　　
　　Ormonde 海上風電場是歐洲第一個采用導管架基礎的大型商業化風電場，位于愛爾蘭海，總裝機容量150MW，單機容量5MW，共30臺風機，還包括1座海上升壓站，其基礎型式也為導管架基礎，即共有31個四樁導管架基礎。所有導管架基礎均為先樁法導管架，安裝時將四個主腿插入到預先打好的鋼管樁內，每個腿上均有 1 根主要灌漿管線和 1 根次要灌漿管線，灌漿管線的接口位于過渡段平臺上。灌漿施工時，往灌漿管線中灌漿來填充環形空間，同時在鋼管樁樁頂觀察漿體溢出的情況，至少要比理論灌漿量多灌 10% 來保證環形空間中灌漿料的質量［14］。
　　
　　Thornton Bank海上風電場位于比利時，是比利時在北海第一個海上風電場，水深介于 12 m － 27m 。本風場分三期建設，第一期為 6 臺 5 M W 風機重力式基礎，后兩期為 48 臺 6. 15 MW 風機導管架基礎和 1 座海上升壓站。導管架每條腿上有 3 根灌漿管線———主要灌漿管線、次要灌漿管線以及三級灌漿管線。我國在廣東省珠海桂山海上風電場示范項目的風電機組導管架基礎中采取了類似的灌漿設計與施工方法。
　　
　　Samsung 的 7 M W 風機是當時全球單機容量最大的風機，工程場址水深 30 m，下部基礎采用導管架基礎型式。本工程的灌漿分兩個工作部分，第一部分，由于海底覆蓋層淺，鋼管樁為嵌巖樁，首先將鋼管樁插入 30 m 深預先鉆好的巖孔里，然后通過灌漿軟管往環形空間中灌漿，通過連續的灌漿，確保灌漿質量。第二部分，待嵌巖鋼管樁施工完畢后，再對鋼管樁與導管架腿柱中間的環形空間進行灌漿，同理，確保灌漿的連續性，通過在樁頂處觀察漿體的溢出情況來判斷灌漿施工是否結束［15］。
　　
　　Walney 海上風電場的海上升壓站采用四樁導管架基礎型式，水深30 m，如圖11 所示。海上升壓站導管架基礎與海洋石油平臺的導管架基礎型式相似，先安裝導管架基礎，再把鋼管樁通過樁套管打入海底［16］。本工程每個環形空間的底部設置有雙層灌漿密封圈，阻止灌漿料的泄露，每個樁套管上設置有主要灌漿管線與次要灌漿管線，通過灌漿管線進行灌漿。我國在江蘇響水與東臺 2 個海上風電場的海上升壓站中，采用了類似的灌漿設計與施工。 　　
　　導管架基礎的灌漿連接段是傳力的關鍵路徑，與單樁不同的是，其冗余度較高，但是，導管架基礎的灌漿連接段都在海床處，不易于巡檢，因此，其施工質量不容易得到有效控制，需采取有效的防護措施來進行質量控制，保障結構的耐久性。
　　
　　3. 3 其他基礎的灌漿
　　
　　除此之外，水上三樁基礎、水下三樁基礎以及重力式基礎等都存在灌漿連接。水下三樁基礎灌漿連接段與后樁法導管架基礎灌漿連接段類似，水下三樁基礎灌漿需要注意的是，要確保漿體在達到規定強度的時間內，樁頂與樁套管不發生較大的相對位移，同時也是保證基礎與風機長期穩定運行的必要條件。
　　
　　水上三樁基礎灌漿連接段與先樁法導管架灌漿連接段類似，但它的灌漿部分位于水上，因此便于灌漿的施工與質量控制。重力式基礎分為混凝土沉箱式和重力基座式兩類，其在安裝過程中都需要采用高強度灌漿料進行灌漿，以保持基礎結構在后期運行的穩定性和安全性。
　　
　　無論是單樁基礎，還是導管架基礎，多樁基礎以及重力式基礎，從受力上，海上風機基礎的灌漿連接段是傳遞風機荷載至地基基礎承上啟下的關鍵位，從施工上，海上風機基礎的灌漿是鋼管樁沉與安裝基礎承前啟后的關鍵工序，因此，灌漿連設計與施工對于保證風機正常運行至關重要，其可靠性是確保海上風電正常運行的必要條件。
　　
　　4 既有灌漿連接段病害及監測
　　
　　灌漿連接段的長期性能對于風電基礎至關重要，連接段在長期疲勞荷載、海水以及各種環境因素作用下，會產生各種損傷和性能退化，進而直接影響風電結構的安全。2010 年以前設計的灌漿連接段通常未采用剪力鍵，對于大直徑的單樁基礎，這種連接形式產生了意想不到的豎向滑移問題。隨著海上風電的大規模興建，開展既有灌漿連接段的病害監測、健康診斷與評價技術研究具有重要的理論價值和現實意義。然而海上風電還處于新興發展階段，關于病害和監測的經驗還非常匱乏，需要進一步的研究。
　　
　　對受病害影響的灌漿連接段采用不昂貴和永久的修復措施對未來的運營至關重要。決定合適的修復手段時需要考慮到海上施工的困難性，同時還需考慮極限狀態和疲勞狀態下的荷載情況，如豎向的軸向應力影響，以及由于彎矩引起的應力組合情況。有些情況下需要使修復后的結構與未損傷結構的壽命應相當。因此，修復技術起主導作用，目前修復技術可分為兩類: 在灌漿連接段的底部安裝修復裝置減小荷載或在頂部采取其他措施。在底部等距離安裝支座(圖12(a) ) ，首先需要清除表面的灌漿材料及防腐層，然后將支座定位并完全焊接好。
　　
　　如果該部分位于水下，則需要昂貴的水下焊接方法，相應的防腐蝕措施也應完善。支座通常由豎向角焊縫與單樁進行連接，如有需要，水平焊縫也需添加，并且應該是環向連續的焊縫。
　　
　　與底部修復相比，頂部修復在安裝及防腐上具有較大優越性。與可能位于水下的底部修復相比，頂部修復施工質量及維護條件也更加有利。圖 12(b) 圖及(c)圖給出了可能的頂部組合修復方法。可采用在鋼結構上焊接栓釘并澆筑配筋混凝土的方式來傳遞荷載，也可在下部焊接鋼板兼做模板。由于混凝土的保護，不需要額外的防腐措施，但混凝土的疲勞設計需參考相關規范。圖 12(c)圖采用交叉鋼梁，用以優化荷載分配，采用焊接方式，需要注意防腐及疲勞相關問題，如果需要在過渡段使用襯墊材料優化荷載分布，需要注意其耐久性。 　　
　　監測方面，德國海洋水文局( BSH) 規定在建風電場需要對 10% 的風電基礎安裝監測系統。英國風電管理部門在灌漿連接段出現病害后，也對在役風機基礎進行監測。灌漿連接段通常長達數米，對于連接段的監測，目前還沒有可靠的測量準則。大部分項目中是測量連接兩端的相對位移，如套管與樁之間的水平和豎向相對移動。對于導管架和三樁結構形式，灌漿連接段通常在水下 20 ～ 50 m。目前還沒有標準的測量解決方案，相關公司正在研發此類傳感器，如圖13所示。由于惡劣的環境，初步試驗顯示還需要繼續研究更好的系統。 　　
　　5 結論
　　
　　從直接對海油平臺導管架基礎經驗的拿來主義，再到針對海上風電特點的創新性研究，海上風電的發展促進了灌漿技術的成熟。本文總結了海上風電灌漿技術在材料、連接段類型、工程應用、病害監測及修復多方面的發展，主要總結如下:
　　
　　1) 針對海上風機基礎灌漿的特殊需求和特殊施工方法，高強灌漿料需要具備大流動性、高早期強度、高最終強度、高抗疲勞性能等特點，用水量和溫度是影響以上各項性能兩個非常重要的因素。
　　
　　2) 單樁基礎與導管架基礎的灌漿連接段是海上風電基礎中兩類典型的連接形式，單樁基礎的灌漿連接段一般設計成帶剪力鍵圓柱形或者無剪力鍵圓錐形，其中前者應用更普遍; 而導管架基礎的灌漿連接段一般根據導管架基礎分類而不同。
　　
　　3) 單樁基礎與導管架基礎的灌漿工程應用已經比較成熟，單樁基礎的灌漿連接段是傳力的唯一路徑，導管架基礎的灌漿連接段位于水下，不易檢查，因此，海上灌漿施工質量是確保海上風電正常運行的必要條件。
　　
　　4) 隨著海上風電的大規模興建，可以預見在不久的將來，無論是材料研發、分析手段、理論與試驗水平、施工機械與經驗等，我國海上風電的灌漿技術水平將伴隨海上風電的發展而取得長足進步，促進我國海上風電灌漿技術在全球行業中有一席之位。