Jak wzmocnić dno akwenu

Budowa portu instalacyjnego obsługującego morską energetykę wiatrową jest czymś nowym w Polsce. Zakresem inwestycji można ją przyrównać do budowy terminalu kontenerowego, lecz wymagania, jakie stawia się przed portem instalacyjnym, są inne. Dotyczy to zarówno logistyki operacji na lądzie i w wodzie, jak i spraw technicznych. Elementy turbin wiatrowych są ekstremalnie dużymi i ciężkimi konstrukcjami, które wymagają specjalistycznej obsługi transportowej oraz znacznej powierzchni składowania, np. wszystkie elementy turbiny wiatrowej o mocy 15 MW zajmują powierzchnię netto ok. 5000 m², a ich łączny ciężar wynosi ok. 3800 t. Wszystkie konstrukcje portowe, takie jak nabrzeża, place składowo-manewrowe, muszą być dostosowane do bardzo dużych obciążeń od dźwigów, urządzeń transportowych, elementów turbin oraz ich fundamentów.

Budowa 14 MW i większych turbin wiatrowych wymaga specjalnych jednostek pływających WTIV (wind turbine installation vessel) czwartej generacji. W porównaniu z innymi statkami transportowymi posiadają znacznie szerszy pokład, umożliwiający transport elementów wystających poza burty, są wyższe oraz dzięki azymutalnym sterom strumieniowym charakteryzują się doskonałą manewrowością [1]. Wyposażone są w układ nóg (szczudeł), które po opuszczeniu i zakotwieniu w dnie stożkowych stóp (spudcan) umożliwiają podniesienie jednostki ponad strefę oddziaływania falowania morskiego. Ze względu na bezpieczeństwo to właśnie podnoszenie jednostki WTIV jest elementem krytycznym całego procesu instalacji turbiny wiatrowej. Szczególnie niebezpieczne jest zjawisko przebicia, które występuje w przypadku, gdy stopa pogrążona jest w warstwie piasku o niewystarczającej miąższości, podścielonej warstwą gruntu spoistego, często organicznego [2, 3]. Gwałtowna utrata stateczności przez jedną ze stóp w wyniku przebicia skutkuje rotacją całego układu wsporczego podniesionej jednostki, co może spowodować jego poważne, trwałe uszkodzenie, a w krytycznym przypadku wywrócenie całej jednostki [2] (ryc. 1).

O wadze problemu świadczy to, że aż 53% odnotowanych wypadków podczas instalacji turbin wiatrowych spowodowanych było przebiciem lub nadmierną penetracją stopy w podłoże dna morskiego [4]. Ryzyko potencjalnego przebicia ogranicza się zwykle przez wykonanie wstępnego obciążenia dna jedną lub dwoma stopami równocześnie do wartości 150% obciążenia roboczego, odpowiadającego wyniesieniu całej jednostki nad powierzchnię wody [1]. W fazie instalacji turbiny wiatrowej jednostkę podnosi się na wysokość minimum 5 m powyżej poziomu morza, tak aby wyeliminować wpływ falowania na operacje dźwigowe. Powierzchnia stopy stożkowej determinuje wartość naprężenia przyłożonego do dna i w konsekwencji wartość penetracji stopy w podłoże. Naprężenie pod stopą wynosi zwykle od 400 do 600 kPa, a średnica stopy nie przekracza 20 m [1]. Wielkość penetracji stopy w dno zależna jest od warunków gruntowych i wynosi od ok. 5 m dla piasków do ok. 10 m dla glin [1]. Często dla wyciągnięcia stopy z podłoża konieczne jest zastosowanie podpłukiwania wodą pod ciśnieniem lub rozluźniania gruntu sprężonym powietrzem za pomocą systemu dysz, w które zaopatrzona jest stopa [1]. W trakcie załadunku elementów turbin wiatrowych jednostka WTIV, stojąc przy nabrzeżu, również opiera się na stopach, dlatego należy przewidzieć odpowiednie zabezpieczenie dna, ograniczające jego deformacje, mające bezpośredni wpływ na stateczność nabrzeża i bezpieczeństwo operacji dźwigowych. W przypadku występowania w dnie basenu gruntów o niskich parametrach odkształceniowo-wytrzymałościowych, których usunięcie ze względu na istniejącą infrastrukturę portową jest niemożliwe lub jest ekonomicznie nieuzasadnione, należy zastosować wgłębne wzmocnienie podłoża gruntowego.

Jedną z możliwych do zastosowania metod wzmocnienia jest metoda podwodnej wibrowymiany, czyli kolumn żwirowych wykonanych z jednostki pływającej. Istnieją dwie metody wykonywania kolumn żwirowych pod wodą. Najstarsza polega na ułożeniu na dnie warstwy żwiru o grubości od ok. 3,0 m do 3,5 m, a następnie wprowadzeniu przez tę warstwę do głębokości projektowej wibroflotu, który ruchem posuwistym góra – dół, wspomaganym strumieniem wody pod ciśnieniem, formuje kolumnę żwirową w dnie akwenu (ryc. 2A). W metodzie tej kruszywo podawane jest od góry (top feed method), co stanowi duże ograniczenie w formowaniu kolumny. Metodą tą można wykonywać kolumny żwirowe o długości do 12 m. Metoda charakteryzuje się stosunkowo dużym zużyciem kruszywa, gdyż części materiału nie udaje się wbudować w trzon kolumny i pozostaje on na dnie. Bardziej efektywna jest metoda z dolnym podawaniem kruszywa (bottom feed method). Kruszywo podawane jest do kosza znajdującego się na końcu rury, a następnie przez śluzę przedostaje się do wibratora, który formuje kolumnę od dołu (ryc. 2B). W zautomatyzowanej wersji tej technologii, gdzie kruszywo podawane jest hydraulicznie do zamkniętego kosza (ryc. 2C), który może schodzić poniżej powierzchni wody, można formować kolumny żwirowe do głębokości ok. 40 m. W trakcie wykonywania kolumny wraz z głębokością mierzony jest opór podłoża, wyrażony w amperach, oraz średnica formowanej kolumny żwirowej.

W praktyce podwodne kolumny żwirowe wykonywane były dotychczas jako wzmocnienie podłoża pod falochronami oraz zalądowieniami akwenów morskich. Zaletą kolumn żwirowych jest to, że mogą jednocześnie służyć do wielu celów, takich jak zwiększenie wytrzymałości na ścinanie gruntów słabonośnych, ograniczenia osiadania oraz przyspieszenie konsolidacji gruntów spoistych, zagęszczenie gruntów niespoistych. Powyższe zalety kolumn żwirowych można wykorzystać w celu zapewnienia bezpieczeństwa operacji dźwigowych jednostek WTIV związanych z budową morskich farm wiatrowych.

Ponadto kolumny żwirowe są produktem neutralnym dla środowiska i tym samym wpisują się w ideę zrównoważonego rozwoju naszych portów morskich.

Literatura

[1] Goh K.: Current Developments of Wind Turbine Installation Vessels. International Maritime Conference – Indo Pacific 2022.
[2] Park J.-S., Yi M.-S.: Review of Structural Strength in the Event of a One-Leg Punch through for a Wind Turbine Installation Vessel. „Journal of Marine Science and Engineering” 2023, Vol. 11. 
[3] Gao F.-P. et al.: On the Instability of Offshore Foundations: Theory and Mechanics. „Science China Physics, Mechanics & Astronomy” 2015, Vol. 58, No. 12.
[4] Guidelines for jack-up rigs with particular reference to foundation integrity. Health and safety executive, UK, 2004.
[5] Wykonywanie kolumn żwirowych pod wodą. Materiały wewnętrzne Keller.

www.keller.com.pl