海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)的新型吸力錨研發(fā)

李大勇，劉小麗，孫宗軍

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266510；2.江蘇省安捷巖土工程有限公司，江蘇 徐州221104；3.山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島266510)

海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)的新型吸力錨研發(fā)

李大勇1，劉小麗2，孫宗軍3

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266510；2.江蘇省安捷巖土工程有限公司，江蘇 徐州221104；3.山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島266510)

海上風(fēng)電作為一種清潔能源，其開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到世界各沿海國(guó)家的重視。吸力錨基礎(chǔ)是海洋工程中的一種新型基礎(chǔ)型式，廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)、海洋浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)等。近年來(lái)，也被作為海上風(fēng)電工程塔架的基礎(chǔ)，此海上風(fēng)電塔架的基礎(chǔ)部分是整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它涉及到整個(gè)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的安全性，是工程可靠運(yùn)行的前提。在深入研究已有塔架的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的塔架基礎(chǔ)型式—裙式吸力錨基礎(chǔ)，主要詳細(xì)介紹了該基礎(chǔ)形式的沉貫機(jī)理、承載機(jī)理，分析了其可行性，可供工程應(yīng)用和推廣。

海上風(fēng)電;裙式吸力基礎(chǔ);沉貫;承載力

隨著全球能源危機(jī)、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)日益加重，越來(lái)越多的國(guó)家重視開(kāi)發(fā)、利用可再生能源和清潔能源。因此，在當(dāng)前形勢(shì)下，風(fēng)能作為最清潔能源的一個(gè)選擇，受到世界普遍重視。我國(guó)是一個(gè)風(fēng)能利用大國(guó)，2008年已位居世界第四位，但與其它電力來(lái)源相比，風(fēng)能仍占較小比例。據(jù)有關(guān)資料顯示，2008年中國(guó)電力總裝機(jī)：火電占76.3%；水電占21.6%；核電占1.3%；風(fēng)電及新能源占0.8%。由此看，我國(guó)的節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)，大力發(fā)展風(fēng)能的空間仍很大。我國(guó)計(jì)劃2020年前，20%的能源來(lái)自可再生能源，其中風(fēng)電將達(dá)到100 GW，中國(guó)將成為世界可再生能源利用的巨大市場(chǎng)。

海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)和利用比陸地具有更多優(yōu)勢(shì)。海上風(fēng)能資源比陸地豐富，其風(fēng)速高，風(fēng)力持久，且海上很少有靜風(fēng)期，因此能更有效地利用風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電容量；與陸地相比不需要很高的塔架，可降低風(fēng)電機(jī)組的成本；再有，海上風(fēng)能具有零排放、無(wú)視覺(jué)、噪音等污染以及不占用陸地等優(yōu)點(diǎn)。自1991年世界第一個(gè)海上風(fēng)力發(fā)電廠在丹麥建成，尤其1997年后，引起了荷蘭、英國(guó)、德國(guó)等歐洲國(guó)家和美國(guó)大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)（圖1）。而對(duì)海上風(fēng)力資源、風(fēng)場(chǎng)論證和設(shè)計(jì)研究早在1976-1983年在歐洲國(guó)家展開(kāi)[1]，時(shí)至今日國(guó)內(nèi)外仍有眾多能源開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)和研究人員對(duì)開(kāi)發(fā)海上風(fēng)能的必要性、經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)海洋環(huán)境等方面的影響進(jìn)行著研究[2-4]。2009年歐洲新建8個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)，安裝了199個(gè)海上風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電量577 MW，比2008年增長(zhǎng)55%。2010年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，歐洲將新增10個(gè)風(fēng)場(chǎng)，裝機(jī)達(dá)1 000 MW，將比2009年增加73%。歐洲已成為全球海上風(fēng)電的領(lǐng)導(dǎo)者，總風(fēng)電量達(dá)2 056 MW，分布在歐洲9個(gè)國(guó)家38個(gè)風(fēng)場(chǎng)，828個(gè)風(fēng)電機(jī)組。其中英國(guó)和丹麥分別占44%和30%，英國(guó)已經(jīng)取代丹麥成為世界最大海上風(fēng)場(chǎng)基地。當(dāng)前歐洲在建的海上風(fēng)場(chǎng)有17個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)3 500 MW，到2020年其海上風(fēng)電裝機(jī)能量將達(dá)到40 000 MW，導(dǎo)致CO2減排85 Mt，預(yù)測(cè)到2050年歐洲電能將有50%來(lái)自風(fēng)能 （以上數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲風(fēng)電網(wǎng)）。

目前，我國(guó)風(fēng)能主要以陸地風(fēng)能為主，全國(guó)各省都有風(fēng)電場(chǎng)分布，主要的大風(fēng)場(chǎng)集中在內(nèi)蒙、遼寧、河北、吉林、黑龍江和江蘇等省。而我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和電荒地區(qū)多集中在沿海省份，這便于我國(guó)重視并大力發(fā)展海上風(fēng)電。我國(guó)是一個(gè)海上風(fēng)力資源豐富的國(guó)家，尤其黃海和東海屬于淺海風(fēng)場(chǎng)資源，利于建設(shè)海上風(fēng)場(chǎng)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)（中國(guó)風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)http://www.wffd.cn/），我國(guó)近海10 m水深的風(fēng)能資源約1億kW、近海20 m水深的風(fēng)能資源約3億kW以及近海30 m水深的風(fēng)能資源約4.9億kW，是陸地風(fēng)能資源的2倍，具有巨大的風(fēng)能開(kāi)發(fā)潛力。我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，雖然起步較晚，但發(fā)展較快，如：第一個(gè)海上1.5 MW試驗(yàn)風(fēng)機(jī)由中海油公司2007年安裝在渤海東北部的遼寧灣，當(dāng)年11月投入使用；我國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)—上海東海大橋風(fēng)場(chǎng)2008年9月開(kāi)始建設(shè)，由34臺(tái)3 MW風(fēng)電機(jī)組成，風(fēng)場(chǎng)平均水深9.8～10.3 m，采用鋼管樁基礎(chǔ)，2009年3月20日第一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組安裝成功（圖2），2009年9月4日首批3臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2010年向上海世博會(huì)供電（http://www.cpire.com.cn/）；世界單體最大的海上風(fēng)電場(chǎng)將在江蘇東臺(tái)開(kāi)建，擬選用3.6 MW的84臺(tái)風(fēng)機(jī)組成；山東威海也將建投資210億元、年發(fā)電量25億kWh的海上風(fēng)電場(chǎng)；另外，我國(guó)在渤海、黃海、東海和海南省等海域也規(guī)劃建立多處風(fēng)力發(fā)電廠。這對(duì)解決我國(guó)能源危機(jī)問(wèn)題和CO2減排將起到重大作用。

海上風(fēng)電也存在著缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：（1）作為風(fēng)電工程的地基基礎(chǔ)費(fèi)用高，一般占到總造價(jià)的20%左右；（2）電網(wǎng)接入集成成本高；（3）安裝成本高，安裝過(guò)程受天氣環(huán)境的制約；（4）運(yùn)行、維護(hù)實(shí)施困難，直接導(dǎo)致機(jī)組可利用率下降，影響發(fā)電量。要彌補(bǔ)這些不足，海上風(fēng)電一個(gè)重要的發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)利用超大功率的風(fēng)電機(jī)組，目前國(guó)外應(yīng)用的最大功率機(jī)組為5 MW，世界發(fā)達(dá)國(guó)家也正在研發(fā)10～20 MW的發(fā)電機(jī)組，葉輪直徑將達(dá)到250 m左右，預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前我國(guó)海上最大風(fēng)電機(jī)組為3 MW，在工程實(shí)踐和理論研究技術(shù)支持等方面都落后于世界發(fā)達(dá)國(guó)家，急需大規(guī)模投入研發(fā)超大功率風(fēng)電機(jī)組及開(kāi)展相關(guān)配套工程的科研工作。而作為海上風(fēng)電塔架的基礎(chǔ)部分是整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它涉及到整個(gè)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的安全性，是工程可靠運(yùn)行的前提。本文在深入研究已有塔架基礎(chǔ)上，提出了一種新型、經(jīng)濟(jì)和可靠的塔架基礎(chǔ)型式—裙式吸力錨基礎(chǔ)，供工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和推廣。

圖1 海上風(fēng)電場(chǎng)

圖2 正在安裝的東海大橋風(fēng)電機(jī)組

1 海上風(fēng)電工程的塔架基礎(chǔ)型式

圖3 海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式 （引自文獻(xiàn)[5]，略作修改）

吸力錨基礎(chǔ)作為目前國(guó)際海洋工程中應(yīng)用廣泛的一種新型基礎(chǔ)型式，它具有費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、方便施工、施工速度快和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)而被作為各種系泊在海上浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)物、海洋平臺(tái)的基礎(chǔ)[7]，并且也在海上風(fēng)力發(fā)電工程得到了成功應(yīng)用[8]，引起了海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的廣泛興趣和重視。吸力基礎(chǔ)國(guó)內(nèi)外稱之為吸力沉箱、吸力錨、吸力樁或桶形基礎(chǔ)（suction caisson,suction anchor,suction pile,bucket foundation）， 它們通常是底部敞開(kāi)，頂部封閉的鋼制圓筒形結(jié)構(gòu)，承受著巨大水平、豎向荷載和彎矩，其直徑一般在3～12 m之間，高徑比一般在1～10之間變化。但這些基礎(chǔ)沉貫機(jī)理是相同的：首先所有排水孔開(kāi)啟，在自重作用下基礎(chǔ)部分沉入海床，桶內(nèi)水體與海床形成封閉水體，然后關(guān)閉排水孔，抽出基礎(chǔ)內(nèi)水體，從而在基礎(chǔ)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，在負(fù)壓和自重共同作用下，吸力基礎(chǔ)繼續(xù)沉入海床的預(yù)定位置。但它們是根據(jù)基礎(chǔ)高徑比不同而命名的，可以穿越砂土、粉土和粘性土[9]。

2 新型海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)——裙式吸力錨基礎(chǔ)

2.1 海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)的受荷特點(diǎn)

作為海上風(fēng)機(jī)的吸力錨基礎(chǔ)和應(yīng)用于離岸開(kāi)采油、汽田的吸力錨基礎(chǔ)不同點(diǎn)是：

（1）海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的豎向荷載相對(duì)于水平荷載和彎矩非常小，因此，吸力錨基礎(chǔ)抵抗水平力和彎矩的承載能力是主要考慮因素。

（2）由于基礎(chǔ)處在淺海中，海床的沖刷可以導(dǎo)致吸力基礎(chǔ)附近局部海床沖蝕，從而導(dǎo)致其承載能力降低。

（3）作用到風(fēng)葉片的風(fēng)動(dòng)荷載和支柱上的波浪荷載，對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)力影響的獨(dú)特性。

通過(guò)對(duì)水平荷載作用下吸力錨基礎(chǔ)響應(yīng)分析，吸力錨基礎(chǔ)受到的最大彎矩和剪力發(fā)生在淺土層中，即淺層土和吸力錨基礎(chǔ)的相互作用決定了吸力錨基礎(chǔ)水平承載力和最大撓度變形[10]。要提高吸力錨基礎(chǔ)的水平承載力，減少其幅值響應(yīng)，就是想辦法提高淺層土中吸力錨基礎(chǔ)與土的相互作用，這個(gè)情況類似于橫向受荷樁[11]。第一作者2007-2008年參加挪威科技大學(xué)土木工程系Geir Moe教授負(fù)責(zé)的大型海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中（葉片直徑126 m，HUB直徑3 m，HUB高于平均海平面90 m，單機(jī)發(fā)電量 5 MW），提出了一種新型吸力基礎(chǔ)—裙式吸力錨基礎(chǔ)（其模型如圖4所示）。它包括一個(gè)底部敞開(kāi)、頂端封閉的桶體，桶體頂面沒(méi)有排水孔，桶體上端外側(cè)帶有一環(huán)形加強(qiáng)盤，環(huán)形加強(qiáng)盤與桶體共同構(gòu)成一縱斷面為T形的整體結(jié)構(gòu)，在所述的環(huán)形加強(qiáng)盤周邊加工連續(xù)有裙邊，在環(huán)形加強(qiáng)盤頂面均勻布置有一圈透水圓孔，這通過(guò)對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)吸力錨基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，徹底解決其水平承載力小和桶體上部周圍的海床土體沖蝕問(wèn)題[12]。

2.2 裙式吸力錨基礎(chǔ)

所提出的裙式吸力錨基礎(chǔ)的研究意義是：

（1）根據(jù)水平荷載作用下吸力錨基礎(chǔ)撓度變形機(jī)理，設(shè)置了“裙”結(jié)構(gòu)，增加了吸力錨基礎(chǔ)的抗彎剛度和剪切剛度，從而減少了較大水平循環(huán)荷載和彎矩作用下基礎(chǔ)的水平位移和轉(zhuǎn)角響應(yīng)幅值，同時(shí)也提高了基礎(chǔ)的水平承載能力。

SAI調(diào)查方法：所有患者由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的同一個(gè)醫(yī)師采用統(tǒng)一的指導(dǎo)語(yǔ)言進(jìn)行指導(dǎo)，在患者充分理解條目意義后由測(cè)試者逐條提問(wèn)，根據(jù)病人的回答，逐條評(píng)分。

（2）“裙”的設(shè)置擴(kuò)大了吸力基礎(chǔ)的側(cè)面積和承臺(tái)面積，提高了基礎(chǔ)側(cè)面與土體的摩擦力和豎向承載力，與傳統(tǒng)吸力錨基礎(chǔ)相比，降低了基礎(chǔ)主桶長(zhǎng)度。

（3）“裙”頂面部分預(yù)留了排水孔，降低了基礎(chǔ)沉貫過(guò)程中的海水阻力，同時(shí)“裙”結(jié)構(gòu)較大提高了抵抗海床沖刷的能力，避免了主桶周圍土體液化，從而保證基礎(chǔ)承載力不會(huì)降低，延長(zhǎng)了基礎(chǔ)壽命。

（4）由于造價(jià)和沉貫方面的考慮，實(shí)際工程采用的裙式吸力錨基礎(chǔ)，其裙的高度（H1）要小于主桶高度（H2），結(jié)合承載力方面的考慮，因此存在合理設(shè)置裙式吸力錨基礎(chǔ)幾何尺寸的優(yōu)化問(wèn)題。這也是本課題重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

圖4 裙式吸力錨基礎(chǔ)模型照片及其剖面圖[12]

2.3 裙式吸力錨基礎(chǔ)的工作機(jī)理

2.3.1 裙式吸力錨基礎(chǔ)的沉貫機(jī)理

要使所提出“裙”式吸力基礎(chǔ)與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)比較具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須滿足兩方面的要求：一是較好的沉貫性能，二是提供較大的承載能力。其中，裙式吸力基礎(chǔ)滿足沉貫要求是承載能力分析的前提。

裙式吸力錨基礎(chǔ)沉貫過(guò)程可分為兩個(gè)階段：

（1）自重作用下沉貫（h1）。裙式吸力基礎(chǔ)在自重作用下在海水內(nèi)下沉，此時(shí)，主桶頂部范圍內(nèi)排水閥門全打開(kāi)，主桶底部與海床接觸，由于底部呈尖形和基礎(chǔ)側(cè)壁由薄壁鋼板組成，在自重作用下繼續(xù)下沉；由于側(cè)壁阻力隨貫入深度逐漸增大，下沉速度逐漸減小，直至貫入停止（如圖5（a）所示），即完成自重作用下的沉貫，主桶內(nèi)部與海床形成一個(gè)密閉水體。

（2）吸力作用下沉貫。裙式吸力基礎(chǔ)自重作用下沉貫結(jié)束后，關(guān)閉主桶頂部所有排水孔，開(kāi)啟與中間排水孔連接的潛水泵，排除主桶內(nèi)水體，此時(shí)內(nèi)部水壓力減小，與裙式吸力基礎(chǔ)頂部形成壓力差即吸力，再由于主桶內(nèi)部土體與其外部土體形成水頭差，產(chǎn)生繞過(guò)主桶底部的滲流，由于滲流作用使得基礎(chǔ)底部有效應(yīng)力下降，抗力減小，使得基礎(chǔ)在吸力作用下繼續(xù)下沉，直到下沉到預(yù)定位置。此過(guò)程包括吸力作用下主桶范圍內(nèi)沉貫（h2）和“裙”范圍內(nèi)沉貫（h3）兩種情況，分別如圖5(b)、(c)所示。在這個(gè)過(guò)程中，要事先設(shè)計(jì)好l和h3的尺寸，同時(shí)設(shè)計(jì)好主桶高度（即至少與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)相比：具有相同承載力和同樣潛水泵功率條件），不增加基礎(chǔ)造價(jià)和施工費(fèi)用。

圖5 裙式吸力錨基礎(chǔ)沉貫過(guò)程示意圖

另外，筆者已經(jīng)證明，裙式吸力基礎(chǔ)在砂土地基中有較好的沉貫性，并與同條件下（基礎(chǔ)用料相同等）傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)進(jìn)行了比較，證明了所提裙式吸力基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和推廣應(yīng)用價(jià)值[13]。

2.3.2 裙式吸力錨基礎(chǔ)的承載機(jī)理

與傳統(tǒng)單筒吸力錨比較，本文提出設(shè)置的“裙”結(jié)構(gòu)主要考慮提高基礎(chǔ)水平抗力，同時(shí)也能提高豎向承載力。設(shè)置“裙”的作用主要是解決傳統(tǒng)單筒吸力錨的存在的缺陷：傳統(tǒng)基礎(chǔ)周圍存在砂土液化問(wèn)題，從而降低基礎(chǔ)承載力；基礎(chǔ)周圍發(fā)生波浪容易引起海床沖蝕問(wèn)題；不能有效提高豎向和水平承載能力。

另外，考慮基礎(chǔ)下沉過(guò)程中，主要受到端部阻力的作用和桶內(nèi)土塞的作用。裙式吸力錨基礎(chǔ)采用的底部“尖”狀設(shè)置（如圖5所示）且“尖”位于內(nèi)側(cè)，即可大大減少底部阻力和主桶內(nèi)土塞產(chǎn)生，其“尖”端幾何尺寸需計(jì)算確定。另外，裙式吸力錨基礎(chǔ)取消了潛水泵而設(shè)置裙結(jié)構(gòu)頂面圓形排水口，裙結(jié)構(gòu)亦采用底部“尖”狀設(shè)置，為了進(jìn)一步減少端部阻力。

3 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)利用必將成為我國(guó)沿海地區(qū)清潔能源利用的一個(gè)熱點(diǎn)和方向，而作為風(fēng)電塌架的裙式吸力基礎(chǔ)，必將引起人們的重視。對(duì)我國(guó)廣闊海域來(lái)講，海床土體涉及砂土、粉土和粘性土，且成層分布現(xiàn)象突出[14-15]。因此，針對(duì)我國(guó)海洋地質(zhì)土分層特點(diǎn)和正在大力開(kāi)發(fā)離岸風(fēng)能資源的有利時(shí)機(jī)，本文所提出的新型吸力基礎(chǔ)—裙式吸力錨基礎(chǔ)是對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)工程選型的一個(gè)有利補(bǔ)充，有著明顯發(fā)展優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展粉土+砂土層狀地基中的裙式吸力錨基礎(chǔ)沉貫和承載力研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)和工程實(shí)踐價(jià)值，還具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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A Novel Type Suction Anchors for Offshore Wind Turbines

LI Da-yong1,LIU Xiao-li2,SUN Zong-jun3
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266510,China;2.Jiangsu Sheng Angeell Geotechnical Engineering Co.,Ltd.Xuzhou Jiangsu 221104,China;3.College of Natural Resources and Environment,Qingdao Shandong 266510,China)

Offshore wind as a clean energy attracts more and more attention.Suction foundations include suction anchors,suction piles and suction caissons,which are commonly used in offshore engineering to fix platform and moor floating structures.Currently they act extensively as foundations for the offshore wind turbines in shallow sea water.Such a foundation is an essential part of the whole engineering structures.It also involves the security of the whole engineering structures.Based on deep research on present tower,a new type of tower foundations named the skirted suction foundation is presented.The load-transfer mechanism and the two stages of the penetration of the skirted suction foundation consisting of self-weight induced and suction-induced are illustrated in detail.

offshore wind turbine;skirted suction foundation;installation;bearing capacity

P751

A

1003-2029（2011）03-0083-05

2011-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51078227）;山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2009FM00）;山東省"泰山學(xué)者"建設(shè)工程專項(xiàng)基金；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助；山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（YCA100320）

李大勇(1971-)，男，漢族，教授，博士，主要從事海洋巖土工程研究，E-mail:ldy@sdust.edu.cn