我國(guó)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式及荷載計(jì)算問題探討

董小兵，韓彥寶，李 雪， 楊 麗

(1. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西 西安 710065；

2. 北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司，北京 100096)

我國(guó)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式及荷載計(jì)算問題探討

董小兵1，韓彥寶2，李 雪2， 楊 麗2

(1. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，陜西 西安 710065；

2. 北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司，北京 100096)

針對(duì)我國(guó)目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀及海域地質(zhì)情況，提出目前適用于我國(guó)海域的幾類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，并以單樁基礎(chǔ)為例說明基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中存在的問題和注意的地方。對(duì)海上基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究做了一些探索。

海上風(fēng)電場(chǎng)；樁基礎(chǔ)；沖刷計(jì)算；荷載計(jì)算。

1 概述

2009年9月4日，我國(guó)東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)首批3臺(tái)3MW國(guó)產(chǎn)機(jī)組正式并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)穩(wěn)走出了第一步。

海上風(fēng)電場(chǎng)有著陸上風(fēng)電場(chǎng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)：海上風(fēng)力資源豐富，風(fēng)速大而且穩(wěn)定，同容量裝機(jī)，海上要比陸上風(fēng)力發(fā)電量大50%以上；海上風(fēng)電場(chǎng)大都建設(shè)在沿海地區(qū)，那里經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，用電量大，電網(wǎng)建設(shè)足夠堅(jiān)強(qiáng)，利于并網(wǎng)且距離上接近負(fù)荷中心；另外，海上發(fā)電不占用陸地土地資源，所以不涉及土地征用等問題。因此，海上風(fēng)力發(fā)電成為近年來國(guó)際風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新潮流和大方向，而且歐洲許多國(guó)家的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已相當(dāng)成熟。

隨著陸上風(fēng)電的開發(fā)能力日漸成熟，以及高質(zhì)量的陸上風(fēng)能資源逐步開發(fā)完成，我國(guó)的海上風(fēng)電將逐漸從實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入規(guī)模化開發(fā)階段。然而存在的問題也隨之而來，目前海上風(fēng)電項(xiàng)目海域使用論證獲得許可、通過海域環(huán)評(píng)、通航安全論證的周期一般需要2年以上。

除政策銜接問題外，海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本高也是是制約海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一。其中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所占成本比重高達(dá)15%～25%。因此，研究并探索合理而又低成本的風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已成為海上風(fēng)電技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。另外，與陸上基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)還受到波浪、水流、海冰等海洋環(huán)境荷載的作用，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力更加復(fù)雜，如何選擇合理的荷載計(jì)算方法也是一個(gè)亟待解決的問題。

2 我國(guó)海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式探索

目前，我國(guó)東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)選用的是高承臺(tái)樁基礎(chǔ)形式，而國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)采用的多是單樁和三角架基礎(chǔ)形式。我國(guó)設(shè)計(jì)和施工人員則是先打下8根鋼管樁，再在鋼管樁的頂部澆注成一個(gè)混凝土承臺(tái)，來滿足高聳風(fēng)機(jī)承載、抗拔、水平移位的需要。相關(guān)機(jī)組的順利投產(chǎn)為我國(guó)海上風(fēng)電地基基礎(chǔ)選型提供了新的選擇。

然而，高承臺(tái)樁基礎(chǔ)材料耗材大、施工周期長(zhǎng)、總造價(jià)高，尤其是鋼筋混凝土承臺(tái)位于風(fēng)浪區(qū)內(nèi)，承受的浪力較大，且由于本場(chǎng)區(qū)的上部淤泥質(zhì)地層較厚，承臺(tái)高出持力層約20m，結(jié)構(gòu)受力條件極為不利，承臺(tái)和樁結(jié)合處需要特別加固；之所以選擇此類基礎(chǔ)形式，是因?yàn)槲覈?guó)國(guó)內(nèi)對(duì)該類基礎(chǔ)形式的施工方法和施工經(jīng)驗(yàn)比較成熟，又是首次進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，從安全穩(wěn)妥角度考慮是可行的。若采用低樁承臺(tái)樁方案，雖可以避免風(fēng)浪區(qū)，但是需要進(jìn)行水下作業(yè)，施工難度也很大。所以海上基礎(chǔ)選擇承臺(tái)樁方案有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

從文獻(xiàn)[4]對(duì)我國(guó)海域從北到南沿海底地質(zhì)情況的介紹可以看出，我國(guó)大多海域不適合建重力式和負(fù)壓桶基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)比較適合我國(guó)大多海域的地質(zhì)條件。國(guó)內(nèi)各高校和科研單位對(duì)海上基礎(chǔ)形式選擇及結(jié)構(gòu)計(jì)算方面做了一系列有益的探文獻(xiàn)[6～7]經(jīng)過專業(yè)系統(tǒng)的研究表明，在水深5m～20m以內(nèi)的海域內(nèi)，單樁基礎(chǔ)具有三角樁、承臺(tái)樁基礎(chǔ)無法比擬的成本優(yōu)勢(shì)，而且單樁施工工期短，對(duì)周圍環(huán)境影響小。

2012年8月13日，經(jīng)過兩個(gè)多小時(shí)、3000多下液壓沖擊錘的敲擊，龍?jiān)措娏Ｉ辖ㄔO(shè)團(tuán)隊(duì)將50多米長(zhǎng)、5m直徑、幾百噸重的單樁基礎(chǔ)打入了地下40多米的位置，最終將垂直度誤差率控制在了2‰以內(nèi)(二期的誤差控制率為1‰)達(dá)到世界先進(jìn)水平，標(biāo)志著我國(guó)自主掌握了大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)電的基礎(chǔ)核心技術(shù)。

在 10m以下水深，重力式基礎(chǔ)造價(jià)較低，然而海上施工存在很大的不確定性，考慮到重力式基礎(chǔ)在軟弱地基上的穩(wěn)定性不易保證以及我國(guó)海域的實(shí)際情況，一般不建議選用。除非海床地質(zhì)條件特別好的情況，可以考慮使用。

在水深20m～30m得海域內(nèi)，可以考慮三角樁基礎(chǔ)或四角樁基礎(chǔ)。30m～50m海域內(nèi)可以選擇導(dǎo)管架基礎(chǔ)，相關(guān)設(shè)計(jì)理論可以參考海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)理論及相關(guān)規(guī)范。盡管目前許多新型的基礎(chǔ)形式在國(guó)外已有使用或研發(fā)，如張力腿結(jié)構(gòu)、三浮體結(jié)構(gòu)、Sapr結(jié)構(gòu)等。但是出于安全和技術(shù)角度考慮，在我國(guó)的應(yīng)用還是需要一段時(shí)間的探索。

3 基礎(chǔ)計(jì)算中存在的問題

我們以單樁基礎(chǔ)為研究對(duì)象，分析基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中存在的問題。相關(guān)問題的探討對(duì)三角樁基礎(chǔ)和多樁基礎(chǔ)也有一定的借鑒作用。

3.1 樁頂和上部結(jié)構(gòu)連接處應(yīng)力計(jì)算

目前，國(guó)外海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)普遍采用“單樁+過渡段”的方案。單樁頂部與上部結(jié)構(gòu)一般為灌漿連接，屬于承受彎矩和剪力共同作用的連接構(gòu)件，對(duì)于這類大直徑環(huán)狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算，目前規(guī)范中還沒有合適的計(jì)算方法。大直徑鋼管樁灌漿連接處的疲勞驗(yàn)算，不僅要考慮風(fēng)荷載的疲勞作用，還得考慮波浪水流荷載的疲勞效應(yīng)，目前規(guī)范中也沒有相關(guān)的計(jì)算方法。然而，為降低施工成本，龍?jiān)措娏κ┕F(tuán)隊(duì)摸索出一套無過渡段單樁工藝，不僅節(jié)省了施工成本，也簡(jiǎn)化了相關(guān)的計(jì)算問題。

3.2 樁內(nèi)力計(jì)算問題

樁內(nèi)力變形計(jì)算，我們選取《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94－2008中的m法與港口工程荷載規(guī)范JGJ254－98中的m法進(jìn)行比較分析。

某海上單樁基礎(chǔ)，內(nèi)徑4.755m，外徑4.8m，基礎(chǔ)法蘭到海底自然泥面處距離為15m。在水平力1171.7kN，彎矩43562.97kNm的作用下，用以上兩種方法計(jì)算的泥面處樁水平位移和樁身最大彎矩為：0.0381m，47181.19kNm (JGJ94－2008)；0.0189m，45909.57kNm(JGJ254－98)?？梢钥闯鰞烧哂?jì)算的樁身最大彎矩相差不是很大，但水平位移前者大約是后者的2倍。所以在單樁基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮用港口工程荷載規(guī)范中的m法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，這樣的計(jì)算結(jié)果也是偏保守的。

目前對(duì)于承受較大水平力和彎矩作用的樁基大多推薦使用p－y曲線法，但現(xiàn)有規(guī)范只分別建立了粘土、砂土的p－y曲線，對(duì)于粘土和砂土混合分層的情形如何處理沒有給出一個(gè)具體的計(jì)算方法。另外p－y曲線需要現(xiàn)場(chǎng)試樁，在選取原狀粘土的不排水抗剪強(qiáng)度Cu值時(shí)有一定的爭(zhēng)議，Cu的大小對(duì)p值的影響較大，而且p－y曲線理論計(jì)算過程比較繁瑣，只能通過電算實(shí)現(xiàn)，可操作性差。所以我們可以考慮使用JGJ254－98中的m法進(jìn)行初步計(jì)算。

3.3 水平承載力控制

對(duì)于樁承受的水平力和彎矩可以根據(jù)土體的承載力和樁的承載力來進(jìn)行相關(guān)的復(fù)核，我們主要考慮樁身水平變位及轉(zhuǎn)角問題。

由于海水風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力情況比陸上基礎(chǔ)更復(fù)雜，在海流、波浪和海風(fēng)反復(fù)作用下，泥面處泥面線以下很深的一段淤泥層基本是不產(chǎn)生抗力作用的，這樣的話，如何選擇合適的泥面線作為位移控制標(biāo)準(zhǔn)需要專門的研究。操作平臺(tái)的水平變位也需要控制在合理的范圍。

陸上風(fēng)機(jī)規(guī)定FD003－2007中對(duì)樁基基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角問題沒有做特別的規(guī)定，但對(duì)于海上樁基礎(chǔ)，特別是單樁基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)角問題應(yīng)該給予考慮，轉(zhuǎn)角太大的話直威脅到基礎(chǔ)與塔筒連接處的結(jié)構(gòu)抗剪能力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.4 船舶撞擊計(jì)算問題

在有船舶行駛的海域，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮正常荷載工況下的船舶撞擊基礎(chǔ)時(shí)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗(yàn)算，撞擊荷載的計(jì)算可以參考港口工程荷載規(guī)范JTS144－1－2010。同時(shí)也要考慮結(jié)構(gòu)受撞擊后是否有局部變形(國(guó)內(nèi)這方面的計(jì)算還沒有相關(guān)的理論)，進(jìn)而影響整體的穩(wěn)定性。特別是對(duì)單樁基礎(chǔ)而言，對(duì)撞擊和傾斜比較敏感。

4 荷載計(jì)算問題

4.1 波浪荷載計(jì)算

波浪荷載的設(shè)計(jì)可以參考海港水文規(guī)范JTJ213－1998中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。對(duì)于單樁基礎(chǔ)，可以采用中推薦的Morison公式計(jì)算。該方法計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單明了，有關(guān)參數(shù)方便確定，可操作性強(qiáng)。

4.2 海冰荷載計(jì)算

樁柱基礎(chǔ)受到的冰荷載一般只考慮水平荷載和豎向荷載兩種情形，而且以水平荷載為主，豎向荷載可作為次要荷載參與計(jì)算。計(jì)算直立樁柱水平靜冰壓力的公式各國(guó)各類規(guī)范中都有相關(guān)的規(guī)定，文獻(xiàn)[19]對(duì)這方面做了詳細(xì)的比較分析，有一定的參考價(jià)值。我國(guó)港口工程荷載規(guī)范中對(duì)冰荷載的計(jì)算做了詳細(xì)的說明，初步設(shè)計(jì)時(shí)可以參考其中的理論進(jìn)行相關(guān)荷載計(jì)算。

4.3 沖刷問題

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前，首先要勘測(cè)擬建基礎(chǔ)地區(qū)的海床活動(dòng)情況，海床活動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)沖刷的影響非常大，應(yīng)該盡量避免在海床活動(dòng)頻繁區(qū)域選建風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，或者在建前需要對(duì)基礎(chǔ)做一定的防沖刷處理措施。對(duì)于單樁基礎(chǔ)，由波浪作用引起的沖刷，在樁基泥面處樁前產(chǎn)生馬蹄渦、樁后產(chǎn)生尾渦。馬蹄渦和尾渦主要受Keulegan－Carpenter(KC)影響，按下式計(jì)算：

式中：T為波周期；D為樁外徑；h為水深；H為波高。

樁基礎(chǔ)進(jìn)行初步?jīng)_刷設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用以上計(jì)算方法判斷是否產(chǎn)生波浪沖刷，對(duì)形成沖刷的根據(jù)沖刷程度采取相應(yīng)的保護(hù)措施。然而，由于實(shí)際海流情況比較復(fù)雜，具體怎么計(jì)算更能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際沖刷情況，還需要相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。可以在以建的或擬建的基礎(chǔ)在海底泥面處安裝沖刷檢測(cè)裝置，收集沖刷資料，便于后續(xù)的分析研究。

5 總結(jié)

雖然在政府的有力推動(dòng)下，我國(guó)海上風(fēng)電表現(xiàn)出極強(qiáng)的發(fā)展勢(shì)頭，但畢竟發(fā)展時(shí)間短，海上風(fēng)資源、水文、地質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善，海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)及相關(guān)裝備研制等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)薄弱，風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)和認(rèn)證體系不完善，這些技術(shù)問題嚴(yán)重阻礙了我國(guó)海上風(fēng)電的快速發(fā)展。

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Discussion on Load Calculation and Wind Machine Foundation Form at Sea China

DONG Xiao-bing1, HAN Yan-bao2, LI Xue2, YANG Li2
(1. Shanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute, Xi'an 710065, China；
2. Beijing Millennium Software Technology Co., Ltd., Beijing 100096, China)

In view of the present development situation of offshore wind power base and sea geological situation in china, put forward currently applied in China Sea several basic forms, and the single pile foundation as an example to illustrate the basic problems in the design and the attention of the local. Design and research for the foundation of the sea made a few exploration.

offshore wind farm; pile foundation; scour calculation; load calculation.

TM614

A

1671-9913(2014)03-0077-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.016

2014-03-13

董小兵(1981- )，男，陜西麟游人，編輯，從事雜志編輯工作。