海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀★

遲 春 廣

(中國(guó)人民解放軍92304部隊(duì)，海南 三亞　572018)

1　概述

在海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)中，海上風(fēng)電基礎(chǔ)是海上風(fēng)電重要的組成部分，海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)費(fèi)用與安裝成本占總造價(jià)20%～30%，基礎(chǔ)在不同工況環(huán)境條件下受到了波浪、風(fēng)、地震、沖擊等各種動(dòng)力荷載的交互作用，易造成風(fēng)機(jī)疲勞損傷、基礎(chǔ)承載弱化以及上部結(jié)構(gòu)傾斜等問(wèn)題。因此，在工程設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)中需要重點(diǎn)關(guān)注海上風(fēng)電基礎(chǔ)的承載特性問(wèn)題。

2　海上風(fēng)電基礎(chǔ)

當(dāng)前海上風(fēng)電基礎(chǔ)類型主要有：?jiǎn)螛痘A(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、筒型基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)等，其構(gòu)造如圖1所示。

3　海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀

3.1　海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)主要應(yīng)用于除包含深厚軟弱土層的大多數(shù)土質(zhì)，適用水深10 m～25 m軟基礎(chǔ)，其受力明確，技術(shù)成熟，適用范圍廣泛，淺水區(qū)地質(zhì)條件較好時(shí)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，施工最快。

單樁基礎(chǔ)使用較早，應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真等研究，并形成了相對(duì)成熟的一些評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)外基本上有四種分析計(jì)算方法：有限單元法、極限地基反力法、彈性地基反力法和P—Y曲線法。P—Y曲線法用法較為普遍，最早由Mcclelland[1]提出，隨后Matlock(1970)[2]先后提出軟黏土和砂土中水平受荷樁P—Y曲線計(jì)算方法，美國(guó)API(2000)采用其研究成果，Neil[3]為適應(yīng)相應(yīng)基礎(chǔ)與地基的需求后續(xù)進(jìn)行了改進(jìn)。

近些年國(guó)內(nèi)學(xué)者主要研究了動(dòng)荷載作用下海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)承載特性。尤漢強(qiáng)和楊敏等[4]對(duì)循環(huán)荷載作用下海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，研究了土體極限抗力退化和樁土開(kāi)脫效應(yīng)對(duì)樁基承載力的影響；羅慶[5]通過(guò)數(shù)值分析，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)的方法，研究了循環(huán)荷載在水平向、豎向及雙向耦合作用下的單樁基礎(chǔ)響應(yīng)，分析了循環(huán)頻率和循環(huán)次數(shù)對(duì)樁基礎(chǔ)的影響；楊永鑫等在軟黏土中進(jìn)行了水平靜載和循環(huán)動(dòng)載的加載試驗(yàn)，并以雙曲線型P—Y曲線模型對(duì)水平靜力與循環(huán)動(dòng)載下樁身彎矩展開(kāi)模擬與比較，研究發(fā)現(xiàn)剛度對(duì)計(jì)算結(jié)果有重要的影響。

3.2　海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)適用于較硬的海床，適用水深為20 m～50 m，受環(huán)境荷載的作用比較小，整體剛度大，制作和安裝成本較高，傳力較為復(fù)雜，施工周期較長(zhǎng)。

劉太強(qiáng)[6]利用ANSYS軟件對(duì)非線性樁土間作用的分析方法進(jìn)行模擬，并總結(jié)了樁土相互作用荷載的傳遞規(guī)律。朱斌等人[7]針對(duì)飽和砂土地基中四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，進(jìn)行一個(gè)離心模型試驗(yàn)，研究其在沿對(duì)角線方向和沿邊長(zhǎng)方向的水平靜力作用下，各基樁的樁周土反力差異、變形特性和內(nèi)力分配。在這個(gè)基礎(chǔ)上利用模塊分析樁基承載力的可靠度及Monte Carlo法對(duì)樁土系統(tǒng)輸入?yún)?shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，并給出了實(shí)際算例。對(duì)樁土作用樁軸力和樁側(cè)摩阻力分布、P—S曲線及樁端阻力進(jìn)行分析。

3.3　海上風(fēng)電重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)主要應(yīng)用于較硬的地基，不適合軟地基及沖刷海床，適用水深30 m以內(nèi)，由于重力式基礎(chǔ)陸上整體預(yù)制，故海上施工工期短，對(duì)海床要求較高，且造價(jià)較高。

為了研究復(fù)合加載條件下重力式基礎(chǔ)的承載特性，霍宏斌[8]利用通用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明隨著彎矩的增大，包絡(luò)線會(huì)逐漸縮小。李榮敏[9]用一次二階矩法中的驗(yàn)算點(diǎn)法計(jì)算了其基底應(yīng)力的可靠性、抗傾和抗滑，并將這三種失效模式作為一個(gè)串聯(lián)體系，應(yīng)用結(jié)構(gòu)體系可靠度的一種近似方法計(jì)算風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的可靠度。通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論，其可以滿足工程的安全要求，單個(gè)失效模式和結(jié)構(gòu)體系的失效概率都較小，可靠性比較高。對(duì)于重力式基礎(chǔ)工頻接地電阻和沖擊接地電阻，周蜜等人[10]討論了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸、粘土層土壤電阻率、厚度、海水深度以及砂石層土壤電阻率對(duì)其影響，并利用軟件系統(tǒng)計(jì)算重力式基礎(chǔ)潮間帶海上風(fēng)電機(jī)組接地裝置的沖擊特性參數(shù)和工頻特性參數(shù)。

3.4　海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)

海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)是在吸力錨的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、可重復(fù)利用和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，因而逐漸被廣泛關(guān)注。筒型基礎(chǔ)在國(guó)外應(yīng)用較早，1994年北海的Europipel6/11-E吸力式導(dǎo)管架平臺(tái)是筒型基礎(chǔ)的首次投入使用，我國(guó)于1995年在渤海5號(hào)平臺(tái)中首次應(yīng)用筒型基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算對(duì)筒型基礎(chǔ)的承載特性，如豎向承載力、水平承載力和變形進(jìn)行了研究。Andersen,Hansen等[11]對(duì)軟黏土中吸力錨進(jìn)行了野外模型試驗(yàn)，其試驗(yàn)成果對(duì)筒型基礎(chǔ)的研究提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持；張宇[12]通過(guò)數(shù)值分析研究了在豎向靜載作用下，筒型基礎(chǔ)與土的相互作用機(jī)理；張興旺[13]通過(guò)有限元分析研究了循環(huán)荷載作用下分層軟黏土中筒型基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心理論，同時(shí)對(duì)筒型基礎(chǔ)的水平承載力進(jìn)行了解析解研究；王建華等[14]通過(guò)研究水平循環(huán)荷載與豎向靜載對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響，得出以下結(jié)論：基礎(chǔ)的靜承載力大于水平循環(huán)承載力，在水平極限承載力計(jì)算中，豎向靜載的取值會(huì)影響循環(huán)荷載的大小與次數(shù)。

4　結(jié)論與展望

海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)難度較大，涵蓋了結(jié)構(gòu)，巖土，勘探，海工等多個(gè)學(xué)科，專業(yè)跨度較大，設(shè)計(jì)施工復(fù)雜。

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu),往往高達(dá)百米以上，基礎(chǔ)除了承受自重等豎向荷載以外還要承受較大的水平荷載和傾覆力矩，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)承載力理論研究主要以豎向承載力，水平承載力，變形為主，不能完全適應(yīng)海上風(fēng)電基礎(chǔ)發(fā)展需求。

隨著風(fēng)機(jī)功率的增加，基礎(chǔ)尺寸不斷增大，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)大尺寸基礎(chǔ)的極限承載力、破壞機(jī)理、循環(huán)軟化效應(yīng)以及動(dòng)力特性等問(wèn)題還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，應(yīng)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到大尺寸基礎(chǔ)上。

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