冰區(qū)海上風(fēng)電場工程抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

趙業(yè)彬，江 山，褚洪民

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

渤海海上風(fēng)能儲備豐富，在國家積極開發(fā)和利用可再生能源的戰(zhàn)略背景下，渤海近海風(fēng)電場的建設(shè)勢在必行。然而，渤海近海海域每年冬季都會出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，曾發(fā)生過多起因海冰導(dǎo)致的海上油氣平臺管線斷裂、天然氣泄漏，甚至海上平臺被海冰推倒的重大事故［1］?？梢?，海冰將成為渤海冰區(qū)海上風(fēng)電場設(shè)計和安全運行的重要影響因素［2］。因此，如何保障冰區(qū)海上風(fēng)電場在海冰作用下的安全運行成為該海域風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中亟待解決的關(guān)鍵問題。

大量海上油氣工程的運行實踐表明，在海上平臺腿柱潮差段安裝由正、倒圓錐體對接構(gòu)成的抗冰結(jié)構(gòu)可有效減小冰力、降低平臺冰激振動［3］。楊國金等［4］通過對JZ 20-2-3 油氣平臺冬季運行期間的觀測與分析，驗證了實際工程中加裝抗冰結(jié)構(gòu)的有效性；岳前進等［5］研究了海冰與抗冰結(jié)構(gòu)間相互作用，建立了用于分析海冰作用的冰力函數(shù)模型；史慶增等［6］借助敏感性分析方法，研究了海上油氣平臺抗冰結(jié)構(gòu)中正、倒錐角的最優(yōu)搭配關(guān)系，并指出40°～65°是渤海海上平臺抗冰結(jié)構(gòu)實用的錐角范圍。

現(xiàn)階段海上平臺抗冰結(jié)構(gòu)的研究以小直徑、多腿柱、導(dǎo)管架式的海洋油氣開采平臺為主，鮮有關(guān)于冰區(qū)海上風(fēng)電場超大直徑單樁基礎(chǔ)抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析的系統(tǒng)性研究成果。依托渤海冰區(qū)某擬建海上風(fēng)電場，在借鑒渤海海上油氣平臺抗冰經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了適用于該場區(qū)海上風(fēng)機超大直徑單樁基礎(chǔ)的抗冰結(jié)構(gòu)，并建立以超大直徑單樁基礎(chǔ)、抗冰結(jié)構(gòu)和地基作為整體結(jié)構(gòu)的三維計算模型，采用三維有限元法研究了在冰區(qū)海上風(fēng)電場超大直徑單樁基礎(chǔ)上加裝抗冰結(jié)構(gòu)以減小海冰作用的可行性。

1 工程概況

某擬建海上風(fēng)電場位于渤海近海，場區(qū)海底地形起伏較小，地貌成因類型為濱海淺灘，泥面高程約為-20～-15 m，風(fēng)電機組擬采用開口變壁厚的超大直徑鋼管單樁基礎(chǔ)。統(tǒng)計分析了工程海域近十年冬季海冰衛(wèi)星遙感資料及現(xiàn)場監(jiān)測資料，表明本海上風(fēng)電場所處海域的海冰為一年冰，冰型以尼羅冰、灰冰為主，總冰期長達70 天，50年一遇的平整冰冰厚約32 cm。

為保障海上風(fēng)電機組在冬季安全運行，工程借鑒了渤海海上油氣平臺的抗冰經(jīng)驗，在綜合考慮工程海域潮位變化、海冰磨蝕等因素影響下，在風(fēng)機基礎(chǔ)潮差段加裝由正倒錐殼板、徑向肋板和水密隔板組合而成抗冰結(jié)構(gòu)以減少海冰對海上風(fēng)電機組的破壞，抗冰結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 抗冰單樁基礎(chǔ)

2 計算模型及方案選取

2.1 計算模型及參數(shù)

建立如圖2 所示的風(fēng)機抗冰單樁基礎(chǔ)—地基三維計算模型。樁基長為70 m，樁外徑為6.0 m，壁厚為55～70 mm，入土深度為45 m。抗冰結(jié)構(gòu)由Q345級鋼板焊制而成，其中，錐殼板厚度為22 mm，中心點設(shè)計標(biāo)高位于平均海平面處，錐角為60°，高程為-3.0～3.0 m，最大錐徑為9.46 m；沿錐殼板內(nèi)部設(shè)置12 道厚度為25 mm 的徑向肋板，并在正、倒錐結(jié)合部位設(shè)置厚度為25 mm 水密隔板將抗冰結(jié)構(gòu)分為上、下兩個獨立的水密室。計算模型以海平面處樁基圓心為原點，以海床泥面處為地基表面，泥面高程為-15 m，地基采用三維實體單元模擬，計算范圍取60 m×60 m×70 m（長×寬×高）；樁基和抗冰結(jié)構(gòu)則采用殼單元模擬。計算模型共離散為72 216 個節(jié)點，70 117 個單元。

圖2 三維有限元計算模型

計算中，地基側(cè)面約束其水平向位移，底部為全約束。風(fēng)機基礎(chǔ)和地基均采用線彈性本構(gòu)模型，其中，地基土飽和容重為20 kN／m3，彈性模量為30 MPa，泊松比為0.28；鋼材密度為7 850 kg／m3，彈性模量為210 GPa，屈服強度為345 MPa，泊松比為0.30。樁基與地基之間接觸采用庫倫摩擦模型，界面摩擦系數(shù)取0.5。海冰厚度取50年一遇工況，其壓縮強度為2.27 MPa，彎曲強度為588 kPa。計算考慮上部風(fēng)電機組傳遞到樁基頂端的力矩為47 580 kN·m，豎向力為4 228 kN，水平力為665 kN。

2.2 計算方案

主要從靜冰力角度考察在海上風(fēng)機超大直徑單樁基礎(chǔ)上加裝抗冰結(jié)構(gòu)的可行性。受潮差影響，海冰作用在抗冰結(jié)構(gòu)上的位置會有所不同，計算選取平均水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位、極端高水位及極端低水位共5 種計算工況。計算過程中，當(dāng)海冰作用于樁基或抗冰結(jié)構(gòu)的正倒錐交界處時，柱體靜冰力計算采用Korzhavin-Afanasev 公式［7］

式中：m 為形狀系數(shù)，圓柱體取0.9；I=（1+5 h／D）1／2為嵌入系數(shù)；fc為柱體接觸系數(shù)，取0.45；σc為海冰極限抗壓強度；D 為海冰作用處樁徑；h 為冰厚。

當(dāng)海冰作用于抗冰結(jié)構(gòu)的錐殼板時，選用Hirayama-Obara 冰力公式［8］進行錐體靜冰力的計算。將海冰對錐殼板作用力分解為水平向冰力FH和鉛直向冰力FV，可表示為：

式中：B=3.7 為系數(shù)；σf為海冰彎曲強度；μ 為海冰與錐殼板間的摩擦系數(shù)，取0.1；α為錐角；Lc=為海冰特征斷裂長度，其中E 為海冰彈性模量，v 為海冰泊松比，ρw為海冰密度。

3 結(jié)果與分析

對作用于不同水位、有無加裝抗冰結(jié)構(gòu)工況下海上風(fēng)機超大直徑單樁基礎(chǔ)的應(yīng)力變形規(guī)律作對比分析，以驗證加裝抗冰結(jié)構(gòu)的有效性。

3.1 應(yīng)力

通過對不同水位工況的計算結(jié)果進行對比分析，表明該海上風(fēng)機所采用的超大直徑單樁基礎(chǔ)在有、無加裝抗冰結(jié)構(gòu)情況下的最大等效應(yīng)力均位于泥面附近處，且最大等效應(yīng)力量值均小于材料的屈服強度，滿足強度要求。圖3 和圖4 分別給出了設(shè)計高水位工況下風(fēng)機基礎(chǔ)及抗冰結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布云圖（單位均為Pa），計算工況下樁基和抗冰結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力分別見表1 和表2。

圖3 設(shè)計高水位工況下風(fēng)機基礎(chǔ)等效應(yīng)力分布云圖

圖4 設(shè)計高水位工況下抗冰結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

表1 風(fēng)機基礎(chǔ)最大等效應(yīng)力與極值靜位移

表2 抗冰結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力 MPa

由表2 可知，計算工況下普通單樁基礎(chǔ)的最大等效應(yīng)力隨水位的降低而降低，而抗冰單樁基礎(chǔ)的最大等效應(yīng)力則隨水位變化無明顯變化規(guī)律。平均水位工況下抗冰單樁基礎(chǔ)的最大等效應(yīng)力達85.09 MPa，遠超普通平臺的67.66 MPa；而其余計算工況下抗冰單樁基礎(chǔ)的最大等效應(yīng)力與普通單樁基礎(chǔ)相比減幅約為19.01%～28.78%。

3.2 位移

圖5 為設(shè)計高水位工況下風(fēng)機基礎(chǔ)的位移分布云圖（單位為m），計算工況下樁基極值靜位移見表2。結(jié)果表明，風(fēng)機基礎(chǔ)在有、無加裝抗冰結(jié)構(gòu)下的極值靜位移均出現(xiàn)在樁基頂端，且樁基極值靜位移隨水位的變化規(guī)律與應(yīng)力變化規(guī)律相近，即普通單樁基礎(chǔ)的極值靜位移隨水位的降低而降低，而抗冰單樁基礎(chǔ)則無明顯變化規(guī)律。當(dāng)海冰作用于抗冰結(jié)構(gòu)時，除平均水位工況外，其余計算工況下抗冰單樁基礎(chǔ)的極值靜位移均小于普通平臺，減幅約為23.24%～29.34%；平均水位工況，即海冰發(fā)生擠壓破壞時，普通單樁基礎(chǔ)的極值靜位移約為47.48 mm，而抗冰單樁基礎(chǔ)則達54.29 mm。

圖5 設(shè)計高水位工況下風(fēng)機基礎(chǔ)位移分布云圖

3.3 結(jié)果分析

通過對不同水位、有無加裝抗冰結(jié)構(gòu)工況下樁基的等效應(yīng)力、靜位移進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)除平均水位工況外，加裝抗冰結(jié)構(gòu)可有效減小海冰對樁基的作用力，抗冰單樁基礎(chǔ)靜力抗冰性能良好，說明在冰區(qū)海上風(fēng)機超大直徑單樁基礎(chǔ)上加裝抗冰結(jié)構(gòu)是合理有效的。

由表2 和表3 可知，平均水位工況，即海冰作用于抗冰結(jié)構(gòu)正倒錐交界處時，海冰在此處發(fā)生擠壓破壞引起比原單樁基礎(chǔ)更大的冰力。針對此問題，研究人員通過對渤海海上油氣平臺長期監(jiān)測資料分析表明，當(dāng)海冰作用于抗冰結(jié)構(gòu)的正倒錐交接處時，受海面浮動的影響海冰多會隨機向上或向下運動，海冰破壞模式仍以彎曲破壞為主，說明抗冰單樁基礎(chǔ)在平均水位工況下仍可有效減小冰力。

4 結(jié)語

針對冰區(qū)海上風(fēng)電場建設(shè)所面臨的海冰問題，建立了以海上風(fēng)機超大直徑單樁基礎(chǔ)、抗冰結(jié)構(gòu)和地基的三維海上風(fēng)機抗冰平臺模型，采用三維有限元法從靜冰力角度對不同計算工況下樁基的應(yīng)力變形作對比分析。結(jié)果表明，采用三維有限元法可較為直觀地揭示海冰作用下海上風(fēng)機基礎(chǔ)的應(yīng)力狀態(tài)和變形特征。當(dāng)海冰作用于抗冰結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲破壞時，抗冰單樁基礎(chǔ)的應(yīng)力、變形較原普通單樁基礎(chǔ)均大幅降低，證明了在海上風(fēng)機超大直徑單樁基礎(chǔ)上加裝抗冰結(jié)構(gòu)有效性。鑒于海上風(fēng)電機組設(shè)備的特殊要求，有待開展海冰作用下冰區(qū)海上風(fēng)電機組的動力響應(yīng)分析。