海上風(fēng)電場高樁承臺群樁基礎(chǔ)平臺的設(shè)計研究

王 淼, 武東寬, 李近元, 4, 祝 亮, 陳曉軍, 劉建民, 趙樂川

海上風(fēng)電場高樁承臺群樁基礎(chǔ)平臺的設(shè)計研究

王 淼1, 武東寬2, 李近元1, 4, 祝 亮1, 陳曉軍1, 劉建民3, 趙樂川5

(1. 中能電力科技開發(fā)有限公司, 北京 100034; 2. 龍源電力集團(tuán)股份有限公司, 北京 100034; 3. 湖南龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司, 湖南 長沙 410004; 4. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院, 北京 100083; 5. 福建龍源海上風(fēng)力發(fā)電有限公司, 福建 福州 350004)

針對國內(nèi)海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計沒有統(tǒng)一的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn), 為提升海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)的水平, 通過對東南沿海某海域海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計進(jìn)行了有限元計算分析論證, 驗證了群樁高承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的設(shè)計方法和設(shè)計參數(shù)。分析結(jié)果表明該設(shè)計的最大應(yīng)力主要發(fā)生在塔筒底座與承臺接觸部位及鋼管樁與承臺連接段, 應(yīng)在連接部位加強(qiáng)措施處理; 基礎(chǔ)豎直位移較小, 水平位移相對較大; 分界部位應(yīng)力較集中, 剛度不能順暢過渡, 可考慮填充碎石土等方法加強(qiáng)。本研究對海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)的研究與探索, 可為將來制定中國海上風(fēng)電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供可靠的依據(jù), 對中國未來大批量的海上風(fēng)電能源的開發(fā)有著重要意義。

海上風(fēng)電; 風(fēng)電基礎(chǔ); 基礎(chǔ)設(shè)計; 有限元; 群樁

我國東南沿海地區(qū)海床上部地層多為海積和沖洪積堆積層, 土層物理力學(xué)性質(zhì)較差, 承載力低且厚度分布不均勻, 下伏層中風(fēng)化巖層分布不規(guī)律, 起伏變化較大, 適合采用高樁混凝土承臺基礎(chǔ), 此種基礎(chǔ)形式借鑒了港口工程中靠船墩和跨海大橋橋墩的樁基礎(chǔ)形式, 由群樁和承臺組成, 采用傳統(tǒng)的海上施工設(shè)備和工藝, 國內(nèi)施工經(jīng)驗豐富, 嵌巖樁施工實現(xiàn)可靠度高, 穩(wěn)定性好, 施工工藝成熟[1]。

海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式中單樁基礎(chǔ)只適合工程地質(zhì)情況較好的有良好地基承載力的淺水區(qū)域, 而我國東南沿海地區(qū)水深較深, 海床面下有較厚的黏土層, 承載力較差, 抵抗水平荷載能力不能滿足設(shè)計要求, 所以該海區(qū)多采用高樁承臺群樁基礎(chǔ), 樁基礎(chǔ)采用鋼管樁[2]。本文針對該地區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境條件, 進(jìn)行了高樁承臺群樁基礎(chǔ)設(shè)計研究, 以探索復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)。

1 高樁承臺群樁基礎(chǔ)設(shè)計理論及方法

1.1 荷載分析

1.1.1 風(fēng)荷載

上部風(fēng)機(jī)承受風(fēng)荷載作用傳遞至塔筒底的荷載, 如圖1所示, 即為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的風(fēng)機(jī)荷載, 3個方向的彎矩M、M、M, 3個方向的軸力F、F、F, 可根據(jù)風(fēng)機(jī)制造廠家資料, 直接獲得計算所需荷載依據(jù)。

圖1 塔筒底部風(fēng)機(jī)荷載

1.1.2 波浪力

對于多柱式平臺, 柱的直徑與波長之比很小, 即:

/=1.8/48.9=0.036 8<0.2.

對于這種小直徑構(gòu)件主要采用莫里森-奧布賴恩(Morisen-O.Brien)所提出的方法。本文中斜樁傾角較小, 不考慮斜樁的影響, 當(dāng)波面高程相對于水深而言較小可以忽略不計時, 忽略群樁效應(yīng)[3]。

作用于靜水面上處的波浪力(如圖2)采用Morisen-O.Brien公式為:

式中:為海水密度, kg/m3;為樁直徑, m;D為速度力系數(shù), 取1.2[4];M為慣性力系數(shù), 取2.0[4]。

作用于樁體任意高度出的水平波浪力為:

H=D+I=

式中:D為水平拖曳力;I為水平慣性力。

沿樁體全高的總波浪力為:

1.1.3 潮流力

設(shè)計潮流為1.38 m/s, 單獨考慮海流的作用時, 由于海流不會引起水質(zhì)點的加速度, 因此只需根據(jù)Morison方程中忽略慣性力條件下求解即可[5]。

作用于水底面上高度處的正向波流力計算公式:

1.1.4 荷載組合

1) 承載能力極限狀態(tài)工況

0[1.2自重+1.4風(fēng)荷載(極端荷載)+0.7(1.5潮流力+ 1.5波浪力)]

2) 正常使用極限狀態(tài)工況

自重+0.6(風(fēng)荷載(正常運(yùn)行)+潮流力+波浪力)

1.2 群樁高承臺基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)我國目前設(shè)計和施工經(jīng)驗, 以及位于我國東南沿海的莆田地區(qū)水文地質(zhì)資料, 宜采用8根小角度外傾斜高樁承臺基礎(chǔ), 樁型采用直徑1.8 m鋼管樁, 樁靴深入花崗巖層7 m左右, 可滿足端承樁承載力要求, 根據(jù)荷載工況進(jìn)行豎向抗壓和抗拔承載力計算。

1) 嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設(shè)計值可按下式計算:

式中:cd為嵌巖樁單樁軸向抗壓承載力設(shè)計值(kN);1、2為分別為覆蓋層樁身周長(m)和嵌巖段樁身周長(m);fi為樁周第層圖的側(cè)阻力計算系數(shù),>1.0 m時, 巖面以上10 m范圍內(nèi)的覆蓋層, 取0.5~0.7, 10 m以上覆蓋層取1.0,為覆蓋層中樁的外徑;fi為樁周第層土的單位面積極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);l為樁穿過第層土的長度(m);cs為覆蓋層單樁軸向受壓承載力分項系數(shù);s、p分別為嵌巖段側(cè)阻力和端阻力計算系數(shù), 與嵌巖深徑比有關(guān);rk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);r為樁身嵌入基巖的長度(m);為嵌巖段樁端面積;cR為嵌巖段單樁軸向受壓承載力分項系數(shù)。

2) 單樁抗拔極限承載力按下列公式計算:

式中:R為單樁抗拔承載力分項系數(shù);ξ為折減系數(shù);為樁身界面周長(m);fi、l同式(5);為樁重力(kN), 水下部分按浮重力計;為樁軸線與垂線夾角(°)。

3) 承受水平力或力矩作用可采用-曲線法進(jìn)行計算, 承受水平力或力矩作用的樁側(cè)土體壓應(yīng)力滿足下列要求:

式中: σ3、σ為泥面以下/3處和處土的水平壓應(yīng)力(kN/m2);為土的內(nèi)摩擦角(°);為土的容重(kN/m3);為土的黏聚力(kN/m2);為樁的入土深度(m);為考慮總荷載重恒載所占的比例的影響系數(shù);g為恒載對樁底中心產(chǎn)生的力矩(kN·m);為總荷載對樁底產(chǎn)生的力矩(kN·m)。

4) 嵌巖端按固接設(shè)計時, 嵌巖深度不應(yīng)小于計算嵌巖深度, 計算嵌巖深度按下式計算:

式中′r為計算嵌巖深度;d為基巖頂面處樁身剪力設(shè)計值;為系數(shù), 取0.2~1.0;rk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa);d為基巖頂面處樁身彎矩設(shè)計值(kN·m);為嵌巖段樁身直徑(m)。

5) 承受拔力的樁基礎(chǔ), 應(yīng)同時驗算群樁基礎(chǔ)呈整體破壞和呈非整體破壞時基樁抗拔承載力, 計算應(yīng)符合極限狀態(tài)計算式如下:

式中Nk為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下基樁拔力;uk、gk分別為群樁呈整體破壞和非整體破壞時基樁的抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值;gp為群樁基礎(chǔ)所包圍的樁土總自重除以總樁數(shù), 地下水位以下取浮重度;p為基樁自重, 地下水位以下取浮重度。

2 工程案例分析

2.1 工程背景

福建莆田某海上風(fēng)電項目地區(qū), 該項目所在區(qū)100年一遇10 min最大風(fēng)速即設(shè)計風(fēng)速取40 m/s。屬淺海港灣地貌, 水深10~30 m, 場地上覆第四系沖海積層, 下伏基巖為燕山晚期花崗巖。

2.2 工程地質(zhì)資料

本工程按A類地貌考慮, 上部結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。在該海區(qū)進(jìn)行工程地質(zhì)勘查后, 得到工程區(qū)土及樁側(cè)摩和樁端摩擦阻力參數(shù)見表1。

表1 土的參數(shù)表

2.3 水文地質(zhì)資料

場地水文地質(zhì)概況: 擬建海區(qū)場位海水化學(xué)類型為高礦化度的氯化鈉(鉀)型水(Cl–, Na+, K+), 對混凝土結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性; 對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)在干濕交替的情況下具強(qiáng)腐蝕性, 在長期浸水情況下則具弱腐蝕性。

2.4 工程海洋水文條件

2.4.1 潮汐

1) 基面關(guān)系

根據(jù)對工程海區(qū)水文觀測的實測數(shù)據(jù), 對工程場區(qū)長期潮位站為期1年的逐時潮位資料進(jìn)行調(diào)和分析計算, 得到的基面關(guān)系如圖3所示。

2) 設(shè)計潮位

根據(jù)長期潮位站實測潮位資料繪制潮位歷時累積頻率曲線, 將歷時累積頻率1%潮位作為設(shè)計高水位(3.81 m), 將歷時累積頻率98%的潮位作為設(shè)計低水位(–3.15 m)。

圖3 基面關(guān)系示意圖

按照《海港水文規(guī)范》(JTS 145-2-2013)附錄C極端水位的近似計算方法, 查取附近平潭站和崇武站的極端高水位為1.3 m, 極端低水位為–1.0 m。因此, 可得工程場區(qū)的極端高、低水位分別為5.11 m和–4.15 m(1985國家高程基準(zhǔn))。

2.4.2 波浪

1) 波浪特征

該海域全年有效波高(s)平均值為0.80 m, 最大波高(max)最大值為13.56 m; 周期(a)平均值為3.85 s, 最大值為8.87 s。從s平均值看, 總體較小, 在0.47~1.16 m之間。a的平均值在3.38~5.70 s, 最大值在5.00~8.87 s。

2) 設(shè)計波浪要素

設(shè)計波要素代表點位置見圖4, 計算結(jié)果見表2。

圖4 設(shè)計波浪要素代表點位置

2.4.3 海流

工程場區(qū)及附近大潮期間平均流速在0.29~ 0.70 m/s。工程場區(qū)及附近大潮期間最大流速為1.33 m/s, 對應(yīng)流向為100°。

2.5 風(fēng)機(jī)荷載

該工程采用西門子生產(chǎn)的單機(jī)容量為4.0 MW的SWT4.0-130S離岸型風(fēng)電機(jī)組。設(shè)計荷載參數(shù)由西門子廠家提供。如表3、表4所示。

2.6 基礎(chǔ)設(shè)計方案

根據(jù)風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組荷載參數(shù)、當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)地貌、海洋環(huán)境條件以及港口工程施工經(jīng)驗, 初步設(shè)計選擇群樁數(shù)目為8 根的高樁承臺群樁基礎(chǔ), 承臺直徑14 m, 厚度5 m, 樁型為端承樁, 樁徑1.8 m, 樁長50 m的高端承臺群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu), 其中泥面以上部分為填芯混凝土鋼管樁, 泥面以下采用空心鋼管樁。

表2 該地區(qū)Ⅲ點位置50年一遇設(shè)計波浪要素

表3 基礎(chǔ)承載能力極限狀態(tài)荷載

表4 基礎(chǔ)正常使用極限狀態(tài)基礎(chǔ)設(shè)計荷載

應(yīng)用上述高樁承臺群樁基礎(chǔ)設(shè)計理論及方法, 經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法計算分析, 可以滿足工程結(jié)構(gòu)要求。

3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的數(shù)值模擬驗證分析

3.1 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬計算分析, 采用承載能力極限狀態(tài)荷載參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核, 正常使用極限狀態(tài)荷載參數(shù)對剛度進(jìn)行驗證。承臺采用solid45單元模擬, 樁采用beam188單元模擬, 樁土作用采用p-y曲線法進(jìn)行處理[6], 應(yīng)用combin139彈簧單元對其模擬。

根據(jù)設(shè)計文件結(jié)構(gòu)分析建模如圖5所示, 樁土作用曲線如圖6、圖7所示。

圖5 風(fēng)電基礎(chǔ)有限元模型

圖6 黏土層p-y典型曲線

圖7 砂土層p-y典型曲線

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.2.1 承臺

由圖8、圖9承臺應(yīng)力分布狀態(tài)及大小可以看出:

圖8 承臺壓應(yīng)力云圖

1) 承臺中最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在與過渡段和樁接觸部位;

2) 承臺混凝土整體最大壓應(yīng)力為15.7 MPa, 小于C40混凝土的抗壓強(qiáng)度19.1 MPa, 說明混凝土承臺的承載力可以達(dá)到要求;

3) 承臺整體局部拉應(yīng)力達(dá)到5.58 MPa, 出現(xiàn)在過渡段與承臺連接部位, 而該位置是由貫穿承臺基礎(chǔ)的預(yù)埋件與過渡段連接, 可以充分避免該位置出現(xiàn)拉應(yīng)力, 所以該處拉應(yīng)力不予考慮。

3.2.2 鋼管樁

由圖10、圖11鋼管樁應(yīng)力分布狀態(tài)及大小可以看出:

1) 鋼管樁中最大應(yīng)力為91.3 MPa, 出現(xiàn)在鋼管樁的填充混凝土與非填充混凝土分界部位, 小于設(shè)計所選用的Q345鋼管的強(qiáng)度設(shè)計有效值295 MPa, 鋼管樁處于安全狀態(tài)。

圖10 鋼管樁應(yīng)力云圖

圖11 鋼管樁軸力圖

2) 樁的最大軸向壓力為24 628 N, 小于規(guī)范允許值56 280.9 N, 最大軸向拉力為3 036 N, 小于規(guī)范允許值11 560 N, 滿足鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計要求。

3.3 結(jié)構(gòu)變形位移分析

樁深-位移曲線如圖12所示, 基礎(chǔ)變形計算結(jié)果見表5。

由結(jié)構(gòu)變形位移計算結(jié)果可以看出:

1) 承臺基礎(chǔ)的最大水平位移為16.5 mm, 小于設(shè)計水平位移容許值150 mm, 豎直最大沉降為5.8 mm,遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定地基允許沉降值100 mm;

2) 承臺基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角位0.001 881 rad, 其正切值為0.001 81, 小于規(guī)范允許值0.003;

3) 位移最大位置發(fā)生在承臺及樁頂部位, 完全符合結(jié)構(gòu)位移特點。

圖12 樁深-位移曲線

表5 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)變形計算結(jié)果表

4 結(jié)論

依據(jù)對工程海區(qū)海洋工程地勘實測數(shù)據(jù)及水文實測數(shù)據(jù), 通過對海上群樁高承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案通過有限元軟件模擬計算分析, 得出以下結(jié)論。

1) 該方案滿足承載力強(qiáng)度設(shè)計要求, 混凝土承臺壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均可保證后期設(shè)備投產(chǎn)后正常運(yùn)行, 最大應(yīng)力主要發(fā)生在塔筒底座與承臺接觸部位及鋼管樁與承臺連接段, 所以在連接部位應(yīng)做加強(qiáng)措施處理, 保證在正常使用過程中抗疲勞破壞損傷;

2) 承臺基礎(chǔ)豎直位移較小, 水平位移相對較大, 位移較大位置主要發(fā)生在承臺上, 但均能滿足規(guī)范剛度和變形要求;

3) 由于鋼管樁采用了部分填充混凝土, 部分空心結(jié)構(gòu), 通過計算結(jié)果可以看出, 由于樁體界面突變, 在該分界部位應(yīng)力較集中, 剛度不能順暢過渡, 容易造成該鋼管樁產(chǎn)生局部破壞, 且該地區(qū)為沿海臺風(fēng)多發(fā)地區(qū), 所以應(yīng)對局部構(gòu)造均作加強(qiáng)過渡處理, 可考慮填充碎石土等方法, 以防止由于局部破壞而影響使用壽命。

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Research for the design of the basis with pile group and high bearing platform of offshore wind farm

WANG Miao1, WU Dong-kuan2, LI Jin-yuan1, 4, ZHU Liang1, CHEN Xiao-jun1, LIU Jian-min3, ZHAO Le-chuan5

(1. China Longyuan Power Group Co., Ltd., Beijing 100034, China; 2. Zhong Neng Power-Tech Develop-ment Co., Ltd., Beijing 100034, China; 3. Hunan Longyuan Wind Power Generation Co., Ltd., Changsha 410004, China; 4. School of Ocean Sciences, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083 China; 5. Fujian Longyuan Offshore Wind Power Generation Co., Ltd., Fuzhou 350004, China)

Wind power generation is an important aspect of renewable energy. With the advancement of green technology, offshore wind power has become a novel engineering hot spot in recent years. The main problems that remain to be solved are the design and of offshore wind energy facilities themselves. Offshore wind energy technology in European countries, where it developed relatively quickly, is the most often used reference in China; however, China currently depends on the design and construction standards used in hydropower construction and on offshore oil-drilling platforms, and offshore wind power standards are as yet unformed. After finite element calculation analysis and demonstration with the design of an offshore wind electron platform, the methods and parameters of design can be verified. Technological research and practical exploration of offshore wind farm can provide a reliable basis for making Chinese offshore wind electron the industry standard, and it will be of important value for the exploitation of mass offshore wind energy in the future in China.

offshore wind electron; wind electron platform; design; finite element; pile group

Jul. 5, 2019

TU357

A

1000-3096(2020)10-0114-07

10.11759/hykx20190705002

2019-07-05;

2019-08-20

國家自然科學(xué)基金項目(41776016)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41776016]

王淼(1982-), 男, 北京人, 高級工程師, 主要從事風(fēng)電開發(fā)技術(shù)方面的研究工作, E-mail: miao.wang.z@chnenergy.com.cn; 李近元(1984-),通信作者, 男, 博士研究生, 高級工程師, 主要從事海底地形地貌、海上風(fēng)電開發(fā)技術(shù)、海洋工程地質(zhì)等方面的研究工作, E-mail: lijinyuan84@126.com

(本文編輯: 劉珊珊)