巖基海床區(qū)高樁承臺基礎(chǔ)沉樁高程偏差對風(fēng)機基礎(chǔ)性能影響分析

李響亮

(福建省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350001)

0 引 言

高樁承臺基礎(chǔ)作為國內(nèi)海上風(fēng)電場應(yīng)用最早的基礎(chǔ)形式，已在國內(nèi)海上風(fēng)電場工程中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，取得了良好的效果。跟單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等其他基礎(chǔ)形式相比，高樁承臺基礎(chǔ)地質(zhì)適應(yīng)性強，對船機設(shè)備能力要求低，國內(nèi)可利用船機資源多，應(yīng)用于復(fù)雜巖基海床海上風(fēng)電場時，具備較大的性能和經(jīng)濟優(yōu)勢[1]。然而在巖基海床進(jìn)行高樁承臺基礎(chǔ)設(shè)計時，鋼管樁沉樁受地質(zhì)條件影響，樁端高程存在較大的不確定性，尤其在島礁錯綜復(fù)雜的海域，實際樁端高程可能與設(shè)計要求存在較大偏差。而樁基作為高樁承臺基礎(chǔ)的重要支撐構(gòu)件，其沉樁情況對高樁承臺基礎(chǔ)的鋼管樁應(yīng)力、樁基承載力、基礎(chǔ)動力模態(tài)均會產(chǎn)生影響[2]。因海上風(fēng)機基礎(chǔ)現(xiàn)場施工，工期緊，難度大，實際沉樁與原設(shè)計產(chǎn)生偏差后，能否快速對偏差所帶來的基礎(chǔ)性能變化作出判斷，進(jìn)而開展后續(xù)施工工序或在風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計前即對沉樁的不確定性進(jìn)行充分考慮，制定好預(yù)留措施，均對節(jié)約施工設(shè)備資源，節(jié)省工程投資具有十分重要的意義。

1 建設(shè)條件

1.1 風(fēng)電場概況

工程位于福建省福清市海壇海峽海域，受“臺灣海峽”和“海壇海峽”雙峽管效應(yīng)影響，場區(qū)內(nèi)風(fēng)速大，臺風(fēng)頻繁，形成了國內(nèi)極端的海洋氣象條件。同時，由于該風(fēng)電場三面環(huán)島，形成了極端的海底地形地貌，場區(qū)內(nèi)島礁發(fā)育走向復(fù)雜，鋼管樁樁端高程確定十分困難。工程區(qū)共計46個機位，基礎(chǔ)形式均采用高樁承臺基礎(chǔ)，其中1臺基礎(chǔ)采用“打鉆打”施工工藝，未涉及沉樁工序和樁端高程偏差，因此本文后續(xù)分析中均不含該機位。剩余45臺機位中高樁承臺八樁基礎(chǔ)3臺，六樁基礎(chǔ)42臺。八樁基礎(chǔ)均采用5∶1的斜樁基礎(chǔ)，風(fēng)機均采用7.0 MW風(fēng)機機組。六樁基礎(chǔ)中采用8∶1的斜樁基礎(chǔ)13臺，風(fēng)機均采用7.0 MW風(fēng)機機組；六樁基礎(chǔ)中采用直樁基礎(chǔ)29臺，其中采用7.0 MW風(fēng)機機組5臺，采用6.2 MW風(fēng)機機組24臺。

1.2 風(fēng)機參數(shù)

工程區(qū)45臺風(fēng)機機組中21臺采用7.0 MW風(fēng)機機組，24臺采用6.2 MW風(fēng)機機組，風(fēng)機類型均為IEC IA類，根據(jù)風(fēng)機廠家資料和風(fēng)電場風(fēng)機載荷迭代結(jié)果，廠家風(fēng)機機組技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機機組技術(shù)參數(shù)

2 樁端高程偏差總結(jié)

工程區(qū)域內(nèi)島礁、巖礁、潮汐通道及沖刷槽等各種地質(zhì)地貌均有發(fā)育，海底地形起伏較大。既存在弱風(fēng)化花崗巖直接揭示，無強風(fēng)化花崗巖的基巖埋深極淺機位，也存在強風(fēng)化花崗巖埋深超過40 m，未發(fā)現(xiàn)弱風(fēng)化花崗巖的基巖埋深極深機位。同時，由于同一機位不同地層之間變化劇烈，花崗巖存在風(fēng)化不均一性，全風(fēng)化及散體狀強風(fēng)化巖層中可能夾有弱風(fēng)化的碎塊石和孤石，碎裂狀強風(fēng)化巖層中可能夾弱風(fēng)化的碎塊石和孤石等諸多不利于沉樁施工的情況。工程區(qū)具有鮮明的福建海域花崗巖特性，地層復(fù)雜多變，給海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)施工帶來較大的難度，設(shè)計標(biāo)高與實際沉樁標(biāo)高往往并不統(tǒng)一[3]。工程區(qū)45臺機位高樁承臺基礎(chǔ)多數(shù)存在超高或超打情況，結(jié)合實際沉樁資料，對4類不同基礎(chǔ)實際沉樁情況與設(shè)計標(biāo)高偏差最大超高和超打機位進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)電場樁端高程偏差統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，風(fēng)電場不同基礎(chǔ)類型的鋼管樁實際樁端高程與設(shè)計樁端高程均存在偏差，其中最大超高發(fā)生在7.0 MW風(fēng)機高樁承臺六樁直樁基礎(chǔ)，樁基類型為鉆孔摩擦樁，最大超高達(dá)到了18.65 m。最大超打發(fā)生在7.0 MW風(fēng)機高樁承臺六樁斜樁基礎(chǔ)，樁基類型為嵌巖樁，最大超打量為1.73 m，根據(jù)實際資料復(fù)核，上述情況對風(fēng)機基礎(chǔ)性能均產(chǎn)生了不同程度的影響，已對超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)機位進(jìn)行了設(shè)計變更。

3 邊界條件

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)

風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)均采用高樁承臺基礎(chǔ)。7.0 MW風(fēng)機基礎(chǔ)采用斜樁和直樁2種樁基形式，八樁基礎(chǔ)鋼管樁斜率5∶1，樁徑2.0 m，壁厚30 mm，六樁基礎(chǔ)鋼管樁斜率8∶1，樁徑2.1 m，壁厚40 mm。2種形式風(fēng)機基礎(chǔ)承臺直徑均為17.0 m，承臺底高程4.0 m，頂高程8.8 m，高4.8 m，其中，4.0 m高程處斜樁基礎(chǔ)布樁半徑6.0 m，直樁基礎(chǔ)布樁半徑6.3 m。6.2 MW風(fēng)機基礎(chǔ)采用直樁形式，鋼管樁樁徑2.0 m，壁厚30 mm，基礎(chǔ)承臺直徑16.0 m，承臺底高程4.0 m，頂高程8.8 m，高4.8 m，4.0 m高程處布樁半徑6.0 m。風(fēng)電場所有基礎(chǔ)鋼管樁入承臺深度1.8 m，鋼管樁與承臺連接件高2.0 m。

風(fēng)機基礎(chǔ)樁土相互作用采用海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計中被廣泛應(yīng)用的p-y曲線法[4]，基礎(chǔ)設(shè)計時不僅考慮了鋼管樁樁側(cè)、樁端和土體之間的相互作用，同時，還考慮了樁的側(cè)向水平土抗力和位移的相互作用。風(fēng)機基礎(chǔ)樁土作用簡化模型如圖1所示。風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)鋼管樁持力層為散體狀強風(fēng)化花崗巖，本文在后續(xù)計算分析時，當(dāng)樁基超高時，將樁端可打入層厚度減小，鋼管樁樁長相應(yīng)減小；超打時，降低樁端高程，可打入層厚度增加，鋼管樁樁長相應(yīng)增加。上述調(diào)整過程中嵌巖段長度不變。

圖1 樁土作用模型示意

3.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)機基礎(chǔ)鋼管樁應(yīng)力、樁基承載力、嵌巖樁樁端裂紋大小分別按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]、《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]、《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]執(zhí)行。基礎(chǔ)模態(tài)除滿足風(fēng)機葉輪運行的1P、3P、工程區(qū)波浪頻率外，還需要滿足風(fēng)機廠家對風(fēng)機基礎(chǔ)頻率的要求。風(fēng)機基礎(chǔ)頻率判斷區(qū)間如圖2所示。圖2中，當(dāng)風(fēng)機基礎(chǔ)1階整機頻率位于①、②、③的區(qū)間時，可滿足風(fēng)機廠家要求(本工程廠家要求頻率與葉片3P頻率存在一定交叉，如表1所示，已得到廠家確認(rèn)，廠家可通過風(fēng)機轉(zhuǎn)動策略進(jìn)行控制，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行廠家要求頻率)。本工程2種風(fēng)機機組廠家要求風(fēng)機1階整機頻率區(qū)間分別為0.313～0.338 Hz和0.337～0.379 Hz，頻率區(qū)間極其有限，對風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計的精確性提出了較高要求，現(xiàn)場沉樁所帶來風(fēng)機整機頻率變動是否滿足廠家要求，存在較大的不確定性。

圖2 風(fēng)機基礎(chǔ)頻率判斷區(qū)間

4 參數(shù)影響分析

4.1 實際高程偏差影響分析

根據(jù)工程實際沉樁資料，45臺機位中多個機位實際沉樁標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高存在偏差，風(fēng)電場4種不同基礎(chǔ)類型中的最大超高和超打情況如表2所示，其中摩擦樁基礎(chǔ)中最大超高為9.65 m，最大超打1.30 m，鉆孔摩擦樁基礎(chǔ)和嵌巖樁基礎(chǔ)中超高最大值為18.65 m，最大超打1.73 m?？紤]到巖基海床區(qū)域高樁承臺基礎(chǔ)的設(shè)計指標(biāo)主要包括樁基應(yīng)力、摩擦樁基礎(chǔ)的樁基承載力，嵌巖樁基礎(chǔ)樁端裂紋以及風(fēng)機基礎(chǔ)整機頻率等[8]，對不同基礎(chǔ)型式實際沉樁條件下風(fēng)機基礎(chǔ)性能進(jìn)行計算，所得沉樁偏差對各項技術(shù)指標(biāo)的影響結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 對基礎(chǔ)模態(tài)的影響

圖4 對樁基應(yīng)力和承載力影響

由圖3、4可知，沉樁高程偏差對基礎(chǔ)各項性能均有不同程度的影響。其中，對摩擦樁基礎(chǔ)的樁基承載力和嵌巖樁基礎(chǔ)的樁端裂紋影響程度較大，所統(tǒng)計機位中摩擦樁最大抗拔承載力折減已至51.1%，嵌巖樁最大樁端裂紋增大已至145.8%。較大的實際沉樁偏差將導(dǎo)致樁基所能提供的承載力大幅度下降，此種情況也導(dǎo)致了工程區(qū)部分摩擦樁基礎(chǔ)因樁基承載力不足而進(jìn)行了設(shè)計變更。沉樁偏差對嵌巖樁基礎(chǔ)的樁基承載力影響相對較小，但對嵌巖樁樁端的裂紋影響較大，實際工程中較大超高現(xiàn)象將導(dǎo)致樁端裂紋無法滿足規(guī)范要求，通常情況下需結(jié)合實際情況重新進(jìn)行嵌巖段配筋。在樁基應(yīng)力方面，樁端高程偏差對各種基礎(chǔ)樁基應(yīng)力影響均較小，本工程均位于5%以內(nèi)。

在風(fēng)機基礎(chǔ)模態(tài)方面，由于不同的風(fēng)機廠家要求的頻率區(qū)間以及給定的區(qū)間大小存在差異，不同基礎(chǔ)類型和原設(shè)計條件的基礎(chǔ)，情況有所不同，對于原已在頻率要求區(qū)間邊界處的機位而言，一定的超高或超打可能導(dǎo)致風(fēng)機整機頻率無法滿足廠家要求，例如圖3中7.0 MW六樁斜樁基礎(chǔ)最大超高時基礎(chǔ)頻率已超過廠家要求。

4.2 高程偏差敏感性分析

結(jié)合上文風(fēng)電場實際沉樁情況對風(fēng)機基礎(chǔ)性能的影響分析結(jié)果，樁端高程偏差主要對摩擦樁的樁基承載力、嵌巖樁的樁端裂紋以及風(fēng)機整機模態(tài)影響相對較大。為分析樁端高程偏差對上述性能影響程度，結(jié)合風(fēng)電場實際資料進(jìn)行敏感性分析。

4.2.1 對樁基性能的影響

取風(fēng)電場摩擦樁基礎(chǔ)和嵌巖基礎(chǔ)各2臺，通過對樁端高程進(jìn)行調(diào)整，對摩擦樁基礎(chǔ)的樁基承載力和嵌巖樁基礎(chǔ)的樁端裂紋進(jìn)行計算與統(tǒng)計，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 對摩擦樁樁基承載力的影響

圖6 對嵌巖樁樁端裂紋的影響

由圖5可知，樁端高程偏差對摩擦樁樁基承載力影響較大，其中抗拔承載力折減大于抗壓承載力折減，樁端高程在2 m范圍內(nèi)變化情況下，無論是抗拔承載力還是抗壓承載力，折減比例已至10%～20%。由圖6可知，樁基存在超打現(xiàn)象時，樁端混凝土裂紋會隨之減小，存在超高現(xiàn)象時，樁端混凝土裂紋隨之增大，隨著樁基入土深度的增加，裂紋的增大有減小趨勢，算例中在樁端高程偏差分別超過2 m和4 m時，樁端裂紋超過規(guī)范要求數(shù)值，需調(diào)整嵌巖段配筋設(shè)計。

4.2.2 對基礎(chǔ)模態(tài)的影響

取風(fēng)電場7.0 MW和6.2 MW風(fēng)機基礎(chǔ)各2臺，通過對鋼管樁樁端高程進(jìn)行調(diào)整，對風(fēng)機基礎(chǔ)1階整機頻率進(jìn)行計算與統(tǒng)計，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 7.0 MW機組敏感性分析

圖8 6.2 MW機組敏感性分析

由圖7、8可知，風(fēng)機基礎(chǔ)整機頻率隨著鋼管樁入土深度的增大，整機頻率呈增大趨勢。圖7中，7.0 MW風(fēng)機整機頻率要求區(qū)間為0.313～0.338 Hz，原設(shè)計整機頻率為0.336 7 Hz的基礎(chǔ)，頻率接近廠家要求頻率上限，當(dāng)鋼管樁樁端超高2 m后，整機頻率為0.338 4 Hz，超出廠家要求頻率區(qū)間。原設(shè)計整機頻率為0.321 0 Hz的基礎(chǔ)，頻率位于廠家要求頻率中間，當(dāng)樁端高程偏差超過±8 m時，風(fēng)機整機頻率仍滿足要求。圖8中，6.2 MW風(fēng)機整機頻率要求區(qū)間為0.337 0～0.379 0 Hz，2臺基礎(chǔ)原設(shè)計整機頻率分別為0.363 2 Hz和0.370 9 Hz，均較接近廠家要求頻率上限，但因廠家要求頻率區(qū)間較大，當(dāng)樁端高程差超過±8 m時，仍在廠家要求范圍內(nèi)。綜合圖7和圖8計算結(jié)果和風(fēng)電場實際沉樁統(tǒng)計資料，由于巖基海床區(qū)，鋼管樁超高現(xiàn)象較超打情況普遍，建議在風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計時，可將風(fēng)機基礎(chǔ)一階頻率控制于廠家要求頻率中間且可適當(dāng)偏下限，以適應(yīng)后續(xù)因鋼管樁超高或超打所導(dǎo)致的風(fēng)機頻率變化。

5 結(jié)論與建議

本文以福建省某巖基海床異常復(fù)雜地質(zhì)條件下實際沉樁資料為出發(fā)點，通過分析風(fēng)電場實際沉樁高程偏差及其帶來的風(fēng)機基礎(chǔ)性能的變化，得到的結(jié)論和建議有

(1)巖基海床區(qū)高樁承臺基礎(chǔ)沉樁高程偏差主要影響摩擦樁基礎(chǔ)樁基承載力，嵌巖樁基礎(chǔ)樁端裂紋以及2種基礎(chǔ)的風(fēng)機整機頻率。對嵌巖樁基礎(chǔ)的樁基承載力和2種基礎(chǔ)的鋼管樁應(yīng)力影響相對較小。

(2)對摩擦樁基礎(chǔ)而言，在進(jìn)行風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮風(fēng)電場摩擦樁基礎(chǔ)的鋼管樁可打入性以及地層變化，對風(fēng)機基礎(chǔ)鋼管樁采用預(yù)留一定長度措施，在盡量節(jié)省風(fēng)機基礎(chǔ)投資的同時，確保基礎(chǔ)的安全。同時，為避免設(shè)計變更，基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)使風(fēng)機基礎(chǔ)承載力留有一定的安全儲備。

(3)對嵌巖樁基礎(chǔ)而言，在鋼管樁沉樁完成后，應(yīng)對風(fēng)電場存在較大超高現(xiàn)象的機位進(jìn)行樁端裂紋復(fù)核。同時，建議基礎(chǔ)設(shè)計時，對于地質(zhì)復(fù)雜的機位，裂紋計算應(yīng)留足安全儲備，以減小設(shè)計變更，加快工程建設(shè)進(jìn)度。

(4)在進(jìn)行風(fēng)機基礎(chǔ)動力模態(tài)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場設(shè)計資料和廠家要求綜合判斷，對于巖基海床高樁承臺基礎(chǔ)，應(yīng)盡量使風(fēng)機整機一階頻率位于廠家要求頻率區(qū)間的中間。同時，對于區(qū)間頻率要求窄小的風(fēng)機機組，更應(yīng)嚴(yán)格控制每臺基礎(chǔ)的整機頻率。