風電安裝船支腿模型樁試驗研究

陳大明，孫洋波

（上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上?！?01315）

風電安裝船支腿模型樁試驗研究

陳大明，孫洋波

（上海港灣工程質(zhì)量檢測有限公司，上海201315）

風電安裝船支腿模型樁試驗主要研究在拔樁移船時模型樁受到的上拔阻力，文章主要通過模型試驗的方法研究分析輔助水力減阻系統(tǒng)的合理性、可行性及水力減阻效果，為1 000 t自升式風電安裝船水力減阻系統(tǒng)設計提供參考。本次試驗過程中，首次采用抗壓和抗拔一體式加載系統(tǒng)，節(jié)省了試驗時間，提高了現(xiàn)場試驗效率。

風電安裝船；模型樁；模型試驗；水力減阻系統(tǒng)；減阻效果

0　引言

海上風電場具有不占用土地資源、發(fā)電效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點，已成為未來重要的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向之一[1-3]。我國海上風電施工區(qū)域大部分都是屬于軟土性質(zhì)，海床淺部地基承載力很低[4]，自升式風電安裝船作業(yè)時，為了滿足作業(yè)需求，往往需要將帶樁靴的船腿插入一定的深度以滿足承載力需求。在以往的工程實踐中經(jīng)常出現(xiàn)由于入泥深度過深，上拔阻力超過船機上拔能力而導致支腿上拔困難的情況。

本課題旨在通過大比尺模型試驗，研發(fā)出一套水力減阻系統(tǒng)，減小樁靴上拔時的上拔阻力，通過模型試驗進一步優(yōu)化設計，為1 000 t自升式風電安裝船水力減阻系統(tǒng)設計提供相關(guān)參數(shù)。

1　試驗荷載裝置

安裝船支腿模型樁（以下簡稱模型樁）豎向抗壓和抗拔靜載荷試驗加載采用抗壓和抗拔一體式加載系統(tǒng)，即用4根錨樁作為模型樁反力樁，試驗過程中可采用一體式加載系統(tǒng)多次重復進行抗壓、抗拔試驗，而不需要拆卸反力裝置，試驗加載裝置布置如圖1所示。

2　試驗方案

首先進行第1次支腿下壓試驗，確定支腿下壓極限承載力。按2/3下壓極限承載力對支腿維持壓載7 d，然后進行拔樁試驗，確定最大上拔力。第二步在水力減阻系統(tǒng)開啟或關(guān)閉條件下研究上拔力的變化情況，從而分析研究水力減阻系統(tǒng)對支腿上拔阻力的影響，具體試驗過程見表1。

圖1　試驗加載裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of loading equipment for model testing

表1　 試驗過程匯總表Table 1　Summary of intermediate test results

3　現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)分析

3.1支腿下壓、上拔試驗及試驗結(jié)果

2015-01-28進行了第1次支腿下壓試驗，經(jīng)綜合判斷，支腿下壓極限承載力為3 300 kN。2015-01-28—2015-02-05按照2 200 kN荷載對支腿進行了維持壓載，7 d內(nèi)位移自14.5 mm增加至17.5 mm。自2015-02-05—2015-04-18共進行了6次支腿上拔試驗，其中2015-02-05—2015-02-12按照2 200 kN荷載進行維持壓載，7 d內(nèi)位移自16.9 mm增加至21.6 mm。各次試驗結(jié)果匯總見表2。

表2　試驗結(jié)果匯總表Table 2　Final summary of test results

3.2支腿上拔力試驗結(jié)果分析

1）根據(jù)表2試驗結(jié)果，第二階段第3次支腿上拔試驗與第4次支腿上拔試驗時間間隔僅24 h，拔樁力分別為2 070 kN、1 890 kN，相差僅為10%左右，說明在這種已受擾動的土體中，土體強度趨于一個較穩(wěn)定的值，反復拉拔強度較接近。

2）第2次支腿上拔試驗，上、下部水力減阻系統(tǒng)同時開啟，與第1次試驗相比，減阻2 300-750=1 550 kN。3月12日，單獨開啟下部減阻系統(tǒng)與第3次相比，減阻2 070-950=1 120 kN，單獨開啟上部減阻系統(tǒng)后減阻340 kN。將這兩者相加為1 460 kN，與同時開啟上下部減阻系統(tǒng)的總的減阻效果非常接近，誤差僅為6%。所以，上下部水力減阻效果可視為是單獨開啟上部水力減阻效果和下部水力減阻效果之和。從試驗過程中具體情況來看，開啟上下部水力減阻系統(tǒng)對減小阻力均有明顯效果，單獨開啟上部減阻系統(tǒng)占減阻效果的23%，單獨開啟下部的減阻系統(tǒng)減阻效果占77%，可見，下部減阻系統(tǒng)的減阻效果明顯優(yōu)于上部的減阻效果。

3）2015-04-18在試樁及平臺拆除前，最后一次采用320 t吊機做了支腿上拔試驗，試驗對時間-拔力以及時間-位移做了記錄（圖2、圖3），開始時刻為10:40。拔力采用的是吊機自帶的量測設備，位移采用拉線傳感器記錄。

圖2　第7次支腿上拔試驗時程-拔力曲線Fig.2　Relationship of time history vs pulling force of seventh uplifting test

圖3　第7次支腿上拔試驗時程-位移曲線Fig.3　Relationship of time history vs displacement of seventh pulling test

支腿上拔力的峰值出現(xiàn)在約10:46左右，此后的5 min內(nèi)維持在1 020～1 080 kN，此時對應的位移值為32～60 cm。根據(jù)文獻[5]的研究成果，這種帶樁靴的支腿上拔破壞時對應的支腿上拔位移為0.1～0.2倍的樁靴直徑，本次模型試驗所用的樁靴換算直徑為28 cm，對應的0.1～0.2倍位移為28～56 cm，與試驗的實測結(jié)果比較接近。第2次試驗跟第7次試驗都同時開啟樁靴上下表面的水力減阻措施，兩次試驗的最大支腿上拔力值相差較大，第7次最大支腿上拔力約為1 080 kN，在對應15 cm時的支腿上拔力約為940 kN，為第7次的115%，說明對于這種具有大尺寸樁靴的支腿上拔試驗，最大拔力對應的位移比常規(guī)的支腿上拔試驗要大很多，采用液壓千斤頂支腿上拔由于行程限制，比實際最大支腿上拔力偏小。因此，在對比分析時，應對前6次的支腿上拔力的試驗結(jié)果進行一定的修正。按照第2次與第7次試驗的對比，建議對前6次的結(jié)果乘以1.15系數(shù)，即得到前6次的支腿上拔力分別為2 650 kN、863 kN、2 380 kN、2 170 kN、1 090 kN、1 780 kN。

3.3水力減阻效果分析

對于采取水力減阻措施減阻后的支腿上拔力估算，根據(jù)類圓柱面剪切法[6]，底面吸附力為334 kN，根據(jù)InSafeJIP指南方法[5]，需要克服的底面破壞力為259～430 kN，單獨開啟下部減阻效果的減阻為1 120 kN，這比類圓柱面剪切法和InSafeJIP指南方法的334 kN和430 kN都明顯大，可見，不管是類圓柱面剪切法還是InSafeJIP指南方法，下部水力減阻的效果不僅僅是克服由于孔壓差或由于需要克服底面破壞所需要的阻力，根據(jù)最基本的物理知識分析，這很可能是由于下部噴水后樁靴下部充滿高壓水，有類似于液壓油缸的抬升作用，若除減去克服孔壓差或者下部阻力的因素外，抬升力為690～770 kN，平均到底面約為111～124 kN/m2，具體效果與船機噴水裝置的機械性能和布置參數(shù)等相關(guān)。在估算采用樁靴底面水力減阻措施減阻后的支腿上拔力時，不僅要考慮底面吸附力的減小，尚可考慮由于樁靴底面充滿水后的抬升力。具體抬升效果可在自升船進行深部作業(yè)時，先在入泥較淺區(qū)域做減阻試驗確定。

根據(jù)本次試驗結(jié)果，開啟上部減阻措施與開啟下部減阻措施的效率比大約為1∶3，具體的比例需在自升船上試驗確定。根據(jù)近海樁靴上下表面的水力減阻試驗，可為遠海樁靴入泥較深區(qū)域的水力減阻效果估算提供依據(jù)。

4　結(jié)語

通過對1 000 t自升式風電安裝船水力減阻系統(tǒng)的模型試驗和研究，取得了大量的試驗數(shù)據(jù)，獲得了一套合理的減阻系統(tǒng)。驗證了在支腿上布置高壓噴頭的水力減阻系統(tǒng)的效果，對于本次試驗模型噴頭布置較密、出口流量和壓力較大的情況，減阻效果明顯，根據(jù)此次試驗數(shù)據(jù)，同時開啟樁靴上下表面及樁腿上的減阻措施，可減少60 %～70%的支腿上拔力，而樁靴下表面的減阻措施占總減阻效果的70%多，樁靴上表面及樁腿上的減阻措施占減阻效果的20%多，說明樁靴下表面的減阻效果更為明顯。根據(jù)近海樁靴上下表面的水力減阻試驗，可為遠海樁靴入泥深度較深區(qū)域的水力減阻效果估算提供依據(jù)。

[1]趙群，王永泉，李輝.世界風力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機電工程，2006，23（12）：16-18.ZHAO Qun,WANG Yong-quan,LI Hui.The current status and development trend of world wind power[J].Mechanical and Electrical Engineering,2006,23(12):16-18.

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Experimental study on model legs of wind power installation vessel

CHEN Da-ming,SUN Yang-bo
（Shanghai Harbor Quality Control&Testing Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China）

Model leg tests for wind power installation vessels focus mainly on the research on the uplift resistance against model legs of a wind power installation vessel when the vessel is moved from one location to another.The rationality and feasibility of an auxiliary hydraulic drag reduction system as well as the effect of the hydraulic drag reduction are studied and analyzed by the model testing to provide reference for the design of a hydraulic drag reduction system for the 1 000 t jack-up wind power installation vessel.In the course of the experiment,it is the first time to use an integrated loading system of compression and pulling,which greatly saves the test time and improves the efficiency of field testing.

wind power installation vessel;model leg;model test;hydraulic drag reduction system;drag reduction effect

U676.6；TP4

A

2095-7874（2016）09-0034-03

10.7640/zggwjs201609008

2016-05-07

2016-06-27

陳大明（1985— ），男，江蘇淮安人，碩士，工程師，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，主要從事水工結(jié)構(gòu)試驗檢測工作。E-mail：cdmchendaming@163.com