某近海風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型分析

顧明

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

我國近海風(fēng)能資源豐富，預(yù)計(jì)可達(dá)陸地風(fēng)能資源的3倍。大力發(fā)展風(fēng)電尤其是近海風(fēng)電，對(duì)于改善我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。地基基礎(chǔ)是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。近海風(fēng)電機(jī)組由于體型巨大，且長期承受風(fēng)、浪、波流等各種復(fù)雜荷載的作用，因此對(duì)基礎(chǔ)的各方面性能提出了更高的要求。

本文結(jié)合某近海風(fēng)電場項(xiàng)目，就風(fēng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段基礎(chǔ)的選型問題展開討論，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算和對(duì)比分析以給出風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的合適方案。

1 項(xiàng)目背景

1.1 場地概況

某海上風(fēng)電場位于離岸約35km的近海海域，初步選定單機(jī)容量為3.0MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑103.9m，輪轂高度90m。風(fēng)電場所在場地海底地勢(shì)較為平坦，水深平均在19m左右。根據(jù)探勘土層情況結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，表層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土為主。

1.2 設(shè)計(jì)荷載

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮的荷載主要包括自重、風(fēng)機(jī)荷載、波浪力、水流力、風(fēng)荷載、地震荷載、撞擊荷載等。其中上部風(fēng)機(jī)承受風(fēng)荷載作用傳遞至塔筒底的荷載，即為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)荷載，一般可由風(fēng)機(jī)廠家的資料取最不利工況計(jì)算得到。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮施工工況、正常運(yùn)行工況、極端工況、地震工況等荷載組合工況，同時(shí)考慮正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)。

1.3 計(jì)算原則

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算通常按三種狀態(tài)進(jìn)行：

（1）極端工況下的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，考慮基礎(chǔ)承受最大風(fēng)機(jī)荷載和相應(yīng)波浪荷載情況下的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

（2）疲勞工況下的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，主要考慮基礎(chǔ)在整個(gè)服役期內(nèi)承受風(fēng)、波浪等循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。

（3）系統(tǒng)自振特性計(jì)算，即進(jìn)行風(fēng)機(jī)-塔架-基礎(chǔ)-地基整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)體系的自振特性，以避免產(chǎn)生共振破壞。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在方案比選階段一般主要進(jìn)行極端工況下的極限狀態(tài)計(jì)算，在方案確定后進(jìn)行深化設(shè)計(jì)時(shí)，再進(jìn)行疲勞極限狀態(tài)和系統(tǒng)自振特性等計(jì)算。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)長期承受上部塔架傳來的各向荷載，以及波浪力和海流力等，這些荷載均具有較明顯的動(dòng)力和循環(huán)特性；而基礎(chǔ)在上述荷載作用下的水平變形通常較大，地基土也容易產(chǎn)生塑性變形。因此，為了更好地反映海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的循環(huán)受荷和大變形的特性，本工程樁基的水平受荷計(jì)算均采用p-y曲線法。

1.4 基礎(chǔ)水平變形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

考慮風(fēng)機(jī)正常安全運(yùn)行的要求以及高聳結(jié)構(gòu)對(duì)水平變形的要求，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，擬定本工程在正常服役狀態(tài)下的樁基泥面處水平變形不大于25mm。此外，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)，本工程所選3.0MW機(jī)型的基礎(chǔ)水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)為：水平剛度不小于2.0×107N/m。

2 方案設(shè)計(jì)及比選

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮海床的地質(zhì)構(gòu)造、離岸距離、海上風(fēng)浪的載荷特性以及海流、冰等的影響。就目前國內(nèi)外發(fā)展情況看，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)按結(jié)構(gòu)型式可分為重力固定式、單樁基礎(chǔ)、支柱式基礎(chǔ)、浮置式基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)以及桶形基礎(chǔ)等。

圖1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的常見型式

本工程風(fēng)電場場址離岸距離約36km，平均水深19m左右，風(fēng)電場淺表層土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉質(zhì)粘土，分別屬于高壓縮性土層、中等偏高壓縮性土層，天然地基承載力較低。由于水深較深，若采用重力式基礎(chǔ)則會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)體積過大，運(yùn)輸施工困難，工程造價(jià)不經(jīng)濟(jì)；另一方面，海床面淺表層土在波浪、潮流作用下，容易因地基承載力不足以及沖刷影響使基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降乃至失穩(wěn)，因此本工程不宜采用重力式基礎(chǔ)。桶形基礎(chǔ)和浮置式基礎(chǔ)具有良好的應(yīng)用前景，然而目前仍處于理論研究與試驗(yàn)階段，尚未大規(guī)模投入使用，設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)不足，因而一般也不考慮選用。以下主要就單樁基礎(chǔ)，支柱式基礎(chǔ)（包括三角架和四角架組合式基礎(chǔ)）和高樁承臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 單根鋼管樁基礎(chǔ)

本海域水深一般為19～20m，海床上部土層為高壓縮性的淤泥或淤泥質(zhì)土，地基剛度較小。因此建議首先對(duì)海床地基進(jìn)行加固處理，本方案分析時(shí)暫不考慮地基處理的影響。根據(jù)目前已建近海風(fēng)電場基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程擬定單樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)型式為：單根直徑4.2m鋼管樁，平均樁長70m，壁厚50mm，入土深度為41m，樁尖進(jìn)入粉質(zhì)粘土與粉砂層。

計(jì)算結(jié)果表明，直徑4.2m，壁厚50mm的單根鋼管樁方案可以滿足風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行工況下的基礎(chǔ)承載力及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，但其平臺(tái)水平剛度僅1.1×107N/m，達(dá)不到工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的剛度要求。在極限工況下，樁頂水平位移過大，可能對(duì)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生很不利的影響。另一方面，如繼續(xù)加大樁徑，目前國內(nèi)大直徑鋼管樁海上施工一定程度仍受施工工藝及設(shè)備的限制。因此本工程不建議采用單根鋼管樁的基礎(chǔ)方案。

2.2 三角架組合式基礎(chǔ)

三角架組合式基礎(chǔ)即三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，主要在海上石油平臺(tái)、燈塔等建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。三角架組合式基礎(chǔ)的具體結(jié)構(gòu)型式為：三根鋼管樁按等邊三角形布設(shè)于海底，樁頂通過套管連接上部三角桁架，從而構(gòu)成組合式基礎(chǔ)。

擬定的三角架組合式基礎(chǔ)方案為：三根鋼管樁呈等邊三角形布置，外接圓直徑27m。鋼管樁直徑2.2m，壁厚26mm，樁長為70m，入土深度64m。施工時(shí)先將預(yù)制導(dǎo)管架定位、沉放、初步調(diào)平之后，再將三根鋼管樁穿過鋼管套打入到海床中。三角架組合式基礎(chǔ)一般在外圍設(shè)置有獨(dú)立的防撞和靠船樁，故結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)一般無需再考慮撞擊荷載。

經(jīng)過計(jì)算，分別考慮最不利荷載的作用方向，樁頂?shù)淖畲髩毫妥畲笊习瘟Ψ謩e為5590kN和2640kN，小于相應(yīng)的單樁豎向承載力，滿足要求。采用p-y曲線法進(jìn)行水平變形的計(jì)算，得到樁基在泥面處的最大水平位移為26.1mm，樁基水平剛度為9.3×107N/m，滿足要求。

2.3 四角架組合式基礎(chǔ)

四角架組合式基礎(chǔ)方案與三角架方案類似：四根鋼管樁定位于海底，樁頂通過套管連接上部四角架結(jié)構(gòu)，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)：鋼管樁直徑1.8m，壁厚24mm，樁長70m，入土深度64m。

分別考慮最不利荷載作用方向情況下，樁頂?shù)淖畲髩毫妥畲笊习瘟Ψ謩e為6040kN和1830kN，小于相應(yīng)的單樁豎向承載力，滿足要求。采用p-y曲線法進(jìn)行結(jié)構(gòu)水平變形的計(jì)算，得到樁基泥面處最大水平位移為25.1mm，樁基水平剛度為8.4×107N/m，滿足要求。

2.4 高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)

高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)為港口工程常見的結(jié)構(gòu)，由樁基和承臺(tái)組成，承臺(tái)一般為現(xiàn)澆混凝土。本方案擬采用采用10根直徑2.0m、壁厚26mm的80m長鋼管樁作為基礎(chǔ)，在承臺(tái)底面沿半徑6m圓周均勻布置，基樁斜度5：1。設(shè)計(jì)承臺(tái)底標(biāo)高位于設(shè)計(jì)高潮位與設(shè)計(jì)低潮位之間，基樁入土深度為54m。

采用p-y曲線法對(duì)本方案進(jìn)行了極限荷載工況下樁基水平承載力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，本方案的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均可以滿足設(shè)計(jì)要求。樁基的最大壓力和最大上拔力分別為5120kN和3550kN，均小于相應(yīng)的單樁豎向抗壓或抗拔承載力，滿足要求。樁基泥面處最大水平位移為16.8mm，樁基水平剛度為5.7×107N/m，滿足要求。

高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)一般不另設(shè)防撞系統(tǒng)，因此需要進(jìn)行撞擊工況下的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。本工程按偶然工況計(jì)算船舶撞擊力，假定船舶重200噸，撞擊速度3m/s，撞擊力按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》公式計(jì)算，波浪力按最大波高計(jì)算，水流力按漲潮流速計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算得到單樁最大壓力為3126.1kN，小于抗壓承載力9865kN，單樁最大抗拔力為2602.8kN，小于抗拔承載力4099kN，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

2.5 方案比選

理論上講，單樁基礎(chǔ)，支柱式基礎(chǔ)（包括三角架組合式基礎(chǔ)和四角架組合式基礎(chǔ)），高樁承臺(tái)基礎(chǔ)在本工程中都可以采用。然而結(jié)合計(jì)算結(jié)果以及國內(nèi)目前的實(shí)際施工水平，各種方案在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面存在差異。

單樁方案在采用4.2m大直徑鋼管樁的條件下基礎(chǔ)水平剛度仍然較小，不能滿足上部風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的要求。同時(shí)考慮到國內(nèi)目前的施工水平，在海上進(jìn)行如此大直徑樁施工的設(shè)備條件有限，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也相對(duì)比較欠缺。因此從確保工程質(zhì)量和安全的角度出發(fā)，本工程不建議采用單根鋼管樁的基礎(chǔ)型式。

三角架及四角架組合式基礎(chǔ)由于采用預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的型式，其基礎(chǔ)主要的構(gòu)件大部分可在陸上拼裝完成，海上施工工作量相對(duì)較小，對(duì)縮短工期較為有利。但是該種型式的基礎(chǔ)對(duì)施工過程中的穩(wěn)定性控制及精度要求比較高。此外，由于這兩種方案的基礎(chǔ)防撞能力偏低，一般需額外設(shè)置單獨(dú)的防撞系統(tǒng)，從而又增加了工程量和造價(jià)。

高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的施工工藝最為成熟，但是其主要的施工工作量均在海上現(xiàn)場完成，因?yàn)槭┕ぶ芷谳^長，同時(shí)受場地制約的影響也較多。該方案整體剛度較大，防撞能力也相對(duì)較強(qiáng)。

鑒于目前國內(nèi)海上混凝土施工工藝相對(duì)比較成熟，因此采用高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)方案具有較好的可行性和可靠性，工程風(fēng)險(xiǎn)較低。另一方面，國內(nèi)海洋石油工程領(lǐng)域在石油平臺(tái)導(dǎo)管架施工方面經(jīng)驗(yàn)成熟，故三角架和四角架基礎(chǔ)方案也可在本工程中采用。高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)剛度較大，不需考慮設(shè)置獨(dú)立的防撞樁；而三角架或四角架基礎(chǔ)方案防撞能力偏低，需在外圍另設(shè)防撞樁，因此兩者各有優(yōu)劣。相比三角架方案，四角架組合式基礎(chǔ)性能相近但造價(jià)偏高，因此經(jīng)對(duì)比后可不作考慮。

綜上所述，本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)將高樁承臺(tái)群樁列為第一推薦方案，將三角架組合式基礎(chǔ)作為第二推薦方案。

3 結(jié)語

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的造價(jià)是風(fēng)電場總造價(jià)的重要部分，選擇經(jīng)濟(jì)合適的基礎(chǔ)型式會(huì)大大降低風(fēng)電場的建設(shè)成本。本文結(jié)合某近海風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的實(shí)例，從結(jié)構(gòu)安全、施工難度、工程量等角度分析了單樁基礎(chǔ)、三角架組合式基礎(chǔ)、四角架組合式基礎(chǔ)和高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)等不同基礎(chǔ)型式的適用性。本文的計(jì)算過程和討論結(jié)果可為其它類似工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的選型設(shè)計(jì)提供參考。

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