自升式風(fēng)電安裝船在不同土質(zhì)插樁深度研究

包彩虹，王俊杰

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，海上風(fēng)能作為一種新的可再生能源，受到了大多數(shù)國家的青睞?！讹L(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020年底，風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億kW以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬kW以上。因此，海上風(fēng)電場的建設(shè)成為國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過程中必不或缺的一部分。而自升式風(fēng)電安裝船作為海上風(fēng)電施工的專用船舶，也越來越多受到人們的關(guān)注。

自升式風(fēng)電安裝船主要通過將樁腿插入海底持力層，頂升船體出水形成一個在海平面以上的穩(wěn)固安裝平臺來進(jìn)行作業(yè)。與石油鉆井平臺不同，風(fēng)電安裝船具有“快插、快拔”的特性，而樁靴基礎(chǔ)在不同土質(zhì)中的承載能力也具有很大差異。因此，對不同性質(zhì)的海底土承載力的計算以及平臺基礎(chǔ)入泥深度的預(yù)測是保障海上風(fēng)電安全施工的重要前提，對風(fēng)電安裝船“站得住、拔的出”具有重要的指導(dǎo)意義。

自升式風(fēng)電安裝船插樁深度預(yù)測的關(guān)鍵在于地基土極限承載力的計算，一般把自升式風(fēng)電安裝船樁腿的最大預(yù)壓載荷等于或小于地基極限承載力時所達(dá)到的入泥深度定義為插樁深度[1]，通過選取幾個土層層位（文中所選層位為3～4層，根據(jù)土質(zhì)特征進(jìn)行判斷選?。嬎忝總€土層底面的地基承載力，找到樁腿最大預(yù)壓載荷等于地基承載力時所在的土層深度來獲得。文中主要采用《SNAME》[2]和《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式[1]對地基土極限承載力進(jìn)行計算。

1 《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式

目前國內(nèi)對于自升式船插樁深度的計算主要參考了SY/T 6707—2016《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[3]的計算方法，通過假設(shè)插樁時樁靴基礎(chǔ)上部土地完全回填（砂土）或完全不回填（黏性土）來計算該土層的地基極限承載力[1]。

1）對于不排水條件的黏性土，內(nèi)摩擦角φ=0°，樁靴極限承載力公式為：

式中：qu為地基極限荷載；cu為土體強(qiáng)度指標(biāo)；Nc為承載能力系數(shù)；γ1為樁靴基線以上土的有效重度；D為樁靴頂面沒有覆土回填時取海底泥面到樁靴基線的距離，樁靴頂面被覆土回填時取樁靴平均厚度h。

2）對于砂質(zhì)土，由于極限垂向承載力大[4]，因此考慮樁靴頂面被完全覆土回填，主要計算公式見為：

式中：qu為地基極限荷載；Nq，Nγ為承載能力系數(shù)，根據(jù)土體內(nèi)摩擦角按太沙基極限承載力系數(shù)表確定；γ1為樁靴基線以上土的有效重度；γ2為樁靴基線以下深度B內(nèi)土的有效重度；B為樁靴寬度；Sq，Sγ為樁靴底面形狀系數(shù)，對于長方形樁靴Sq取1，Sγ取0.8。

3）對于粉土，考慮砂土和黏粒土的成分占比，一般通過土工試驗進(jìn)行確定，表現(xiàn)為排水性時，按砂土承載力公式進(jìn)行計算，表現(xiàn)為不排水性時，按黏土承載力公式進(jìn)行計算。

2 《SNAME》修正公式

《SNAME》相關(guān)規(guī)范通過將傳統(tǒng)樁靴基礎(chǔ)等效成圓盤模型[2]，并進(jìn)一步考慮樁靴基礎(chǔ)的上覆土層壓力，從而計算基礎(chǔ)在不排水黏性土和排水性砂質(zhì)土中的垂向承載力。等效模型見圖1。

圖1 等效模型Fig.1 The equivalent model

另外，本規(guī)范還對影響樁靴基礎(chǔ)承載能力因素進(jìn)行了分析，主要包括極限樁坑深度和深度系數(shù)，《SNAME》中采用穩(wěn)定系數(shù)法來評估樁靴基礎(chǔ)在黏性土中插樁的臨界樁坑深度，但由于沒有考慮土體回流效應(yīng)，因此文中采用Hossain提出的極限樁坑深度計算方法[5]，其計算公式見式（3），深度系數(shù)計算方法則在后面不同土質(zhì)中分別討論。

式中：H為極限樁坑深度；B為樁靴等效橫截面直徑；Su為土體不排水抗剪強(qiáng)度；γ′為土體的有效容重。

1）對于不排水條件的黏性土，其垂向地基極限承載力為：式中：Fv為樁靴基礎(chǔ)垂向地基極限承載力；cu為泥面D+B/4深度內(nèi)土體不排水抗剪強(qiáng)度；Nc為承載能力系數(shù)，取5.14；Sc為樁靴形狀系數(shù)；dc為垂向承載力深度系數(shù)；p0′為有效上覆壓力；A為有效橫截面面積。

在不排水條件的黏性土中，《SNAME》規(guī)范通過結(jié)合Meyerhof[6]和Brinch Hansen[7]的研究成果，以D/B=1為分界點(diǎn)計算垂向承載力深度系數(shù)，但戴兵等人通過相關(guān)實驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的深度系數(shù)低估了樁靴基礎(chǔ)的垂向承載力[8]，因此文中采用Gourvenec提出的深度系數(shù)計算方法[9]，其公式為：

式中：D為樁靴基礎(chǔ)入泥深度；B為樁靴等效橫截面直徑。

2）對于排水條件的砂土，其垂向地基極限承載力為：

式中：Fv為樁靴基礎(chǔ)垂向地基極限承載力；γ′為土體的有效容重；B為樁靴等效橫截面直徑；Nγ，Nq為承載能力系數(shù)；Sγ，Sq為樁靴底面形狀系數(shù)；dγ，dq為垂向承載力深度系數(shù)；p0′為有效上覆壓力；A為有效橫截面面積。

其中垂向承載力深度系數(shù)dγ取值1，dq計算公式為：

式中：φ為土體內(nèi)摩擦角。

由于《SNAME》規(guī)范只考慮了帶樁靴基礎(chǔ)的垂直極限承載力，而忽略了樁靴上部土體回填和樁靴基礎(chǔ)排開土的有效重力，因此文中在進(jìn)行不同土質(zhì)地基極限承載力計算時還需考慮這兩部分的受力情況，從而得到自升式風(fēng)電安裝船在各個土層的插樁深度，其計算公式為：

式中：Q為樁靴基礎(chǔ)總的極限承載力；γD為從泥面到插樁深度的土體平均有效容重；γH為從泥面到極限樁坑深度的土體平均有效容重；γ′為土體的有效容重；V′為樁靴下部排開土的體積；V為樁靴基礎(chǔ)體積。

3 實例分析

通過選取華能如東300 MW海上風(fēng)電場和江蘇響水200 MW海上風(fēng)電場項目，分別利用文中所介紹的兩種公式對這兩個風(fēng)場區(qū)域內(nèi)相關(guān)機(jī)位進(jìn)行自升式風(fēng)電安裝船插樁深度的計算，與實際插深進(jìn)行比對，從而分析這兩種公式在不同土質(zhì)中的適用性。

自升式風(fēng)電船—“三航風(fēng)華”號主要參數(shù)見表1，樁靴基礎(chǔ)見圖2。

表1 “三航風(fēng)華”號主要船型參數(shù)Table1 Main parametersof"San Hang Feng Hua"ship

圖2 樁靴基礎(chǔ)圖Fig.2 The drawing of pile-shoe foundation

3.1 華能如東300 MW海上風(fēng)電場項目

海上風(fēng)電場項目位于江蘇省如東縣的爛沙海域，海底地形變化較大，風(fēng)電場形狀呈不規(guī)則四邊形，風(fēng)場中心離岸約23 km。風(fēng)電場擬安裝38臺上海電氣4.0 MW、12臺遠(yuǎn)景能源4.2 MW以及20臺重慶海裝5.0 MW風(fēng)電機(jī)組。其中37～50號風(fēng)機(jī)采用“三航風(fēng)華”號進(jìn)行安裝。

現(xiàn)選取48號機(jī)位作為典型機(jī)位，48號機(jī)位土層相關(guān)參數(shù)見表2。分別采用《海洋井場調(diào)查規(guī)范》和《SNAME》修正公式，計算“三航風(fēng)華”號插樁深度，具體數(shù)據(jù)見圖3。

表2 48號機(jī)位土層參數(shù)Table2 The soil parametersof No.48 wind turbine position

圖3 48號機(jī)位插樁深度對比Fig.3 Comparison of the plug-in depth of pile in No.48 wind turbine position

由圖3可知，采用《SNAME》修正公式計算出的地基承載力為5 500 t時，樁靴入泥深度為1.52 m；《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式計算出的地基承載力為5 500 t時，插樁深度為1.7 m，“三航風(fēng)華”號實際插深為1.5 m。對比圖3（a）、（b）可知，從第二層土層（2 m后）開始，入泥深度曲線發(fā)生明顯差異，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)《海洋井場調(diào)查規(guī)范》在砂質(zhì)土的計算中，考慮砂質(zhì)土垂向承載力極大，樁靴頂面被完全覆土回填，公式中D取值為樁靴平均厚度，但本次計算了3個砂性土層的地基承載力，而自升式平臺樁腿的最大預(yù)壓載荷為5 500 t，因此運(yùn)用《海洋井場調(diào)查規(guī)范》所計算出的第②-③層的入泥深度曲線不具備實際應(yīng)用價值。為進(jìn)一步研究，本文又選取了4個機(jī)位分別對4個樁腿的插樁深度進(jìn)行計算，其插樁深度計算結(jié)果見表3。

考慮到自升式風(fēng)電安裝船4個支腿預(yù)壓載荷各不相同，且所處地質(zhì)環(huán)境也可能存在明顯差異，因此根據(jù)“同一機(jī)位，隨著預(yù)壓載的減小，其插樁深度也愈小”的原理，對存在明顯誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，進(jìn)而對計算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性計算公式為（9）-（10），所得計算結(jié)果見圖4。

表3 兩種公式插樁深度計算Table 3 Calculation of the plug-in depth of pile about two formulas

式中：x為理論插樁深度；y為實際插樁深度；a為修正系數(shù)；b為表相關(guān)性系數(shù)；當(dāng)b越接近1且a越接近0時，x對y相關(guān)性越好，即理論插樁深度越接近實際插深。

圖4 如東風(fēng)場兩種公式計算值與實際插深相關(guān)性對比Fig.4 Thecorrelation contrast of calculated valuesand actual plug-in depth of pilewith two formulasin RUDONGwind farm

由計算結(jié)果可知：《SNAME》修正公式a值等于0.21，b值等于0.92，而《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式中a值為0.16，b值為0.83，則認(rèn)為在排水條件的砂質(zhì)土中，《SNAME》修正公式和《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式均可適用。

3.2 江蘇響水200 MW海上風(fēng)電場項目

圖5 18號機(jī)位插樁深度對比Fig.5 Comparison of the plug-in depth of pile in No.18 wind turbine position

江蘇響水風(fēng)電場項目位于響水縣灌東鹽場，三圩鹽場外側(cè)海域，風(fēng)電場離岸距離10 km，沿海岸線方向長13.4 km，垂直于海岸線方向?qū)?.6 km，場區(qū)面積34.7 m2，水深8～12 m。本項工程總裝機(jī)容量200 MW，采用西門子4 MW和金風(fēng)3 MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行安裝。

現(xiàn)選擇18號機(jī)位作為典型機(jī)位，分別采用《海洋井場調(diào)查規(guī)范》和《SNAME》修正公式進(jìn)行計算，計算“三航風(fēng)華”號插樁深度見圖5。18號機(jī)位土層相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 18號機(jī)位土層參數(shù)Table4 Thesoil parametersof No.18wind turbineposition

由圖5可知，使用《SNAME》修正公式計算出的地基承載力為5 500 t時，樁腿插入泥土深度為11.6 m，《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式在地基承載力為5 500 t時，樁腿入泥深度為18.4 m，“三航風(fēng)華”號實際插深為12 m。為進(jìn)一步研究公式的普遍性，本文又在響水風(fēng)電場選取了4個機(jī)位，并分別對4個樁腿的插樁深度進(jìn)行計算，其插樁深度計算結(jié)果見表5，通過選取表5中所計算出的兩組數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論插深與實際插深的相關(guān)性分分析，得到相關(guān)性曲線見圖6。

表5 兩種公式插樁深度計算Table5 Calculation of theplug-in depth of pile about two formulas

圖6 響水風(fēng)場兩種公式計算值與實際插深相關(guān)性對比Fig.6 The correlation contrast of calculated values and the actual plug-in depth of pilewith two formulasin XIANGSHUI wind farm

由計算結(jié)果可知：《SNAME》修正公式a值等于-0.13，b值等于1.02，而《海洋井場調(diào)查規(guī)范》修正公式中a值為4.09，b值為0.5，因此認(rèn)為在不排水條件的黏性土層中，《SNAME》修正公式所計算出的插樁深度更具有適用性。

4 基于MATLAB建立的插樁深度軟件

為了更為方便、有效地進(jìn)行插樁深度的計算，本研究利用Matlab的圖形用戶界面（GUI）功能，編譯了一款程序軟件?；谠撥浖M(jìn)行插樁深度計算，具有速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，很大的縮減了工作量。另外針對不同船樁腿參數(shù)以及土壤地質(zhì)情況，該軟件可做出相應(yīng)的調(diào)整，具有普適性，進(jìn)一步方便了插樁深度的研究。

5 結(jié)語

文章通過選取兩種不同規(guī)范的插樁深度修正公式，分別應(yīng)用于“三航風(fēng)華”號在華能如東和江蘇響水風(fēng)電場施工作業(yè)，計算結(jié)果表明，在砂性土中，由于地基土承載力較大，砂質(zhì)層基本為樁靴所在持力層，因此兩種公式得到的插樁深度沒有顯著差異，而在黏性土層中，由于持力層需要到達(dá)較深的砂土層，土體回流影響較大，相關(guān)系數(shù)的選取也具有很大差異，通過與實際插深進(jìn)行相關(guān)性分析，《SNAME》修正公式在該性質(zhì)的土層更為適用。

此外，基于MATLAB建立了插樁深度計算軟件，可適用于不同的風(fēng)電安裝船及工況，對于以后插樁深度的研究提供了方便。