兩種典型海上升壓站基礎(chǔ)的坐底穩(wěn)定性

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 新能源工程院， 浙江 杭州 311122)

0 引 言

目前國內(nèi)海上風電蓬勃發(fā)展。截至2019年6月，國內(nèi)已建成18座海上升壓站，浙江、江蘇、福建等地同時在建多座海上升壓站。不同省份不同海域的地質(zhì)條件存在區(qū)別，且由于受升壓站上部電氣設(shè)備的影響，導管架型式需根據(jù)情況進行選擇。在導管架入水后打樁前，受環(huán)境荷載和自身重力作用，導管架會存在傾覆、滑移和基底承壓破壞的情況。因此，對于不同型式和不同海域的導管架，坐底穩(wěn)定性分析尤為重要。

海上升壓站導管架基礎(chǔ)選型與上部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，根據(jù)張力等[1]和張明等[2]所述，在不同設(shè)計階段海上升壓站結(jié)構(gòu)需有不同的設(shè)計考慮及分析內(nèi)容。根據(jù)海上升壓站的在位[3-4]、地震[5-6]、疲勞[7-8]等主控工況，最終確定導管架基礎(chǔ)的型式。特別地，國內(nèi)已有多位學者針對防沉板進行研究：劉潤等[9-10]針對新型防沉板，結(jié)合工程實例研究其地基承載性能；譚越等[11-12]針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)防塵板的沉降、滑移等方面進行分析討論；徐蒙[13]同樣針對水下生產(chǎn)系統(tǒng)，對防沉板型式進行優(yōu)化改進；練繼建等[14]以帶分艙板的海上風電筒型基礎(chǔ)進行承載力試驗研究；孔德森等[15]針對防沉板-樁復(fù)合基礎(chǔ)，討論荷載對其敏感性和破壞形式?？梢钥闯?，統(tǒng)籌考慮海上升壓站需求及不同型式海上升壓站坐底穩(wěn)定性研究，國內(nèi)目前尚有欠缺。

國外針對淺基礎(chǔ)的承載力研究起步較早：DE BEER[16]針對淺基礎(chǔ)在砂土上的承載力展開研究，并用試驗方式探討并給出形狀系數(shù)對承載力的影響；GOURVENEC[17]著重討論在剪切強度隨深度線性增加的土體中防沉板基礎(chǔ)的豎向和水平向承載特性；GOURUENEC等[18]研究矩形基礎(chǔ)寬度和裙板對承載特性的影響并給出基于軟黏土的極限承載力計算公式；FINNIE等[19]研究軟黏土中不同型式的基礎(chǔ)和水平承載特性并給出響應(yīng)計算公式；TAPPER等[20]通過加載試驗的方法，對裙板基礎(chǔ)的地基破壞形式進行探討。同樣地，由于海上升壓站型式較新，國外并未專門針對不同地質(zhì)和不同類型的升壓站坐底穩(wěn)定性進行研究。

針對浙江和江蘇兩座位于不同海域的不同類型的海上升壓站：利用海洋工程有限元計算軟件SACS對其進行精細化建模[21-22]，計算得到該導管架入水后打樁前的桿件應(yīng)力、基底反力等參數(shù)；采用直接計算法，對導管架抗傾覆、抗滑移和基底承壓進行校核；研究防沉板修正系數(shù)和防沉板型式，分析防沉板與坐底穩(wěn)定性之間的關(guān)系，給出設(shè)計建議和布置方法。這些都為今后不同表層土和不同型式的海上升壓站防沉板設(shè)計及坐底穩(wěn)定性校核提供借鑒與參考。

1 計算原理

1.1 計算模型及荷載工況

四樁導管架坐底穩(wěn)定性分析包括5個基本模型：(1)未插樁的導管架；(2)逐個插樁后的導管架，其中一個樁的樁頂上安裝有打樁錘，其余樁只承受自身重力作用。以導管架結(jié)構(gòu)底部節(jié)點的反力為衡準進行預(yù)分析，未插樁情況的導管架坐底穩(wěn)定性最為危險，因此取其作為控制模型進行坐底穩(wěn)定性校核[23-25]。

在通常情況下，導管架安裝會選在相對風平浪靜的窗口期進行，由于尚未安裝上部結(jié)構(gòu)，所受的環(huán)境荷載可忽略風荷載。在波浪、流作用下，為得到導管架底部的約束反力，可通過SACS軟件進行計算。在進行坐底穩(wěn)定性分析時，計算模型與在位分析時的模型基本相同，考慮到在實際工程中在未插樁情況下樁-主導管或樁-套筒間未灌漿，在位分析時需修改導管架的主導管截面屬性，即除去主導管內(nèi)樁和灌漿料的重量，且在導管架4個柱腿底部的節(jié)點處施加鉸接約束。

根據(jù)規(guī)范SY/T 10009中C.5.3所述，對于坐底而未打樁的情況：當重力荷載起支配作用時，需考慮1.30的荷載系數(shù)；當環(huán)境荷載起支配作用時，須考慮1.35×環(huán)境荷載+1.10×重力荷載；在抗傾覆校核時，應(yīng)考慮1.35×環(huán)境荷載+0.90×重力荷載；其余荷載系數(shù)可根據(jù)荷載抗力系數(shù)法確定。

1.2 坐底穩(wěn)定性分析

導管架桿件及節(jié)點校核可通過SACS軟件直接得到，對于抗傾覆、抗滑移及基底承壓校核，則需通過計算導管架的承載力進行分析。對于抗傾覆校核，需得到各組合工況下的傾覆力矩和抗傾覆力矩，通過兩者的比值判斷其是否滿足抗傾覆要求；對于抗滑移及基底承壓校核，需根據(jù)地質(zhì)條件和防沉板參數(shù)，計算導管架的極限能力，以此判斷是否滿足坐底穩(wěn)定性要求。

當表層土為黏性土時，即在不排水狀況下，導管架滑動破壞的最大水平荷載為

Hn=cA

(1)

式中：c為土的不排水抗剪強度；A為防沉板面積。

當表層土為砂性土時，導管架滑動破壞的最大水平荷載為

Hs=c′A+Q′tanφ

(2)

式中：c′為摩爾強度包絡(luò)線的有效黏聚力截距，砂土中c′=0；Q′為基底承壓極限垂向荷載；φ為內(nèi)摩擦角。

在基底承壓校核時，導管架在偏心、浪流、基地傾斜和地面傾斜等作用下，防沉板的有效作用面積并不等于實際面積，需考慮面積的折減，即

A′=L′B′=(L-2e1)(B-2e2)

(3)

圖1 承載力系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

式中：′代表折減后的尺寸；e1和e2為沿長度和寬度方向的偏心距；B為防沉板最小側(cè)向尺寸；L為防沉板最大側(cè)向尺寸。

在不排水狀況下，基底承壓極限荷載Q為

Q=(cNcKc+γX)A′

(4)

式中：Nc為承載能力系數(shù)，當φ=0時，Nc=5.14；γ為土重度；X為埋深深度；Kc為Nc的修正系數(shù)。

在排水狀況下，基底承壓的極限荷載Q′為

(5)

式中：Nq和Nr同為承載能力系數(shù)，Nq=exp(πtanφ)tan2(45°+φ/2)，Nr=2(Nq+1)tanφ，Nc與Nq的關(guān)系為Nc=(Nq-1)cotφ，三者與內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖1所示；Kq和Kr為對應(yīng)的修正系數(shù)；q=γX。修正系數(shù)Kc、Kq和Kr考慮了荷載偏斜、基礎(chǔ)形狀、埋入深度、基礎(chǔ)偏斜和地面傾斜影響。用i、s、d、b、g依次表示各方面的系數(shù)，則修正系數(shù)可表示為

Kc=ic·sc·dc·bc·gc，Kq=iq·sq·dq·bq·gq，Kr=ir·sr·dr·br·gr

(6)

通常，以上各項修正系數(shù)均可根據(jù)經(jīng)驗確定，推薦表達式如表1所示，其中當為不排水條件時，即摩擦角為0°時，根據(jù)公式可得Kq和Kr系數(shù)，無須求解。

表1 修正系數(shù)推薦表達式

對于樁-套筒的海上升壓站基礎(chǔ)型式，往往采用裙板式防沉板，在進行坐底穩(wěn)定性分析時，需考慮裙板入土提供的承載力：

Qd′=fAs+qpAp

(7)

式中：f為單位面積的摩阻力；As為裙板入土面積，需考慮兩側(cè)；qp為裙板端面的單位面積承載力；Ap為裙板端面積。

在進行坐底穩(wěn)定性校核時，需考慮承載力系數(shù)，抗傾覆系數(shù)為0.80，抗滑移系數(shù)為0.80，基底承壓系數(shù)為0.67。

2 實例分析

2.1 傳統(tǒng)防沉板

圖2 實例1防沉板

海上升壓站位于浙江某海域，海上升壓站基礎(chǔ)共布置4根鋼管樁，導管架由主樁腿和撐桿組成，主樁腿采用直徑為2 550/2 530 mm、壁厚為55/45 mm的鋼管，撐桿采用直徑為356～1 200 mm、壁厚為20～45 mm的鋼管。該海上升壓站所處的地質(zhì)表層土為黏性土，不排水抗剪強度c=3 kPa，土體有效重度為6.8 kN/m3；水深為12.5 m，一年一遇環(huán)境荷載的波高為4.78 m，周期為4.7 s，流速為1.28 m/s，包括海纜保護管、爬梯平臺及附屬構(gòu)件在內(nèi)的導管架總質(zhì)量約1 025 t。為節(jié)約篇幅，本實例僅分析導管架抗傾覆、抗滑移和基底承壓承載力，不作桿件應(yīng)力及節(jié)點校核分析。

該海上升壓站所處地質(zhì)條件差，導管架本身質(zhì)量大。防沉板設(shè)計如圖2所示，在下水平撐(泥面位置)平面外延2.5 m，并根據(jù)導管架海纜保護管的布置，預(yù)留部分面積使得海纜能順利埋入泥面。實際防沉板面積為A=769.43 m2，根據(jù)SACS模型計算可得，各構(gòu)件及節(jié)點在坐底穩(wěn)定性工況下均滿足設(shè)計要求?；准s束反力也可通過SACS軟件計算求得，根據(jù)約束反力、環(huán)境荷載和轉(zhuǎn)動中心，可計算得到傾覆力矩及抗傾覆力矩及其UC值，如表2所示，表中工況1～8表示低水位下環(huán)境荷載組合工況，工況9～16表示高水位下環(huán)境荷載組合工況，浪流角度間隔45°。從表2可以看出，抗傾覆UC值最大為0.11<1，均滿足設(shè)計要求，說明對于該導管架，抗傾覆為非主控因素。

表2 抗傾覆校核結(jié)果

續(xù)表2 抗傾覆校核結(jié)果

根據(jù)式(1)，最大滑移承載力Hn為2 308.3 kN，實際在環(huán)境荷載組合工況下基底最大滑移力為755.89 kN，即抗滑移UC值為0.41<1，滿足設(shè)計要求?？紤]到在導管架安裝時，海底及導管架底均為水平，即基礎(chǔ)偏斜b和地面傾斜g均為1，在環(huán)境荷載組合工況下，最小偏斜系數(shù)ic=0.77，位于工況5。根據(jù)形狀系數(shù)s公式可知：在該工況下形狀系數(shù)起正影響，即最小的修正系數(shù)Kc=0.896；防沉板有效面積為751.68 m2，即該工況下基底極限承載力為10 633 kN；導管架垂向荷載為6 360.2 kN，即該工況下基底承壓UC值為0.893<1。這些均滿足設(shè)計要求。各工況由于偏心位置不同，有效面積均不相同，最小修正系數(shù)不足以說明各個工況下基底承壓狀況，采用相同方法對各組合工況進行校核，結(jié)果如表3所示，工況01和工況02表示重力起支配作用工況。最大UC值為0.893<1，滿足設(shè)計要求。由此可以看出，對于該海上升壓站，基底承壓為主要因素。

表3 基底承壓校核

2.2 裙板式防沉板

該實例為位于江蘇海域的某項目腳靴式海上升壓站，其所屬風電場的裝機規(guī)模為300 MW。該海上升壓站上部組塊采用5層布置，平面尺寸為38.10 m×41.54 m(包含樓梯和外露平臺)，高20.9 m(一層甲板至屋頂層頂)，最高點距平均海平面34.65 m，采用空間桁架結(jié)構(gòu)。海上升壓站基礎(chǔ)采用4腿腳靴式導管架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)導管架頂標高13.61 m，底標高位于泥面位置-16.16 m，采用Φ243 8 mm開口變壁厚鋼管樁，壁厚為50～70 mm，樁長為73.00 m，樁頂高程為-6.16 m，樁底高程為-79.61 m，樁入泥深度63 m。該腳靴式升壓站坐底穩(wěn)定性在分析時模型處理和工況選擇與上個算例相同，精細化SACS模型如圖3(a)所示。所處的地質(zhì)表層土為砂性土，γ=9.0，φ=23°，f=63.1 kPa；所受一年一遇的環(huán)境荷載波高H=5.66 m，周期T=9.21 s，垂向平均流速為1.74 m/s。

圖3 實例結(jié)構(gòu)的SACS有限元模型及防沉板

圖4 導管架桿件應(yīng)力校核

該升壓站防沉板為裙板形式，如圖3(b)所示，四周為裙板，裙板入土后中間部分由表層土填充，可減少海流沖刷及提高承載力。對導管架模型進行桿件及節(jié)點校核：導管架桿件最大UC值為0.14<1，發(fā)生在工況9，桿件位于導管架斜梯梁位置，為次要構(gòu)件，桿件應(yīng)力UC值如圖4所示；節(jié)點沖剪最大UC值為0.163<1，發(fā)生在下水平橫撐與主導管交叉點處。這些均滿足設(shè)計要求。

根據(jù)該升壓站所處地質(zhì)，選取排水狀況進行分析，同樣地，在海上升壓站安裝時不考慮基礎(chǔ)傾斜及地面傾斜。與實例1分析流程相同，對抗傾覆、抗滑移和基底承壓進行校核。根據(jù)SACS軟件計算結(jié)果可知各工況下荷載偏心情況，可以得到防沉板的有效面積區(qū)間為154.26～225.00 m2，不考慮承載力系數(shù)的基底承壓承載力最小值為63 448 kN，抗滑移承載力為26 932 kN。各參數(shù)結(jié)果匯總?cè)绫?所示，UC值均小于1，滿足設(shè)計要求。與實例1相比，該海上升壓站所處的環(huán)境條件更為惡劣，由于套筒和剪力板的存在，所受的浪流作用更明顯，因此抗傾覆成為本項目的主控因素。此外，裙板結(jié)構(gòu)會提供額外的承載力，也使得結(jié)構(gòu)在抗滑移和承壓方面效果更優(yōu)良。

表4 實例2坐底穩(wěn)定性校核結(jié)果

圖5 修正系數(shù)隨B/L的變化曲線

3 防沉板敏感性分析

從第2節(jié)兩個實例分析可知，抗滑移和基底承壓承載力與防沉板參數(shù)密切相關(guān)，特別針對樁-主導管型式的防沉板，由于缺少側(cè)向摩阻力，承載力主要由防沉板有效面積提供。此外，承載力中的各項修正系數(shù)會根據(jù)防沉板的布置形式發(fā)生變化，最終影響升壓站的坐底穩(wěn)定性。在通常情況下，海上升壓站的防沉板在矩形范圍內(nèi)布置，當為排水情況時，各項修正系數(shù)隨寬長比B/L的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：(1)當外荷載與地質(zhì)參數(shù)相同時，偏斜系數(shù)iq、ir和ic隨著防沉板B/L的增大略微減小，這也是由于對偏斜系數(shù)影響最大的是荷載；(2)形狀系數(shù)sq和sc隨著防沉板B/L的增大而增大，而sr反之。對于入土深度一定的排水情況，防沉板所能提供的最大垂向承載力主要由Kr項決定，這也就說明長條形防沉板所能提供的抗滑移和抗壓承載力將大于方形防沉板。當為不排水情況時，影響承載力的修正系數(shù)主要由Kc項提供，可參考圖5曲線sc，即承載力隨著B/L的增大減小。在通常情況下，防沉板的設(shè)計需統(tǒng)籌考慮導管架型式及鋼材用量，海上升壓站導管架根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的特性，泥面位置的下水平撐往往設(shè)計成方形。對于表層土為砂性土時，長條形的防沉板不適用于該類情況，在工程中實際做法通常為適當加大防沉板面積，使得坐底穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求；對于表層土為黏性土時，則可以考慮防沉板盡量布置為方形。

對于裙板式防沉板，其面積通常比傳統(tǒng)防沉板面積小，承載力受裙板入土的深度影響巨大。以實例2為例，研究抗滑移及基地承壓承載力對裙板入土深度的敏感性程度。設(shè)置裙板入土深度分別為0 m、1.5 m和3.0 m，則可得到各工況下抗滑移、基底承壓承載力及UC值如表5和表6所示。從表5數(shù)據(jù)可以看出，承載力隨裙板入土深度線性增加，若該項目海上升壓站不采用裙板式防沉板，滑移破壞將成為主控因素，最大UC值為0.81。隨著裙板入土深度的增加，抗滑移承載力提升明顯，UC值急劇下降。這表明設(shè)計時若坐底穩(wěn)定性中抗滑移難以滿足要求時，可適當增加裙板入土深度來提高抗滑移承載力。

表5 裙板式防沉板抗滑移承載力隨裙板入土深度的變化

續(xù)表5 裙板式防沉板抗滑移承載力隨裙板入土深度的變化

表6 裙板式防沉板基底承壓承載力隨裙板入土深度的變化

4 結(jié) 論

在本文之前，國內(nèi)針對海上升壓站坐底穩(wěn)定性的分析研究尚少，目前實際工程中已存在不同形式的防沉板，導管架下水安裝時需考慮表層土性質(zhì)、荷載偏斜、防沉板形狀及導管架入土深度對坐底穩(wěn)定性的影響。通過研究得到的結(jié)論如下：

(1) 以兩個不同型式及地質(zhì)條件下的海上升壓站為例，通過SACS軟件及坐底穩(wěn)定性分析可知，兩座升壓站導管架入水后各桿件應(yīng)力及節(jié)點均滿足設(shè)計要求，且不存在傾覆、滑移及基底承壓破壞的情況。

(2) 在砂性土地質(zhì)條件下，防沉板的B/L越大，承載力越大；在黏性土地質(zhì)條件下，防沉板的B/L越小，承載力越大。建議海上升壓站防沉板在設(shè)計時可根據(jù)表層土的特性，統(tǒng)籌考慮導管架的形式來布置防沉板，使同等面積、同等用鋼量情況下承載力達到最優(yōu)值。

(3) 裙板式防沉板的承載力高于傳統(tǒng)形式的防沉板，隨著裙板入土深度的增加，抗滑移能力顯著提高。建議在海上升壓站基礎(chǔ)抗滑移能力不足時可設(shè)置裙板來提高抗滑移承載力，使坐底穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。