漳浦深遠海海上風電場負壓筒測風塔設計關(guān)鍵技術(shù)

鄧柏松，杜學理，吳加文

(1. 長江三峽集團福建能源投資有限公司工程管理部，福建 福州 350001；2. 中交三航局廈門分公司，福建 廈門 361000)

海上風電因具有資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地、靠近負荷中心和適宜大規(guī)模開發(fā)等特點，是目前國內(nèi)新能源領域的主要發(fā)展方向。福建省瀕臨東海和臺灣海峽，近海海域面積13.6萬km2，受臺灣海峽“狹管效應”影響，年平均風速大多在8.0～12.0 m/s左右，年可利用小時數(shù)達3 500 h，是全國風資源最好的地區(qū)?！笆濉逼陂g，福建省海上風電規(guī)劃裝機容量1 330萬kW，其中漳浦深遠海域規(guī)劃270萬kW，具備集中連片規(guī)模開發(fā)的條件，開展立塔測風塔等前期工作非常重要。本文以漳浦某深遠海海上風電場測風塔為對象，開展基礎結(jié)構(gòu)設計研究，為后續(xù)海上風電場開發(fā)建設提供參考。

1 項目特點

1)地質(zhì)條件復雜。其上部為第四系沉積土層，表層分布厚6.6 m厚流塑性淤泥混砂層，不排水抗剪強度25 kPa，摩擦角約為1度，強度指標弱；下部粉質(zhì)粘土和砂性土互層分布，標貫擊數(shù)普遍高于16擊，強度指標較高。

2)水文要素條件。本項目場址區(qū)10 m高程，50年一遇最大風速可達46.8 m/s，對應基本風壓為1.07 kN/m2；極端高水位3.08 m；50年一遇表層流速0.89 m/s，底層流速0.52 m/s；50年一遇H1波高達10.8 m，平均周期10.93 s。測風塔基礎結(jié)構(gòu)設計過程中，應主要考慮波浪荷載作用。

3)自然條件惡劣。項目場址區(qū)離岸距離30 km，水深38 m。根據(jù)近兩年觀測結(jié)果，海波浪高度普遍在2～3 m以上，風力一般情況下超過6級；年平均具備施工條件(波高≤1.5 m、風力<6級)的天數(shù)不超過70 d，且每次連續(xù)時間不超過10 d，是國內(nèi)目前施工條件最為惡劣、難度最大的測風塔項目。為此，測風塔基礎選型和設計過程中，應盡量考慮現(xiàn)場施工條件，有效減少海上作業(yè)時間。

2 設計荷載選擇

2.1 計算工況及荷載組合

對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應從以下組合值中取最不利值確定，即：

式中：γG為永久荷載的分項系數(shù)；SGK為按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應值；γQ1為第i個可變荷載的分項系數(shù)，其中γQ1為可變荷載Q1的分項系數(shù)；SQ1K為按可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值，其中SQ1K為可變荷載效應中起控制作用者；φci為可變荷載Qi的組合值系數(shù)；n為參與組合的可變荷載數(shù)。

測風塔基礎結(jié)構(gòu)設計時，標準組合下各項荷載的分項系數(shù)均為1.0，基本組合下各單項荷載的分項系數(shù)如表1所示。

表1 基本組合下各荷載分項系數(shù)表

根據(jù)海上風電場測風塔實際情況，起主控作用的荷載為塔架荷載和波流力。承載力驗算(包括承壓、抗拔和水平抗力等)、基礎結(jié)構(gòu)強度與穩(wěn)定性驗算(包括樁身結(jié)構(gòu))和水平變形計算過程中，在不考慮地震力時的組合系數(shù)配置如表2所示。

表2 海上風電場測風塔組合系數(shù)配置表

在不明確主風向、主波浪向和主流向情況下，參考API規(guī)范要求，保守考慮將主風向、主波浪向和主流向設置為同一方向，并考慮0°和45°荷載組合方向(見圖1)。

圖1 荷載組合方向計算示意圖

2.2 主要荷載計算

1)自重荷載。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)用量統(tǒng)計計算，測風塔基礎總重723 t，其中負壓筒總重465 t，導管架總重258 t。

2)風荷載。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50135-2006)相關(guān)規(guī)定，風荷載按如下公式計算：

ωk=βzμsμzω0′

式中：ω0′為修正風壓，按基本風壓1.2倍考慮。本項目中，鋼管截面桿件系數(shù)取2.4；風壓高度變化系數(shù)μz按規(guī)范表11，0.9取值計算；風荷載體型系數(shù)μs的取值根據(jù)塔架投影面積比，0°風向時為2.2，45°風向時為2.4。按與單個測風塔結(jié)構(gòu)面0°和45°兩種風向情況分別計算風荷載和彎矩。

3)波流荷載。采用Morison公式建立波浪力的工程計算方法，用子程序按線荷載方式加載，按圓形柱取Cm=2.0，Cd=1.2。每一增量長度上加載的波浪力按照下式計算，同時考慮附著生物影響，相應區(qū)段上的波浪力乘以增大系數(shù)1.15。按照0°、45°兩個方向，分別考慮設計高低水位和極端高低水位情況下的波流力。

4)船舶撞擊力。根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)規(guī)定，考慮200 T運維船舶直接撞擊，撞擊速度取0.5 m/s，計算撞擊力如下：

3 負壓筒型基礎設計

3.1 測風塔基礎結(jié)構(gòu)型式

目前常見的海上風電場固定式測風塔結(jié)構(gòu)型式主要有單根鋼管樁基礎、三樁或四樁基礎以及導管架基礎，鋼管樁基礎在福建深遠海域因水深大、自由懸臂端長，且單樁自振頻率與涌浪頻率非常接近，存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全風險。針對漳浦深遠海水深大、涌浪高的特點，結(jié)合場址區(qū)表層淤泥、下部砂性土的工程地質(zhì)特征，選擇“導管架+負壓筒”基礎結(jié)構(gòu)型式。導管架采用圓形鋼管焊接組成的鋼構(gòu)架，包括立管、斜管和水平管以及連接負壓筒的豎向加強立管組成，導管架上部與測風塔架連接，下部與負壓筒連接。負壓筒采用分隔艙設計，由鋼板拼接制作而成，局部加焊加勁板。本項目負壓筒筒高8 m，筒中心間距22 m，直徑10 m，內(nèi)設一直徑4 m小圓倉，內(nèi)外圓筒間設8道隔板。

圖2 測風塔負壓筒基礎結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 結(jié)構(gòu)強度復核

根據(jù)《風電機組地基基礎設計規(guī)定》等相關(guān)規(guī)范，按最不利荷載組合(風向、浪向和水流力均為同一方向)考慮，通過計算得到的支座反力、傾覆力矩等，按照承載能力極限狀態(tài)進行荷載組合，計算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度及穩(wěn)定性時取各自分項系數(shù)，計算地基基礎穩(wěn)定性時分項系數(shù)均取1.0。

抗壓承載力方面，參照DNV以及風電試行規(guī)范推薦的Hansen計算模式進行計算，同時按照太沙基進行復核計算，取2種計算方法得到的較小的計算結(jié)果；抗拔承載力方面，采用地勘報告提供的側(cè)摩阻力系數(shù)計算筒壁側(cè)摩阻力，并分別考慮了筒土分離計算模式和筒土整體計算模式；抗傾覆穩(wěn)定性方面，根據(jù)《風電機組地基基礎設計規(guī)定(試行)》沿基礎底面的抗傾覆穩(wěn)定計算，最危險計算工況滿足抗傾覆彎矩與傾覆彎矩比值應大于1.6；抗滑穩(wěn)定性方面，根據(jù)《風電機組地基基礎設計規(guī)定(試行)》，最危險滑動面上的抗滑力與滑動力比值大于1.3。強度穩(wěn)定性復核成果見表3和表4。

表3 負壓筒結(jié)構(gòu)強度穩(wěn)定性校核匯總表

表4 強度穩(wěn)定性校核匯總表 MPa

3.3 動力模態(tài)分析

本項目通過采用有限元法對測風塔塔架和基礎組成的整體系統(tǒng)進行模態(tài)分析，以評價基礎結(jié)構(gòu)設計是否滿足海上測風塔動力特性的設計要求。本項目50年一遇平均波浪周期為13.2 s，相應波浪波動頻率為0.075 8 Hz；本測風塔建模后有限元分析一階頻率為1.25 Hz。測風塔整體結(jié)構(gòu)自振頻率可以避開波浪波動頻率，滿足動力模態(tài)設計要求。

圖3 測風塔一階模態(tài)分析圖

3.4 疲勞強度校核

測風塔結(jié)構(gòu)在外海風、浪、流往復作用下產(chǎn)生疲勞作用，本項目測風塔基礎結(jié)構(gòu)常幅疲勞容許應力值[Δδ]=13.08 MPa。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50017-2003)，塔柱與法蘭之間按有效界面確定的剪應力幅計算，構(gòu)件和連接類型為3，對應的c=3.26×1012，β=3，應力循環(huán)次數(shù)。

測風塔按5年壽命計算，每分鐘風速波動555次，大于實際風速波動率實際值，滿足疲勞強度要求。

3.5 負壓貫入計算分析

對本項目測風塔負壓筒基礎貫入過程，分別計算不同深度處貫入所需壓力和貫入阻力。其中，總阻力包括側(cè)摩阻和端阻：

Qd=Qf+Qp=αfAs+qAp

式中：Qf為側(cè)摩阻力；Qp為端阻力；α為粘聚力系數(shù)；f為單位表面摩擦力；As為樁側(cè)面積；q為單位樁端承載力；Ap為樁端環(huán)面積。

貫入達到指定深度所必須的壓強Pr按下式計算：

式中：Ws為水中筒基的重量；Ain為豎直向下的壓強作用的筒基內(nèi)面積。

負壓筒沉放過程中實際壓強Pa=min(γwh,Qa)，其中γw為水的重度；h為水面到樁頂?shù)木嚯x；Qa為使樁內(nèi)土體不發(fā)生破壞的許可壓力。

針對本項目測風塔設計結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件，不同貫入深度下的許用壓力、貫入壓力及阻力等計算結(jié)果如表5。

表5 測風塔筒基貫入計算結(jié)果表

表5計算結(jié)果表明，不同深度條件下需要沉放壓力均不超過許可壓力；不同深度情況下貫入壓力均大于貫入阻力，可負壓沉放至設計深度。

4 結(jié) 語

1)針對離岸距離遠、水深大，波浪力為主要荷載的深遠海海上構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)宜以導管架等剛度較大型式為主，避免因波浪反復作用造成結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

2)針對常年涌浪大、風力超過6級，現(xiàn)有條件下施工窗口期短的情況(連續(xù)時間不超過10 d)，應盡量減少海上作業(yè)工序與時間；可結(jié)合地質(zhì)條件選擇負壓筒基礎型式，避免因連續(xù)作業(yè)中斷而面臨不可預知的風險。

3)結(jié)合漳浦深遠海海上風電場工程地質(zhì)特點與水文要素條件，本項目測風塔選擇負壓筒導管架基礎是合適的，結(jié)構(gòu)強度及疲勞計算滿足設計要求，負壓貫入分析結(jié)果顯示可貫入至設計深度，可為后續(xù)本地區(qū)海上風機基礎設計提供借鑒。