海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)樁形影響因素分析

冷平 王娟娟

（中國(guó)廣核新能源控股有限公司，北京 100071）

0.引言

按照工程實(shí)踐，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位對(duì)單樁基礎(chǔ)選型、結(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)行分析，大直徑單樁建造廠，生產(chǎn)能力持續(xù)提升，可卷制最大樁徑為9m，壁厚為100mm，單樁出運(yùn)能力為2000t。針對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，單樁基礎(chǔ)安裝與運(yùn)行期間，受到荷載變形影響，永久傾斜度小于0.5°。單樁建造與施工技術(shù)進(jìn)步，沉樁精度控制在3/1000內(nèi)，為深水廠址放寬單樁你面轉(zhuǎn)角限制，提供有利條件。

1.工程概況

1.1 海洋水文條件

工程海區(qū)，海平面平均高程0.5m，低水位為-1.55m。按照勘察結(jié)果可知，泥面高程為-25.06m～-29.17m，平潮水深為25.58m～29.75m。常浪向?yàn)闁|南向，浪向分布在東-南方位支架，海流主流方向?yàn)槲髂衔鳌９こ毯^(qū)域風(fēng)向?yàn)闁|北、東南風(fēng)，夏季主導(dǎo)風(fēng)為偏南風(fēng)，秋季以東北風(fēng)為主，春季以東南風(fēng)為主。場(chǎng)址內(nèi)部水深明顯，表層土為淤泥質(zhì)土。

1.2 工程地質(zhì)

風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)，距離岸邊20km，面積廣闊，無礁石、島嶼分布，水下地形平坦，為海積地貌。按照區(qū)域地質(zhì)、鉆孔資料，風(fēng)電場(chǎng)地層存在較多覆蓋層，厚度由北向南逐漸增加。分析勘探鉆孔數(shù)據(jù)可知，場(chǎng)址內(nèi)地層情況復(fù)雜度高，土層級(jí)配差，整體規(guī)律性不足。

1.3 風(fēng)機(jī)概況

海上風(fēng)電場(chǎng)，發(fā)電機(jī)組單機(jī)額定容量為5.5MW，鋼制錐筒式塔架，葉片長(zhǎng)度為75.5m，葉輪直徑為156.728m，輪轂中心標(biāo)高100.2m，設(shè)計(jì)壽命為23年。風(fēng)機(jī)切入速度為每秒3m，切出速度為每秒25m，額定風(fēng)速為每秒9m。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍為4.212.33rpm。葉片、輪轂、機(jī)艙總質(zhì)量為434t，中心位于塔筒法蘭以上3.184m，塔筒軸線向輪轂方向5m。

2.優(yōu)化單樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體布設(shè)

按照?qǐng)鰞?nèi)極端高水位、波高信息，明確平臺(tái)底高程，深入分析外平臺(tái)梁高，明確基礎(chǔ)頂法蘭高程，深入分析海區(qū)施工條件，施工窗口比較少，需要應(yīng)用外平臺(tái)爬梯，高度集成底層圈梁短套籠，沉樁后吊裝焊接到樁體，電纜從樁體與泥面靠近位置開孔，錨固沉降后，吊裝內(nèi)平臺(tái)[1]。

2.2 樁形設(shè)計(jì)

海上單樁風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，分析地質(zhì)參數(shù)與樁形影響，將風(fēng)機(jī)作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，計(jì)算極端荷載、疲勞荷載，實(shí)現(xiàn)荷載迭代閉環(huán)。

單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，以泥下關(guān)鍵點(diǎn)位移、整機(jī)頻率為控制變量，樁頂?shù)侥嗝娌糠直诤?、直徑分布，?huì)極大影響風(fēng)機(jī)荷載、波浪荷載、樁體變形等，與地基剛度、葉片質(zhì)量、塔筒結(jié)構(gòu)，配置為整機(jī)。針對(duì)機(jī)位地質(zhì)參數(shù)，單樁地基剛度，會(huì)受到入土樁長(zhǎng)、泥下樁徑、壁厚分布影響。通常情況下，水深、水文、地質(zhì)條件差異不大時(shí)，為了優(yōu)化塔筒機(jī)電設(shè)備布設(shè)、基礎(chǔ)構(gòu)件設(shè)計(jì)，必須確?；A(chǔ)頂法蘭直徑與高程一致，塔筒壁厚分布均勻?；A(chǔ)設(shè)計(jì)中，遵循不同機(jī)位地質(zhì)條件，選擇最佳樁形參數(shù)組合，確保樁體變形、整體頻率滿足要求，整體工程量最優(yōu)化?；A(chǔ)頂法蘭與樁身段外徑為7.4m，與塔筒底部直徑一致。樁身剛度，利用樁徑與壁厚調(diào)整，改變整機(jī)頻率。樁徑改變有助于頻率調(diào)整，樁徑變化會(huì)改變環(huán)境荷載，對(duì)樁體變形指標(biāo)造成影響。與固定外徑基礎(chǔ)頂法蘭相互連接，在地基土上獲得承載力，泥下樁徑大于頂部樁徑。使用錐段連接不同外徑。樁徑是各機(jī)位不同你下樁徑，工程水深比較大，波浪荷載會(huì)影響整機(jī)荷載。錐段位置比較靠下，水面波浪作用樁徑小，能夠降低波浪力，有助于減少疲勞荷載，與泥下樁變形量相關(guān)。當(dāng)壁厚分布條件相同時(shí)，報(bào)能夠使整機(jī)頻率降低。觀察可知，錐段位置對(duì)頻率、變形因素具備反作用力。根據(jù)特定地質(zhì)條件，能夠計(jì)算出最優(yōu)解[2]。

高錐段形樁頂高程6m，假設(shè)樁徑為8.4m，錐底高程-10m。樁徑變化時(shí)，調(diào)整錐底，維持錐段斜度不變，統(tǒng)一套籠型號(hào)，實(shí)現(xiàn)批量化制造。套籠底部支撐牛腿，應(yīng)當(dāng)設(shè)置在錐段上，錐段底部低于-2m，因此樁徑應(yīng)當(dāng)大于8m。中錐段樁形頂高-2m，錐底高-15m；低錐段樁形頂高-9.6m，錐底高-25m。樁徑變化時(shí)，錐段高程不變，樁徑大于7.5m。

3.樁形對(duì)疲勞荷載的影響

在計(jì)算風(fēng)機(jī)荷載時(shí)，風(fēng)機(jī)廠家計(jì)算輸入，一般為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖、泥面剛度矩陣，針對(duì)確定機(jī)位，調(diào)整樁形參數(shù)，改變泥面樁形與剛度矩陣，同時(shí)，改變部分樁形，促使波浪荷載變化，從而影響疲勞荷載[3-4]。

3.1 調(diào)整樁形參數(shù)

明確地質(zhì)條件后，針對(duì)壁厚分布、泥下樁徑、入土樁長(zhǎng)，對(duì)樁身泥面剛度、泥面進(jìn)行約束，機(jī)位應(yīng)用高錐段樁形式，泥面剛度在自由度分量中。泥面剛度矩陣為對(duì)稱方陣（6×6），根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家評(píng)估，在水中樁形影響下，剛度矩陣能夠增加主對(duì)角線元素，減小位移、轉(zhuǎn)角耦合項(xiàng)，對(duì)疲勞荷載的作用較強(qiáng)，影響明顯。

原最優(yōu)解，對(duì)應(yīng)泥下樁體，需要采用中等壁厚，即第二組壁厚。當(dāng)壁厚恒定時(shí)，調(diào)整泥下樁徑、入樁長(zhǎng)。入土樁長(zhǎng)不足60m時(shí)，剛度矩陣不會(huì)受到樁長(zhǎng)影響。入土樁長(zhǎng)大于60m時(shí)，樁端持力層，從原有軟塑黏土中，轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)中砂層，樁徑與壁厚矩陣增加。

為風(fēng)機(jī)廠家計(jì)算的荷載方向。疲勞荷載評(píng)估，主要應(yīng)用等效疲勞荷載。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為1E+08。項(xiàng)目側(cè)向波浪，會(huì)極大影響單樁基礎(chǔ)疲勞荷載。疲勞荷載性側(cè)向彎矩影響大，可以當(dāng)作疲勞荷載評(píng)估量。原最優(yōu)解樁徑8.4m，入土深度50m，計(jì)算疲勞荷載幅為53175kN/m，超出塔筒承受疲勞極限。

按照風(fēng)機(jī)廠家估算可知，當(dāng)水中樁形不變化，則機(jī)位矩陣降低到1.42E+7kN/rad，疲勞荷載滿足標(biāo)準(zhǔn)。分析可知，只調(diào)整樁徑，將樁徑縮小至8.1m，然而樁徑為8.1m，整機(jī)一階頻率0.263Hz，無法滿足風(fēng)機(jī)廠家0.264Hz要求，所以即使改變樁徑，也不能降低疲勞荷載。注重壁厚調(diào)整，調(diào)整剛度矩陣。

3.2 調(diào)整錐段位置

調(diào)整樁徑、壁厚、樁長(zhǎng)，保持單樁整體在設(shè)計(jì)可行范圍內(nèi)不可行。分析錐段位置對(duì)波浪荷載的影響，不改變樁形狀態(tài)下，下移錐段，重新計(jì)算疲勞荷載。錐段位置調(diào)整之后，整機(jī)一階頻率降低，但是滿足0.265Hz要求。泥下樁形參數(shù)不便，上部受到波浪力影響后，參數(shù)減小。泥面剛度為割線剛度，按照曲線形態(tài)，會(huì)增加泥面剛度。低錐段樁形，對(duì)應(yīng)泥面剛度，主對(duì)角線元素與剛度矩陣增加，不同自由度間轉(zhuǎn)角耦合減小，然而對(duì)應(yīng)元素量值小，所以剛度矩陣變化對(duì)荷載計(jì)算影響小。風(fēng)機(jī)荷載計(jì)算，疲勞荷載幅為36685kN/m，小于高錐段方案，且塔筒處于可承受范圍內(nèi)。

在本文研究中，在應(yīng)用35臺(tái)單樁基礎(chǔ)中，有7臺(tái)對(duì)基礎(chǔ)鋼料量期初最優(yōu)解，獲得樁徑8.5m以上高錐段樁形，高錐段基礎(chǔ)鋼料量，明顯小于低錐段，深水大，單樁基礎(chǔ)疲勞荷載，高度敏感水中樁形。高錐段方案中，疲勞荷載比低錐段高，塔筒經(jīng)過疲勞驗(yàn)算之后，注重焊縫磨平處理，延長(zhǎng)疲勞壽命，避免影響整體經(jīng)濟(jì)性。由于泥面剛度會(huì)影響疲勞荷載，因此在選擇最優(yōu)樁形時(shí)，基礎(chǔ)鋼料量最優(yōu)解，即處于高錐段樁時(shí)，機(jī)位最優(yōu)解設(shè)定為低錐段。

4.淺層土性質(zhì)對(duì)最優(yōu)樁形影響

高錐段樁形，因樁基大部分延伸高度高，能夠提升整機(jī)剛度。低錐段水面附近樁徑小，能夠降低樁體波浪力影響，樁身變形多分布在水中部位，減少泥面轉(zhuǎn)角。在機(jī)位特定地質(zhì)條件下，最優(yōu)樁形可以滿足頻率與變形指標(biāo)要求，反映機(jī)位地質(zhì)特征的樁形要求。淺層土，能夠決定單樁基礎(chǔ)變形與剛度。所以，按照機(jī)位最優(yōu)樁形分組，定量統(tǒng)計(jì)分析淺層土性質(zhì)。機(jī)位分析時(shí)，入土樁長(zhǎng)在45m以上，針對(duì)淺層土分析范圍，劃分為沖刷坑底部至原始泥面下45m[5]。

4.1 分析變量定義

單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，注重水平剛度控制，通過曲線方式，可以表達(dá)出樁土間側(cè)向位移、反力關(guān)系。針對(duì)曲線問題，定義砂土、黏土計(jì)算方法，盡管側(cè)向位移相同，但樁長(zhǎng)反力相差明顯。將土層劃分為砂土與黏土統(tǒng)計(jì)，定義砂土層厚度變量。

定義黏土層厚度變量：

單樁設(shè)計(jì)為直接打入樁，樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖中，針對(duì)全風(fēng)化巖，計(jì)算模擬設(shè)定為黏土，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化巖，以砂土為計(jì)算模擬。在曲線計(jì)算中，內(nèi)摩擦角為砂土參數(shù)，不排水抗剪強(qiáng)度為黏土參數(shù)。土層較淺時(shí)，則樁體側(cè)向剛度會(huì)產(chǎn)生明顯影響，定義砂土內(nèi)摩擦角、深度底部比例矩：

黏土不排水條件下，定義抗剪強(qiáng)度，分析深比例矩：

4.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

將機(jī)位地質(zhì)參數(shù)，按照最優(yōu)解，以高錐段、中錐段、低錐段統(tǒng)計(jì)，樁形對(duì)應(yīng)相應(yīng)的機(jī)位數(shù)量、平均層厚比、主體鋼料量、平均比例矩，如表1所示。

表1 淺層土性質(zhì)與最佳樁形

在表1中，高錐段樁徑小于8.1m，樁體波浪荷載，會(huì)引發(fā)疲勞影響，高錐段樁形應(yīng)用，只關(guān)注砂土比例、內(nèi)摩擦角問題，以小樁徑機(jī)位為主。針對(duì)該類機(jī)位地質(zhì)，樁體泥下位移約束效果顯著，提升錐段位置，確保整機(jī)一階頻率前提下，能夠有效縮小樁徑，對(duì)基礎(chǔ)鋼料量予以控制。針對(duì)高錐段樁形，平均樁徑為8.0m。

中錐段樁形，可以應(yīng)用到高砂土比例、內(nèi)摩擦角適宜情況下，黏土不排水抗剪強(qiáng)度。機(jī)位砂土與黏土搭配均衡，對(duì)泥下樁基約束能力佳，利用中錐段能夠平衡樁體變形、頻率需求，掌握3種錐段位置的最小鋼料量。中錐段機(jī)位樁徑為8m，最大為8.6m。按照水中樁形設(shè)計(jì)，中錐段樁徑斜度大，錐頂位置應(yīng)力集中系數(shù)大。當(dāng)樁徑比較大時(shí)，疲勞校核影響大。錐頂高程-2m，減小水面波浪荷載作用。機(jī)位風(fēng)機(jī)疲勞荷載，控制在塔筒、基礎(chǔ)極限范圍內(nèi)。低錐段樁形，可以應(yīng)用到高黏土比例，砂土內(nèi)摩擦角、黏土不排水抗剪強(qiáng)度低機(jī)位，該類機(jī)位地質(zhì)比較差，無法有效約束樁體變形，為了滿足風(fēng)機(jī)廠家要求整機(jī)一階頻率，只能增加樁徑。樁形水中部分剛度為3種樁形最低。基礎(chǔ)頂法蘭位置變形，傳輸?shù)侥嗝嫖恢帽壤?。?dāng)錐頂高程足夠低時(shí)，能夠降低波浪荷載、樁體受力、疲勞荷載水平，屬于軟土地基最佳選擇。低錐段機(jī)位，平均樁徑8.6m，平均基礎(chǔ)鋼料量為3種樁形最大。

5.結(jié)語

海上風(fēng)電朝著遠(yuǎn)離岸邊、大水深、大單機(jī)容量趨勢(shì)發(fā)展，海上作業(yè)窗口近岸作業(yè)時(shí)間減少，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工便利性要求高。單樁基礎(chǔ)具備簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形式，且受力明確、海上作業(yè)時(shí)間短優(yōu)勢(shì)，按照工程實(shí)踐，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單位對(duì)單樁基礎(chǔ)選型、結(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)行分析。因此通過本文研究，掌握單樁基礎(chǔ)樁形影響因素，為后續(xù)處理提供優(yōu)質(zhì)條件。