海上固定式風(fēng)機(jī)吸力桶基礎(chǔ)適應(yīng)性研究

李 虎，陳 實(shí)，岳 琦，王 懿，顧雨晨

［1.湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 湛江 524057；2.中國石油大學(xué)（北京），北京102200］

0 引言

在“碳達(dá)峰”與“碳中和”的戰(zhàn)略背景下，我國正在提倡清潔可再生能源技術(shù)，海上風(fēng)電節(jié)省了土地資源，有很大的開發(fā)利用空間，開發(fā)利用海上風(fēng)電已經(jīng)成為未來綠色電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，國內(nèi)外眾多高校和企業(yè)已投身于海上風(fēng)電技術(shù)的研究之中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國可開發(fā)的風(fēng)能資源預(yù)計(jì)在7.5×108kW以上[1]，具有商業(yè)化、規(guī)模化的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

吸力桶基礎(chǔ)是一種垂直向下插入土體并在端部與土體留有一定空間，用來產(chǎn)生壓差的桶形結(jié)構(gòu)[2]，頂部帶有裙壁增加穩(wěn)定性，上部封閉，下部開口，與海底土壤接觸，海上風(fēng)機(jī)通過利用吸力桶桶體，自重下沉、負(fù)壓插入海床，利用桶體內(nèi)外壓差錨固在海床上，起到穩(wěn)定的效果。與單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相比，吸力桶基礎(chǔ)免去了打樁的過程，負(fù)壓安裝更加便捷，減少了安裝過程中的噪聲，對(duì)工作人員的工作環(huán)境有所改善，同時(shí)減少了安裝資金的投入，縮短了安裝周期。海上風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有高聳的特點(diǎn)，所以在工作過程中會(huì)受到多種環(huán)境的共同作用，這些荷載大多作用在風(fēng)機(jī)上并順著塔架結(jié)構(gòu)向下傳遞至吸力桶等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析，海上風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的主控荷載是其所受的水平荷載。吸力桶式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)2002年首次在丹麥的海洋工程中使用，德國和中國分別在2005年和2010年設(shè)計(jì)了吸力桶式海上風(fēng)機(jī)樣機(jī)[3-5]。

目前學(xué)者研究的內(nèi)容主要包括對(duì)其安裝過程的分析和承載特性的分析，研究方法主要是物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載性能是其設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)，另外，在水平荷載的作用下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和土體存在相互作用，研究方法有m法，以及本文用到的P-S曲線法和基于ABAQUS軟件的有限元法。李大勇等[6]通過數(shù)值模擬的方法，研究了砂土地基中吸力桶基礎(chǔ)的承載特性，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)隨著水平荷載的持續(xù)作用，作用在吸力桶風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的力最終會(huì)通過裙壁和桶體傳遞到土體中，使其產(chǎn)生塑性變形。

上述對(duì)吸力桶基礎(chǔ)的研究主要關(guān)于結(jié)構(gòu)與安裝，而對(duì)于基礎(chǔ)在水平荷載的作用下，結(jié)合樁土相互作用檢驗(yàn)土體承載力的研究較少[7-8]。在實(shí)際工程的應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的失效往往不是結(jié)構(gòu)失效問題，而是與樁基接觸的土體發(fā)生了擠壓破壞從而失去了穩(wěn)定性。因此，本文重點(diǎn)研究樁土相互作用下吸力桶結(jié)構(gòu)的水平極限承載力，并分析在計(jì)算承載力的過程中桶身受到的應(yīng)力與彎矩分布情況。結(jié)合工程中經(jīng)常使用的3種兆瓦級(jí)別的風(fēng)機(jī)，計(jì)算出每種級(jí)別的風(fēng)機(jī)適用的最小吸力桶桶身，計(jì)算結(jié)果為海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了一定的參考。

1 有限元模型建立

本文以目前作為海上風(fēng)電主力的5 MW風(fēng)機(jī)為例開展有限元模擬，設(shè)置吸力桶基礎(chǔ)直徑為16 m，高15 m。在建立模型的過程中，如果土體的深度和高度過小，會(huì)影響計(jì)算精度，所以將土體直徑設(shè)置為至少128 m，高度為至少45 m。

在有限元模型中沿著y軸負(fù)方向施加重力荷載，沿著x軸正方向施加位移荷載。有限元模型中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，在不排水條件下，取摩擦角為25°，膨脹角為0.1°，泊松比v=0.25，建立網(wǎng)格屬性為C3D8R（八節(jié)點(diǎn)六面體）有限元模型，這種網(wǎng)格屬性對(duì)位移的求解相對(duì)精確，并且在網(wǎng)格受到荷載作用發(fā)生扭曲的情況下對(duì)精度的影響較小。吸力桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，彈性模量E=2.1 GPa，泊松比v=0.3，接觸面分別為桶體內(nèi)外側(cè)與土體和桶體下邊緣與土體。在將土體和基礎(chǔ)裝配起來分析之前，需要先結(jié)合土體形狀計(jì)算出地應(yīng)力大小，再將計(jì)算結(jié)果賦予承載力計(jì)算有限元模型。土壤水平承載力與桶體橫向位移的關(guān)系計(jì)算根據(jù)向模型加載位移荷載后得到。當(dāng)曲線斜率接近零時(shí)的荷載可以確定為吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在該土壤條件下的土體極限承載力。為了使研究具有廣泛性，本文選用砂土和黏土兩種土質(zhì)參數(shù)分別進(jìn)行分析。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 吸力桶基礎(chǔ)水平極限承載力分析

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的水平極限承載力求解方法為：向基礎(chǔ)耦合點(diǎn)添加位移荷載，得到荷載-位移（P-S）曲線，根據(jù)水平位移對(duì)應(yīng)的水平荷載拐點(diǎn)值求得水平極限承載力，計(jì)算曲線如圖1所示。

圖1 黏土/砂土地基下吸力桶基礎(chǔ)P-S曲線

由圖1可知，在黏土地基下，當(dāng)吸力桶頂部耦合點(diǎn)產(chǎn)生了12.2 cm的水平位移后，其水平極限承載力為4290 kN。在砂土地基下，吸力桶基礎(chǔ)P-S曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在水平位移為10.4 cm時(shí)，此位置對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)水平極限承載力為1862 kN。此時(shí)土體已經(jīng)屈服，觀察等效塑性變形云圖，吸力桶已將上部土體破壞，破壞深度約為5.8 m，從而荷載反方向土體與桶體發(fā)生分離，水平分離長度約12.3 cm。

2.2 吸力桶結(jié)構(gòu)分析

采用位移控制法設(shè)置吸力桶水平位移u分別為3 cm、6 cm、9 cm和12.2 cm四個(gè)分析步。

根據(jù)吸力桶桶體的應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力以桶底邊和桶頂下76 cm處兩側(cè)為中心不斷發(fā)展擴(kuò)大，并且隨著位移的增加，擠壓土體一側(cè)的吸力桶頂部兩側(cè)受力相較于桶底部越來越明顯，逐漸成為受力最大的部位。吸力桶達(dá)到極限水平位移時(shí)，桶體最大應(yīng)力為36.41 MPa。桶側(cè)底部上方1.5～7.6 m處應(yīng)力較小，最小應(yīng)力出現(xiàn)在桶側(cè)底部上方3.8 m處，約為7.51 MPa。

為了更全面展示吸力桶整體的應(yīng)力變化，在后處理中沿著吸力桶受擠壓方向建立路徑，其Mises應(yīng)力路徑設(shè)置如圖2a所示，對(duì)應(yīng)的Mises應(yīng)力分布如圖2b所示，其中圖2b中的角度表示的是圖2a中兩條路徑與x軸的夾角。如圖2可知，無論哪條路徑，當(dāng)泥面下深度為0.8 m左右時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值，同時(shí)桶體受到擠壓作用產(chǎn)生的彎矩也最大，在上述位置之后應(yīng)力逐漸變小，而后在桶底2 m范圍內(nèi)應(yīng)力再次明顯增大，因此，海床面以下5.3 m和桶底2 m這段區(qū)域在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮較多因素。

圖2 不同提取路徑的應(yīng)力對(duì)比

2.3 土體變形分析

由于土體的強(qiáng)度比吸力桶的強(qiáng)度低，在受到位移荷載后土體先發(fā)生塑性屈服，桶內(nèi)水平正向土體發(fā)生屈服，隨著桶頂水平位移增大，桶體擠壓側(cè)表面土體發(fā)生屈服，桶頂水平位移達(dá)到計(jì)算的極限值時(shí)，海床以下5.8 m均處于塑性破壞區(qū)域。

受到桶體擠壓的海床面水平位移云圖如圖3所示，幾乎2/3的區(qū)域發(fā)生水平位移，并且呈反射狀，可見土體的塑性破壞也呈放射狀分布，在距離桶體圓心3.4 m的區(qū)域內(nèi)，土體位移隨徑向減小。

圖3 受到桶體擠壓的海床面水平位移云圖

2.4 不同土質(zhì)下吸力基礎(chǔ)適應(yīng)性分析

為探討不同級(jí)別的吸力桶式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所需要的最小桶深深度，本節(jié)分別在黏土和砂土兩種土體環(huán)境的地基下，對(duì)3 MW、5 MW和10 MW風(fēng)機(jī)分別在桶深10 m、15 m和20 m結(jié)構(gòu)參數(shù)下預(yù)計(jì)進(jìn)行18組承載力分析。由于3 MW的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在桶深10 m的條件下已滿足承載力要求，為減少計(jì)算量，增大桶深的計(jì)算不再進(jìn)行。對(duì)于10 MW的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，在兩種土體環(huán)境下，只有在桶深達(dá)到20 m的條件下能達(dá)到承載力的要求。通過計(jì)算可以看出，3 MW的風(fēng)機(jī)需要10 m的桶深就足夠；5 MW的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)至少需要15 m的桶深；10 MW的風(fēng)機(jī)使用20 m深的吸力桶才相對(duì)安全。由于海上設(shè)施安裝制造過程煩瑣，成本較高，在計(jì)算后確定各兆瓦級(jí)別的風(fēng)機(jī)適用吸力桶結(jié)構(gòu)可以在初期設(shè)計(jì)階段降低成本。綜上所述，吸力桶基礎(chǔ)適應(yīng)性的本質(zhì)區(qū)別在于不同兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)水平荷載、彎矩和上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的重力不同。

3 結(jié)語

本文基于海上風(fēng)機(jī)單樁/吸力桶基礎(chǔ)有限元模型開展基礎(chǔ)水平極限承載力、桶體變形及土體變形研究，得到以下可以在設(shè)計(jì)中參考借鑒的結(jié)論。

（1）通過向吸力桶桶頂耦合點(diǎn)施加位移荷載得到的P-S曲線計(jì)算出5 MW風(fēng)機(jī)吸力桶基礎(chǔ)的水平極限承載力為4290 kN，基礎(chǔ)桶頂水平位移為12.2 cm。

（2）分析吸力桶桶身彎矩和應(yīng)力分布，綜合得出桶體易發(fā)生破壞區(qū)域?yàn)楹４裁嬉韵?.3 m至桶底2 m的范圍內(nèi)。

（3）隨著桶體頂部施加的位移載荷越來越大，相對(duì)于桶體強(qiáng)度更低的土體受到擠壓作用，產(chǎn)生的塑性屈服分布延徑向呈放射狀分布，分布形狀為半圓形，隨著泥面深度的增加，距吸力桶中心相同半徑處的水平位移逐漸減小。

（4）本文評(píng)估了3種兆瓦級(jí)別的風(fēng)機(jī)對(duì)吸力基礎(chǔ)的適應(yīng)性要求，為吸力基礎(chǔ)選型工程應(yīng)用提供了參考依據(jù)。