外海風(fēng)電超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計

佟永錄

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程的加快，在用地愈發(fā)緊張的密集型城市周邊，開發(fā)大型海上風(fēng)力發(fā)電項目已成為一種發(fā)展趨勢[1]。我國海上風(fēng)力資源豐富，隨著國家擴大海洋開發(fā)的規(guī)模，海上風(fēng)電施工項目逐漸增多，項目離岸也越來越遠，隨之而來的對于海上風(fēng)電超大型鋼管樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計也就越發(fā)緊迫。

2 工程背景

遼寧莊河市擁有2 900 km2海域面積，有多處三面環(huán)山、一面臨水的地理位置，海上風(fēng)力資源豐富。作為風(fēng)機基礎(chǔ)主要承載力樁基，超大直徑鋼管樁隨著水深、地質(zhì)變化對基礎(chǔ)設(shè)計提出更高要求。本文依托華能大連市莊河海上風(fēng)電場址Ⅳ1(350 MW)項目進行超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計，場址中心離岸距離約35.2 km，水深約26～34 m，根據(jù)建設(shè)條件、風(fēng)資源情況和風(fēng)電機組大型化發(fā)展趨勢，擬安裝25臺6.2 MW、26臺7.5 MW風(fēng)電機組。

3 外海風(fēng)電超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 鋼管樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 鋼管樁基礎(chǔ)總體結(jié)構(gòu)

華能大連市莊河海上風(fēng)電場址Ⅳ1(350 MW)項目共計51臺單樁基礎(chǔ)，為非嵌巖單樁鋼管樁結(jié)構(gòu)，鋼管樁樁頂設(shè)有法蘭盤與風(fēng)機塔筒連接。環(huán)樁頂周邊布置有靠船構(gòu)件、上下爬梯、運維平臺、外加電流設(shè)備等附屬構(gòu)件。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式:

(1)25臺6.2 MW級風(fēng)機基礎(chǔ)，單樁直徑6.5～7.5 m，樁長約76～84.5 m，壁厚70～100 mm，主體用鋼量1 056.33～1 266.66 t。

(2)26臺7.5 MW級風(fēng)機基礎(chǔ)，單樁直徑7.5～8.4 m，樁長約80.5～87 m，壁厚75～100 mm，主體用鋼量1 321.98～1 519.55 t。

單樁基礎(chǔ)的防腐采用海工重防腐涂層＋外加電流保護系統(tǒng)的聯(lián)合防腐蝕方案，基礎(chǔ)防沖刷采用拋石保護的方法，如圖1所示。

圖1 單樁基礎(chǔ)總體結(jié)構(gòu)

3.1.2 基礎(chǔ)頂高程確定

根據(jù)《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10105—2018)第3.2.6條，風(fēng)電機組基礎(chǔ)平臺底高程的確定應(yīng)計入50年重現(xiàn)期潮位和波浪的影響，其平臺底高程應(yīng)符合式(1):

式中，HW為極端高潮位，取3.46 m；Hb為極端高潮位，取最大波高10.73 m；Δ為安全加高，可取0.5～1.5 m，本項目取1.39 m[2]。

T＝3.46＋2/3×10.73＋1.39＝12 m

故單樁基礎(chǔ)頂高程?。?2.0 m。

3.1.3 各工況風(fēng)機基礎(chǔ)適應(yīng)能力分析

(1)7.5 MW風(fēng)機單樁基礎(chǔ)設(shè)計

單樁直徑7.5～8.4 m、壁厚75～100 mm的鋼管樁定位于海底，承受波浪、海流荷載及風(fēng)機塔架傳遞的風(fēng)荷載和風(fēng)機荷載[3]，平均樁長約83.0 m，入土深度約41.0 m，樁端進入粉砂層，樁底平均高程約-71.0 m，樁頂高程為＋12.0 m。樁頂與風(fēng)機塔筒通過法蘭系統(tǒng)進行連接，樁周采用拋石作防沖刷物。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算采用SACS有限元軟件，如圖2所示，風(fēng)機單樁基礎(chǔ)總荷載計算值如表1所示，風(fēng)機單樁結(jié)構(gòu)計算(海浪工況)如表2所示，風(fēng)機單樁結(jié)構(gòu)計算(海冰工況)如表3所示。

表1 風(fēng)機單樁基礎(chǔ)總荷載計算值匯總

表2 風(fēng)機單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果(波浪工況)

表3 風(fēng)機單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果(海冰工況)

圖2 風(fēng)機單樁基礎(chǔ)計算模型、應(yīng)力工況UC圖

計算結(jié)果表明，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和規(guī)范要求。

(2)7.5 MW整機動力模態(tài)計算

采用海洋工程計算軟件SACS對風(fēng)電機組及風(fēng)電機組基礎(chǔ)組成的整體系統(tǒng)進行模態(tài)分析[4]，對照風(fēng)機廠家提供的葉片轉(zhuǎn)動、塔筒自振頻率以及波浪頻率以避免系統(tǒng)發(fā)生共振的可能性。通過模態(tài)分析，評價基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否滿足海上風(fēng)電機組動力特性的設(shè)計要求[5]。在進行模型計算時，由于單樁基礎(chǔ)整機振動頻率為最柔工況控制，因此采用50年一遇極端高水位＋校核最大波高＋極限工況腐蝕余量＋10 cm海生物＋5 m沖刷的計算邊界條件[6]，如圖3所示，風(fēng)機單樁基礎(chǔ)＋結(jié)構(gòu)自振頻率/周期計算如表4所示。

表4 風(fēng)機單樁基礎(chǔ)＋結(jié)構(gòu)自振頻率/周期計算成果

圖3 風(fēng)機單樁基礎(chǔ)振型

單樁整機允許頻率范圍為0.22～0.26 Hz。以上計算結(jié)果表明，系統(tǒng)一階自振頻率0.245～0.246 Hz，說明系統(tǒng)能避開葉片轉(zhuǎn)動頻率范圍，系統(tǒng)不會發(fā)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。

3.1.4 單樁基礎(chǔ)沉樁分析

打樁是海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，在樁基設(shè)計階段進行可打入性校核是保證順利打樁的重要技術(shù)手段?？纱蛉胄苑治鐾ㄟ^已知的錘樁土系統(tǒng)所有參數(shù)對沉樁能力進行預(yù)判，預(yù)估打樁時貫入度和錘擊數(shù)的關(guān)系。

典型機位鋼管樁樁徑7.5～8.4 m，樁長87 m，泥面標高-31.4 m，樁底標高-75.0 m，樁底入泥43.6 m，采用GRLWEAP波動方程分析程序?qū)A(chǔ)鋼管樁進行可打性分析[7]，初選的打樁錘 IHC S3000 kJ，單樁打樁線性分析如圖4所示，單樁打樁數(shù)據(jù)結(jié)果分析如圖5所示。

圖4 單樁打樁線性分析

圖5 單樁打樁數(shù)據(jù)結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)果表明采用IHC S-3000 kJ液壓錘打樁能夠完成本工程的沉樁工作，樁自沉20 m，總錘擊數(shù)2 078擊，樁身最大拉應(yīng)力為59.42 MPa，樁身最大壓應(yīng)力為116.05 MPa[8]。

3.1.5 單樁基礎(chǔ)疲勞驗算

考慮到單樁基礎(chǔ)樁體變截面及變壁厚處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在外部環(huán)境荷載作用下，上述位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象將影響結(jié)構(gòu)的疲勞強度，需進行疲勞分析。單樁基礎(chǔ)除考慮環(huán)境產(chǎn)生的疲勞損傷外，還需考慮打樁疲勞累積損傷[9]。

根據(jù)《Design of offshore wind turbine structures》(DNV-OS-J101)第J200.201條，考慮到目前國內(nèi)相關(guān)大型鋼結(jié)構(gòu)制作的工藝水平，從結(jié)構(gòu)安全角度考慮，本工程鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析S-N曲線數(shù)學(xué)表示形式為式(2):

式中，N為疲勞壽命；log10a為與log10N軸的交點；m為S-N曲線中的負切線斜率；Δσ為應(yīng)力范圍；tref為參考壁厚；t為裂縫厚度，當tref＜ t時，tref＝t；k為厚度指數(shù)。

根據(jù)《Fatigue design of offshore steel structures》(DNVGL-RP-0005)第2.1條，本工程節(jié)點部位均處于海水中并且為焊接節(jié)點，S-N曲線采用C1曲線。

Miner線性累積損傷理論認為:構(gòu)件在應(yīng)力水平Si下，經(jīng)受ni次循環(huán)時的損傷Di＝ni/Ni。若在M個應(yīng)力水平Si下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，則可定義其總損傷為式(3):

式中，Dc為特征累積疲勞損傷；nc，i為通過特征長期應(yīng)力范圍分布獲得的第i區(qū)段的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Nc，i為通過特征S-N曲線獲得的第i區(qū)段的失效應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)；DFF為設(shè)計疲勞因子，取決于結(jié)構(gòu)或者組件對于結(jié)構(gòu)完整性的重要性或是檢查維修的方便性，取為3。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位壽命計算結(jié)果如表5所示。

表5 單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位壽命計算結(jié)果

從整體計算結(jié)果來看，單樁基礎(chǔ)鋼管樁疲勞損傷小于1，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命為29.9年，大于風(fēng)電場風(fēng)機設(shè)計壽命(25年)，說明單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足疲勞設(shè)計要求[10]。

3.2 鋼管樁基礎(chǔ)防沖刷設(shè)計

3.2.1 樁基局部沖刷成因

海上潮流和波浪使風(fēng)電單樁基礎(chǔ)前方會形成一個馬蹄渦，在背流處形成渦流(卡門渦街)，兩側(cè)流線也會收縮；這增加了水流對底床的剪切應(yīng)力，提高了水流挾沙能力。底床若是易受侵蝕的，風(fēng)機基礎(chǔ)會形成沖刷坑，進而影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[11]。樁周流場如圖6所示。

圖6 樁周流場示意

3.2.2 樁基防沖刷方案

樁周一定范圍內(nèi)采用拋石防沖刷保護方案，施工順序為單樁基礎(chǔ)沉樁→拋填反濾層→拋填護面層。樁周3 m范圍內(nèi)，護面層拋石采用帶網(wǎng)兜包覆的石料進行防沖保護，網(wǎng)兜繩索采用聚丙烯繩索編織，單兜承重8 t以上，海洋環(huán)境中使用壽命30年以上。其余區(qū)域拋石采用網(wǎng)兜兜送，網(wǎng)兜作為臨時施工措施，典型基樁防沖刷見前面圖1所示。

3.3 鋼管樁基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計

3.3.1 腐蝕余量計算

采用涂層或陰極保護時，鋼結(jié)構(gòu)不同部位的單面腐蝕裕量根據(jù)《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》計算，如表6所示。

表6 單樁基礎(chǔ)腐蝕裕量計算結(jié)果

3.3.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐方案

參照國內(nèi)外港口工程、海洋工程防腐蝕設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合場址區(qū)域水環(huán)境特點[12]，本工程采用的風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐蝕方案如表7所示。

表7 單樁基礎(chǔ)防腐方案

4 結(jié)束語

目前我國能源革命和海洋戰(zhàn)略的推進正展現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢頭。我國沿海地區(qū)亟需開工建設(shè)一批風(fēng)電項目。本文以大連市莊河海上風(fēng)電場Ⅳ1(350 MW)項目風(fēng)機基礎(chǔ)為依托，結(jié)合清潔能源海上風(fēng)能開發(fā)特點，采用SACS有限元軟件對單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，通過疲勞驗算、防沖刷、防腐蝕等一系列技術(shù)研究，確保整個工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿足工程需求。本工程趕上2021年海上風(fēng)電“搶裝潮”，實現(xiàn)2021年12月29日全容量并網(wǎng)發(fā)電，選擇施工快捷的單樁基礎(chǔ)設(shè)計極其重要。同時外海超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)出了海上風(fēng)電超大直徑鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)，并通過工程應(yīng)用驗證，為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型做出一定貢獻。