復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平允許壓差研究

摘 要：針對復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平工況中分艙間允許壓差的研究較少，以某海上風(fēng)電項目中復(fù)合筒型基礎(chǔ)沉放安裝為背景，采用極限應(yīng)力控制方法開展復(fù)合筒型基礎(chǔ)不同沉放深度處的調(diào)平允許壓差Δp的定量分析，通過數(shù)值模擬方法計算有無土體模型的分艙板屈服的臨界壓差，提出復(fù)合筒型基礎(chǔ)調(diào)平過程允許壓差的選擇方法。結(jié)果表明：復(fù)合筒型基礎(chǔ)沉放過程中調(diào)平允許壓差應(yīng)采用分艙板極限應(yīng)力與屈曲的最小值，分艙板設(shè)置加強肋可有效提高調(diào)平允許壓差Δp，推薦使用帶土體模型應(yīng)力控制方法計算調(diào)平允許壓差。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；復(fù)合筒型基礎(chǔ)；數(shù)值模型；負壓沉放；調(diào)平允許壓差；應(yīng)力控制

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：A

0 引 言

風(fēng)能是可再生的清潔能源，海上風(fēng)電等可再生能源的發(fā)展對助力中國“雙碳”目標的實現(xiàn)具有重要的積極作用。中國廣東沿海具有豐富的海上風(fēng)能資源，開發(fā)潛力巨大?！笆奈濉逼陂g廣東省將大力發(fā)展海上風(fēng)電，加快8 MW及以上大容量風(fēng)電機組規(guī)?；瘧?yīng)用，這也為基礎(chǔ)形式的適用性提出極大挑戰(zhàn)。復(fù)合筒型基礎(chǔ)是一種新型的內(nèi)設(shè)分艙板的寬淺式風(fēng)電機組基礎(chǔ)型式［1-2］，適用于大容量風(fēng)電機組，其基礎(chǔ)直徑通常大于30 m，高徑比相對較小［3］，入土深度通常小于20 m，因其內(nèi)部被分艙板分成空心蜂窩狀結(jié)構(gòu)［4］，既可保證氣浮濕拖過程中的穩(wěn)定性［5］，也可實現(xiàn)拖航過程及負壓沉放階段的調(diào)平作業(yè)［6］，可實現(xiàn)一步式安裝，顯著降低海上風(fēng)電施工成本。

筒型基礎(chǔ)的負壓沉放是施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，過大負壓會造成基礎(chǔ)內(nèi)土體滲透破壞及土塞現(xiàn)象，過小負壓則難以實現(xiàn)沉放就位，因此針對筒型基礎(chǔ)負壓沉放階段存在的問題，大量學(xué)者開展了筒型基礎(chǔ)下沉過程中的試驗及數(shù)值分析。在筒型基礎(chǔ)下沉試驗方面，張浦陽等［7-11］開展了粉質(zhì)黏土與飽和粉砂下復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放的原位試驗，對不同的調(diào)平方案進行驗證，發(fā)現(xiàn)吸水與抽氣相結(jié)合可合理控制基礎(chǔ)的下沉速度與沉放過程中的水平度，并得出復(fù)合筒型基礎(chǔ)可調(diào)深度與角度的關(guān)系；隨后在砂土中進行四筒基礎(chǔ)的調(diào)平試驗研究，比較不同調(diào)平方法的優(yōu)缺點；丁紅巖等［12-13］發(fā)現(xiàn)沉放過程中發(fā)生傾斜時，向高位邊艙抽負壓可以調(diào)整傾斜度；王海軍等［14］在砂土中對寬淺式三筒基礎(chǔ)進行了基于滲透破壞控制的最大初始可調(diào)傾角試驗，建議初始傾角應(yīng)控制在2°內(nèi)。數(shù)值分析方面，練繼建等［15］以出口水力梯度為控制條件對復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平滲流特性進行研究，發(fā)現(xiàn)分艙板的存在降低了沉放臨界負壓，調(diào)平臨界負壓隨傾斜角度迅速下降；李濤等［16］對復(fù)合筒型基礎(chǔ)在不同土質(zhì)條件和沉放深度及調(diào)平過程滲流場進行數(shù)值分析，揭示了調(diào)平工況下土體滲透破壞的機理。綜上所述，現(xiàn)有對基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平過程中允許壓差分析，多以土體滲透破壞作為臨界判別標準，且調(diào)平試驗?zāi)Ｐ捅瘸咻^小，分艙板結(jié)構(gòu)剛度變大，不會因為調(diào)平壓差而出現(xiàn)屈服破壞，但實際工程中復(fù)合筒型基礎(chǔ)分艙板結(jié)構(gòu)寬而高，且設(shè)計時應(yīng)考慮負壓沉放過程中可能出現(xiàn)的最大調(diào)平壓差，但分艙板結(jié)構(gòu)不允許過厚從而增大基礎(chǔ)的沉放阻力，所以在負壓沉放時承受分艙間調(diào)平壓差能力較差，因此開展復(fù)合筒型基礎(chǔ)分艙間允許壓差的研究具有重要意義。

本文依托某海上風(fēng)電項目，建立基礎(chǔ)-土體三維數(shù)值模型，以分艙板極限應(yīng)力為控制條件，建立復(fù)合筒型基礎(chǔ)有無土體、是否設(shè)置加強肋等不同計算模型，得到不同沉放深度處的調(diào)平允許壓差Δp的變化規(guī)律，提出復(fù)合筒型基礎(chǔ)調(diào)平過程允許壓差的選擇方法，擬通過本文研究為實際工程復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。

1 調(diào)平允許壓差

1.1 負壓沉放調(diào)平壓差的產(chǎn)生

復(fù)合筒型基礎(chǔ)在負壓沉放過程中，需保證基礎(chǔ)的水平度。由于地層不均勻性或受泵撬塊性能限制，復(fù)合筒型基礎(chǔ)在入土負壓沉放過程中出現(xiàn)傾斜，為保證施工安全、滿足基礎(chǔ)安裝就位及運行期傾斜率限值要求［17］，需立即對基礎(chǔ)進行調(diào)整，防止出現(xiàn)過大傾斜難以調(diào)平恢復(fù)的現(xiàn)象。如圖1所示，當監(jiān)測到傾斜產(chǎn)生時，可通過增大高位邊艙負壓的方法進行調(diào)平，因此產(chǎn)生了分艙間壓差。

1.2 負壓沉放調(diào)平受力分析

如圖2所示為復(fù)合筒型基礎(chǔ)在負壓沉放階段發(fā)生傾斜時調(diào)平工況受力示意圖，當基礎(chǔ)負壓沉放出現(xiàn)傾斜時，調(diào)平方法為：停止對其他各艙的抽吸，只對基礎(chǔ)高位邊艙進行抽負壓調(diào)平，此時高位邊艙負壓絕對值為po，中艙或相鄰邊艙負壓絕對值為pi，分析可知此時pogt;pi，所以產(chǎn)生了分艙間調(diào)平壓差，對分艙板造成影響，此時的分艙間壓差p=po-pi，隨著高位邊艙調(diào)平負壓的增大，分艙板應(yīng)力也隨之增大，達到應(yīng)力極限值的壓差值即為調(diào)平允許壓差Δp。

2 數(shù)值仿真

2.1 數(shù)值模型

為了研究復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放中的調(diào)平允許壓差，采用某海上風(fēng)電場原位地層取樣數(shù)據(jù)，利用大型有限元軟件ABAQUS建立復(fù)合筒型基礎(chǔ)-土體三維原型數(shù)值模型，為消除邊界效應(yīng)的影響，水平向土體尺寸為180 m，豎直向為66 m。為了驗證土體產(chǎn)生的影響，建立無土體的對比組數(shù)值模型。有限元模型示意圖如圖3所示，其中，兩個模型的基礎(chǔ)筒裙內(nèi)側(cè)及分艙板上均布置了加強肋。

2.2 復(fù)合筒型基礎(chǔ)模型參數(shù)

復(fù)合筒型基礎(chǔ)模型為現(xiàn)場原型模型，使用3D殼單元建模，鋼材材料為Q355，具體參數(shù)如表1所示，基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部加強肋與基礎(chǔ)采用綁定約束（Tie）剛性連接，基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元類型為S4R，網(wǎng)格總數(shù)為63356個，加強肋具體參數(shù)見表2，加強肋模型及布置方式如圖4所示。

2.3 土體參數(shù)

采用某海上風(fēng)電場原位地層取樣數(shù)據(jù)進行數(shù)值分析，具體各地層參數(shù)如表3所示。土體采用3D實體建模，土體本構(gòu)選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，網(wǎng)格類型為C3D8R，網(wǎng)格數(shù)量為120384個。

2.4 邊界與荷載條件

邊界條件：土體底部為6個自由度的全約束；土體側(cè)面約束其x、y的平動自由度及3個方向上的轉(zhuǎn)動自由度。無土體模型邊界條件為約束基礎(chǔ)入土部分的6個自由度。

荷載條件：通過對高位邊艙未入土部分內(nèi)分艙壁施加負壓值來模擬因調(diào)平工況產(chǎn)生的艙間壓差。

2.5 接觸關(guān)系

模擬實際工況，復(fù)合筒型基礎(chǔ)與土體建立面-面接觸關(guān)系，主面為基礎(chǔ)面，從面為土體面；接觸屬性選用摩擦接觸，法相接觸采用硬接觸，切向接觸采用罰函數(shù)法。

2.6 計算工況

本文對復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平允許壓差的分析計算主要分為以下3個工況，其中，每種工況沉放深度計算范圍為4～13 m，間隔1 m計算一次：

1）帶土體計算模型分別考慮基礎(chǔ)筒體內(nèi)部有無加強肋以及加強肋頂部未與頂蓋綁定約束等工況；

2）為對比土體建模對調(diào)平允許壓差Δp結(jié)果的影響，無土體計算模型計算工況同帶土體模型相同；

3）調(diào)平時分艙板屈曲允許壓差只考慮基礎(chǔ)筒體內(nèi)部無加強肋的工況。

3 計算結(jié)果分析

3.1 帶土體模型有無加強肋的影響

如圖5所示為帶土體模型有無加強肋對允許壓差的影響，可看出：加強肋對調(diào)平允許壓差Δp的提升十分明顯，增長率在沉放深度11 m時達到82.0%，最小亦達到35.7%，總體上帶土體模型筒體內(nèi)有加強肋同無加強肋相比對調(diào)平允許壓差Δp的提升是顯著的；帶土體模型有無加強肋的極限應(yīng)力允許壓差Δp隨著沉放深度的增加逐漸增大，因所用離心泵最大抽負壓能力為20 kPa，以此為限制可得，當基礎(chǔ)筒體內(nèi)沒有設(shè)置加強肋，并在負壓沉放深度4～11 m范圍內(nèi)調(diào)平時，需緩慢操控離心泵進行抽吸，防止壓差值過大對分艙板造成破壞，影響基礎(chǔ)沉放；而基礎(chǔ)筒體內(nèi)有加強肋時，只需在負壓沉放深度4～7 m范圍內(nèi)調(diào)平時加強對離心泵的操控。

3.2 帶土體模型加強肋未與頂蓋綁定約束的影響

根據(jù)復(fù)合筒型基礎(chǔ)預(yù)制施工現(xiàn)場的加強肋焊接實際情況，以及考慮到復(fù)合筒型基礎(chǔ)在岸邊預(yù)制時筒內(nèi)加強肋與頂板焊接施工的困難性，特別建立帶土模型加強肋未與頂蓋綁定約束工況，并與帶土模型有加強肋計算結(jié)果對比，如圖6所示為帶土體模型加強肋未與頂蓋綁定約束對允許壓差的影響，可知帶土體模型有加強肋工況允許壓差Δp比帶土體模型加強肋未與頂蓋綁定約束要大，增長率最大為41.2%，最小為11.4%，加強肋未與頂蓋綁定約束對允許壓差造成了影響，建議在基礎(chǔ)建造時將加強肋與基礎(chǔ)頂蓋焊接；隨沉放深度的增加帶土體模型加強肋未與頂蓋綁定約束的允許壓差增長趨勢與帶土體模型有加強肋工況相似，以離心泵最大抽負壓能力20 kPa為限制，帶土模型加強肋未與頂蓋綁定約束工況下，在沉放深度4～8.5 m范圍內(nèi)調(diào)平時，需加強對離心泵的操控；而帶土體模型有加強肋只需在沉放深度4～7 m范圍內(nèi)調(diào)平時加強對離心泵的操控，所以建議在基礎(chǔ)建造時將加強肋與基礎(chǔ)頂蓋焊接。

3.3 有無土體模型結(jié)果對比

為對比土體對復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平允許壓差的影響，建立無土體模型，計算工況同有土體模型相同，計算結(jié)果對比如圖7所示。可看出，3種工況無土體模型允許壓差結(jié)果均比帶土體模型要大，以有無土體無加強肋模型為例，增長率最大為62.8%，最小為10.0%，所以計算調(diào)平允許壓差Δp推薦使用帶土體模型；對比圖7a、圖7b無土體模型無加強肋與有加強肋結(jié)果，以離心泵最大抽負壓能力20 kPa為限制，可看出需加強離心泵操控的沉放深度范圍最大值由10 m降為5.5 m，加強肋對調(diào)平允許壓差的提升非常顯著；對比圖7b、圖7c有土體模型加強肋是否與頂蓋綁定約束的結(jié)果，

可知需加強離心泵操控的沉放深度范圍最大值由7 m降為5.5 m，所以同3.2節(jié)建議將加強肋與頂蓋焊接。雖然無土體模型在3個工況下允許壓差結(jié)果均比帶土體模型要大，但有土體模型更符合實際工況，推薦使用帶土體模型應(yīng)力控制方法調(diào)平允許壓差，以指導(dǎo)實際工程復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平操作。

3.4 屈曲與應(yīng)力控制允許壓差對比

如圖8所示為分艙板屈曲與應(yīng)力控制允許壓差結(jié)果對比，其中，基礎(chǔ)沉放各深度處的土塞破壞臨界壓差根據(jù)規(guī)范《DNV-RP-E303》中推薦公式計算得出［18］?？煽闯觯涸谡{(diào)平允許壓差的計算中，分艙板屈曲允許壓差結(jié)果最大，有土體無加強肋模型允許壓差結(jié)果最小，但有土體模型符合實際工況，所以計算復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平允許壓差時，同3.3節(jié)推薦使用帶土體模型應(yīng)力控制方法調(diào)平允許壓差，且有土體模型允許壓差計算結(jié)果在整體下沉筒壁屈曲與土塞破壞基礎(chǔ)內(nèi)外允許壓差范圍內(nèi)，使用此方法結(jié)果調(diào)平時不會發(fā)生筒壁屈曲與土塞破壞。

4 結(jié) 論

本文依托某海上風(fēng)電項目，針對復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放階段調(diào)平允許壓差進行了研究，建立影響調(diào)平允許壓差的土體-基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等多個三維模型，使用應(yīng)力控制和屈曲分析等方法計算多個工況結(jié)果，包括有無加強肋和加強肋是否與頂蓋綁定約束等，但本文分析并未考慮負壓引起的滲流影響，后續(xù)研究應(yīng)對此方面加以考慮并分析。通過本文研究可得出如下主要結(jié)論：

1）加強肋未與頂蓋綁定約束對調(diào)平允許壓差結(jié)果產(chǎn)生了一定影響，因為工藝問題在現(xiàn)場施工中加強肋與基礎(chǔ)頂蓋焊接存在困難，仍建議在施工時將加強肋與基礎(chǔ)頂蓋焊接。

2）雖然有土體模型調(diào)平允許壓差結(jié)果相比于另兩種模型結(jié)果更小，但有土體模型更加符合實際工況，為保證基礎(chǔ)沉放就位與施工安全，推薦使用帶土體模型應(yīng)力控制方法計算調(diào)平允許壓差，指導(dǎo)實際工程復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平操作。

3）通過分析達到調(diào)平允許壓差的分艙板應(yīng)力云圖可知，局部應(yīng)力破壞發(fā)生在邊艙分艙板與中艙分艙板以及與頂蓋的焊縫處，建議采取一些增強焊縫措施來保證調(diào)平施工安全，如在焊縫處增設(shè)焊縫加強板等。

4）基礎(chǔ)沉放較深時受到的側(cè)摩阻力較大和受離心泵最大抽負壓能力限制，出現(xiàn)傾斜較難調(diào)平，所以必須密切關(guān)注并保證基礎(chǔ)負壓沉放較淺時的水平度，監(jiān)測到傾斜發(fā)生，立即采取措施對基礎(chǔ)進行調(diào)平。

5）以離心泵最大抽負壓能力20 kPa為限制，得到復(fù)合筒型基礎(chǔ)負壓沉放調(diào)平時需要精細化操控離心泵的沉放深度范圍，在這個范圍內(nèi)調(diào)平允許壓差值偏小，可通過對高位艙及其兩側(cè)邊艙同時抽負壓進行調(diào)平，減小調(diào)平所需負壓，避免分艙間壓差值超過調(diào)平允許壓差。

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STUDY ON ALLOWABLE DIFFERENTIAL AIR PRESSURE OF

LEVELING FOR SUCTION INSTALLATION OF

COMPOSITE BUCKET FOUNDATION

Jia Zhaolin1-3，Li Xinyi1，2，Lian Jijian3，Zhang Fengwu4，Wu Han1，2，He Shuaiqi1，2

（1. Hebei Key Laboratory of Intelligent Water Conservancy， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China；

2. School of Water Conservancy and Hydroelectric Power， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China；

3. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety， Tianjin University， Tianjin 300350， China；

4. Dalian Harbour Engineering Co.， Ltd.， Dalian 116600， China）

Abstract：There are few studies on the allowable differential air pressure between compartments in suction installation and leveling conditions of composite bucket foundation. Taking the installation of composite bucket foundation in an offshore wind power project as the background， the quantitative analysis of allowable differential air pressure of leveling Δp for composite bucket foundation at different installation depths is carried out by using ultimate stress control method， the critical differential air pressure of the bulkheads yield of the model with and without soil modeling is calculated by numerical simulation method， and the selection method of allowable differential air pressure during leveling of composite bucket foundation is proposed. The results show that the minimum value of ultimate stress and buckling of the bulkheads should be selected for the allowable differential air pressure of leveling during the suction installation， the reinforcing ribs of the bulkheads can effectively improve the allowable differential air pressure of leveling Δp， it is recommended to use the model with soil modeling to calculate the allowable differential air pressure of leveling.

Keywords：offshore wind power； composite bucket foundation； numerical models； suction installation； allowable differential air pressure of leveling； stress control

收稿日期：2022-05-25

基金項目：河北省青年科學(xué)基金（E2020402110）；河北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目（E2020402074）

通信作者：張鳳武（1981—），男，學(xué)士、高級工程師，主要從事港口與海岸工程方面的研究。89134991@qq.com