海上風(fēng)電場項(xiàng)目單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)后評估分析

　　摘 要：在收集項(xiàng)目可研、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)方案、目標(biāo)及依據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合江蘇某地海上風(fēng)電場示范項(xiàng)目現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)際情況，對比分析風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)方案存在的偏差以及原因，給出設(shè)計(jì)后評估分析和優(yōu)化方案。分析結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本滿足相關(guān)規(guī)范要求，單樁基礎(chǔ)的樁徑、壁厚以及樁長有一定的優(yōu)化空間;單樁整機(jī)頻率滿足允許范圍 0.28~0.35Hz 的要求;單樁基礎(chǔ)和風(fēng)機(jī)底節(jié)塔筒采用無過渡段法蘭連接方式可大幅度提高施工效率。

　　本文源自熊必康; 江海濤; 冀昊， 水力發(fā)電 發(fā)表時間：2021-06-30

　　關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;單樁基礎(chǔ);設(shè)計(jì);后評估;優(yōu)化

　　0 引 言

　　隨著全球氣候變化日益嚴(yán)峻，開發(fā)海上風(fēng)能資源已成為全球沿海國家的共識。2019 年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)超過 6 GW，單年新增裝機(jī)創(chuàng)歷史新高[1]。中國、英國與德國成為全球海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快國家。截至 2019 年底，我國海上風(fēng)電累計(jì)核準(zhǔn)項(xiàng)目裝機(jī)容量 3 123 萬 kW，海上風(fēng)電并網(wǎng)容量居全球第 3。

　　近些年國內(nèi)學(xué)者對歐洲和中國海上風(fēng)電的發(fā)展有所關(guān)注[2-4]，并且我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也取得了階段性成果，但仍面臨著海上風(fēng)電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系不夠完善，海上風(fēng)電機(jī)組研發(fā)和設(shè)計(jì)、海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)不夠成熟等問題。根據(jù)國家能源局和國家海洋局關(guān)于印發(fā)《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》的通知，新建項(xiàng)目投產(chǎn)一年后，由有資質(zhì)的咨詢機(jī)構(gòu)對項(xiàng)目進(jìn)行后評估。通過對已建成并網(wǎng)的海上風(fēng)電場工程開展后評估，總結(jié)項(xiàng)目投資、建設(shè)和運(yùn)行中存在的問題和取得的經(jīng)驗(yàn)，提出優(yōu)化建議，評估結(jié)果可為其他海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)及設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。

　　江蘇某海上風(fēng)電場示范項(xiàng)目位于江蘇東側(cè)黃海海域，總裝機(jī)容量 150 MW，于 2016 年投入運(yùn)行。該項(xiàng)目水深超過 10 m，離岸超過 10 km，采用單樁基礎(chǔ)，同時建設(shè)了海上升壓站，是我國較早建設(shè)的典型海上風(fēng)電場。開展海上風(fēng)電場項(xiàng)目后評估，對促進(jìn)我國海上風(fēng)電建設(shè)，提高我國海上風(fēng)電設(shè)計(jì)、施工安裝和運(yùn)維技術(shù)水平，完善海上風(fēng)電相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)未來“十四五”海上風(fēng)電場建設(shè)具有重要意義。

　　1 項(xiàng)目概況

　　海上風(fēng)電場項(xiàng)目位于江蘇省東側(cè)黃海海域，離岸約 25 km，泥面高程在-3.3～-14.6 m 之間(1985 國家高程基準(zhǔn))，風(fēng)電場形狀呈四邊形，涉海面積為 26.2 km2，海域使用期限 25 年。風(fēng)電場配套建設(shè)一座 110 kV 海上升壓站及一座陸上集控中心。場區(qū)風(fēng)功率密度等級為 3 級，風(fēng)能資源較豐富;風(fēng)電場場區(qū)屬于熱帶氣旋影響區(qū)域，應(yīng)要求風(fēng)電機(jī)組具備有效的抗臺風(fēng)性能。本工程所在海域受正規(guī)半日潮影響，實(shí)測最高潮位 3.41 m，最低潮位-3.44 m，平均海平面 0.01 m;工程采用的設(shè)計(jì)高水位為 2.67 m，設(shè)計(jì)低水位為-2.51 m，極端高水位為 5.13 m，極端低水位為-4.12 m。在本水域全年波高 Hs 為 0.5~1.0 m 的浪發(fā)生頻率全年最高，其次為小于 0.5 m 的浪，海域波浪較大。全年中較大的波浪在秋季、冬季發(fā)生較多。根據(jù)水文測驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)，工程海域潮流特征為：大潮 14 條垂線的漲、落潮平均流速均為 0.53 m/s;中潮漲、落潮平均流速分別為 0.47 m/s 和 0.50 m/s，小潮漲、落潮平均流速分別為 0.33 m/s 和 0.35 m/s;海域大潮流速明顯大于中、小潮流速，漲潮流速稍微小于落潮流速，各垂線的流速相差較小。風(fēng)電場工程海域受兩大潮波系統(tǒng)輻合的影響程度較大，潮流動力相對復(fù)雜，且潮汐通道相互串通，水道之間存在著頻繁的水沙交換，侵蝕和堆積的過程仍不斷發(fā)生;風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷坑深度范圍為 6.79～8.54 m，沖刷坑最大直徑范圍為 14.42～17.32 m。

　　2 單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)后評價

　　本工程共 38 個機(jī)位，均采用無過渡段連接的單樁基礎(chǔ)，典型設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示，單樁基礎(chǔ)直徑為 5.5~6.2m。典型設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示。本文從單樁主體結(jié)構(gòu)安全、整體動力特性、單樁基礎(chǔ)連接方案等對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面評價。

　　2.1 單樁主體結(jié)構(gòu)分析評價

　　2.1.1 單樁靜力分析評價

　　基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算中首先確定極端工況和正常運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)荷載和環(huán)境荷載的最不利組合，驗(yàn)算樁基的豎向承載力和樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性，基礎(chǔ)泥面處的位移、沉降和基礎(chǔ)剛度等。

　　采用 7 號機(jī)位鉆孔的地質(zhì)資料，施工圖階段中單樁底部直徑為 6.2 m(初步設(shè)計(jì)方案為 6.4 m)，塔筒底部法蘭盤高程為+14.0 m，本機(jī)位原始泥面高程為-12.3 m，考慮約 6 m 的沖刷深度，即沖刷后的泥面高程約為-18.3 m。從泥面到平臺部分分為 2 段：下段為變徑段，泥面(高程-12.3 m)處直徑 6.2 m 到變徑段頂部(高程+2 m)直徑 5.5 m，壁厚 70 mm;上段為直段，頂部(高程+14 m)鋼管直徑 5.5 m，壁厚 70 m。鋼管樁入土樁徑 6.2 m，入土總長約 55.7 m，泥面以下壁厚 55～70 mm。

　　計(jì)算時的泥面高程均按天然泥面沖刷后的高程。結(jié)構(gòu)計(jì)算時，管壁厚度按腐蝕后的厚度采用，單樁基礎(chǔ)采用通用海工有限元軟件計(jì)算分析。單樁基礎(chǔ)有限元計(jì)算模型如圖 2 所示，樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖 3 所示，主要計(jì)算結(jié)果匯總見表 1。計(jì)算結(jié)果表明該方案滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

　　從計(jì)算結(jié)果分析，單樁基礎(chǔ)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。從目前的結(jié)果來看，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式選擇合理，充分考慮了風(fēng)電場的實(shí)際的地址條件，能夠滿足相關(guān)的要求。此項(xiàng)目樁基的最大 UC 值為 0.407，符合設(shè)計(jì)要求，樁徑、壁厚還有一定的優(yōu)化空間。

　　2.1.2 單樁基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)施工圖評價

　　本工程的 7 號風(fēng)機(jī)機(jī)位單樁基礎(chǔ)采用無過渡單樁結(jié)構(gòu)，鋼管樁采用 DH36 及 DH36-Z35 型鋼材，鋼材的質(zhì)量應(yīng)符合《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》[5]和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[6]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，建議圖紙中說明單樁主體結(jié)構(gòu)鋼板應(yīng)采取正火一級探傷板。建議圖紙中說明每個機(jī)位的施工工藝，例如采用直接打入或“打-鉆-打...”方式，并說明首次的停錘標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行指導(dǎo)施工。

　　2.2 整機(jī)動力模態(tài)分析評價

　　2.2.1 整機(jī)動力模態(tài)分析

　　初設(shè)階段以有限元法對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)及風(fēng)電機(jī)組組成的整體系統(tǒng)，即葉片+輪轂+機(jī)艙+塔架+基礎(chǔ)+地基系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算分析，如圖 4 所示，計(jì)算整體系統(tǒng)的多階模態(tài)，對照廠家提供的葉片轉(zhuǎn)動、塔筒自振頻率以及波浪頻率以確定發(fā)生系統(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(jì)是否滿足海上風(fēng)電機(jī)組動力特性的設(shè)計(jì)要求。風(fēng)機(jī)輪轂中心距離基礎(chǔ)頂約 73.16 m，即輪轂高度約 87 m。為提高整機(jī)頻率，使得風(fēng)機(jī)整機(jī)頻率位于 0.28~0.35 Hz 內(nèi)，將風(fēng)機(jī)塔筒剛度增大，最終確定風(fēng)機(jī)塔筒底部直徑為 5.5 m，所有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整機(jī)頻率匯總見表 2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，風(fēng)電場整機(jī)頻率控制在 0.294~0.31 Hz 范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.2.2 整機(jī)動力模態(tài)分析評價

　　本工程風(fēng)機(jī)廠家給出的結(jié)構(gòu)整機(jī)頻率允許范圍為 0.28~0.35 Hz。考慮到風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，海床的整體運(yùn)移、基礎(chǔ)沖刷、海生物的附著程度、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕程度等均將影響風(fēng)機(jī)整機(jī)頻率，因此對風(fēng)電場區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)整機(jī)進(jìn)行不同工況的頻率校核工作。本工程采用 SACS 軟件對單樁基礎(chǔ)進(jìn)行頻率分析，計(jì)算得到 7 號機(jī)單樁整機(jī)頻率的前 3 階固有頻率如表 3 所示，對應(yīng)的振型如圖 5 所示。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)+塔筒+整機(jī)整體一階自振頻率為 0.297 392 Hz，滿足廠家對頻率的要求。原設(shè)計(jì)方案 7 號機(jī)位整機(jī)頻率為初步設(shè)計(jì)階段計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)直徑為 6.5 m，本次計(jì)算以最終施工圖參考資料為準(zhǔn)計(jì)算。

　　2.3 單樁基礎(chǔ)連接方案評價

　　本工程的單樁基礎(chǔ)不同連接方案確定為淺水區(qū)幾臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)單樁以取消過渡段型式，深水區(qū)單樁基礎(chǔ)以灌漿連接方案。通過以下相應(yīng)有限元分析，法蘭連接式單樁基礎(chǔ)與灌漿連接式單樁基礎(chǔ)得到的應(yīng)力結(jié)果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.3.1 灌漿連接設(shè)計(jì)方案評價

　　2.3.1.1 灌漿材料

　　本工程鋼管樁結(jié)構(gòu)中，鋼管樁與主導(dǎo)管插入段的連接通過灌漿連接，即在樁內(nèi)側(cè)與主導(dǎo)管插入段外側(cè)之間的環(huán)形空間灌漿。該連接節(jié)點(diǎn)將受到結(jié)構(gòu)自重、環(huán)境荷載和風(fēng)機(jī)荷載等傳遞給樁基，是非常重要的過渡節(jié)點(diǎn)，必須保證更高的安全性。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所采用的灌漿材料主要為高強(qiáng)水泥基灌漿材料以及高強(qiáng)灌漿材料，高強(qiáng)水泥基灌漿材料主要性能指標(biāo)應(yīng)滿足《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[7]的要求。

　　灌漿節(jié)點(diǎn)處受力形式復(fù)雜，存在軸向力與扭矩、彎矩與剪力等交叉作用。灌漿體通過與接觸體的粘結(jié)力和摩擦力來提供豎向支撐力，當(dāng)設(shè)置抗剪鍵時，通過抗剪鍵的承擔(dān)作用來提供支撐力。灌漿材料除了滿足各項(xiàng)強(qiáng)度要求外，同時需要滿足基礎(chǔ)疲勞設(shè)計(jì)使用年限的要求。

　　2.3.1.2 灌漿體強(qiáng)度計(jì)算

　　灌漿體的強(qiáng)度決定了主導(dǎo)管與樁基連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，應(yīng)確保灌漿體的強(qiáng)度滿足承載能力極限狀態(tài)的要求。灌漿體所受到的荷載為由極端工況下波浪荷載、水流力、基礎(chǔ)風(fēng)荷載、撞擊力和自重等荷載傳遞到主導(dǎo)管與樁基連接處的作用力。各主控環(huán)境荷載重現(xiàn)期為 50 年，荷載組合形式為基本組合。

　　根據(jù) DNVGL-ST-0126《Support structures for wind turbines》[8]要求，帶剪力鍵灌漿段承載能力滿足 FV1Shk ,d ? FV1Shkcap,d ， pnom,d ?1.5MPa。灌漿體的強(qiáng)度驗(yàn)算內(nèi)容應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)受力模式來計(jì)算。在軸向力、彎矩、扭矩作用下，灌漿體豎向承載力計(jì)算結(jié)果如表 4 所示。

　　建立數(shù)值分析模型來模擬主導(dǎo)管、樁基和灌漿體，計(jì)算模型如圖 6 所示。

　　如圖 7 所示，在設(shè)計(jì)荷載作用下，灌漿體材料的屈雷斯卡(Tresca)應(yīng)力最大值為未超過其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，建議采用強(qiáng)度≥120 MPa 的灌漿料。

　　本工程設(shè)計(jì)計(jì)算按照灌漿長度 9 m，并預(yù)留 1 m 的灌漿長度，灌漿段總設(shè)計(jì)長度為 10 m。在歐洲多按照 1.5D+2 的經(jīng)驗(yàn)，+2 是指灌漿段上、下部各預(yù)留 1 m 作為局部脫開、灌漿封堵或端部質(zhì)量較差等因素的裕量，此灌漿長度富裕度較大，可適當(dāng)減少灌漿強(qiáng)度，建議取值 6~8 m。因?yàn)楣酀{節(jié)點(diǎn)為非常關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，根據(jù)有限元分析建議灌漿節(jié)點(diǎn)的灌漿體的厚度考慮 100~150 mm 為宜。

　　2.3.2 法蘭連接設(shè)計(jì)方案評價

　　單樁基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、施工快捷、性價比高。鋼管樁打樁垂直度可達(dá)到 1%以內(nèi)，而上部風(fēng)機(jī)因正常運(yùn)行的需要，對基礎(chǔ)水平度要求控制在 1%左右，故一般通過設(shè)置過渡段進(jìn)行二次調(diào)平，過渡段與鋼管樁之間通過高強(qiáng)灌漿材料連接。由于國外部分海上風(fēng)機(jī)的單樁基礎(chǔ)灌漿料與過渡段之間出現(xiàn)脫空與豎向移位，存在一定的安全隱患。根據(jù)本工程竣工圖提供的圖紙，本工程采用采用的是結(jié)構(gòu)簡單、施工快捷、性價比高的無過渡段單樁式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，取消灌漿連接過渡段，單樁式的鋼管樁和與之相連接的風(fēng)機(jī)底節(jié)塔筒采用法蘭連接，鋼管樁的頂部設(shè)有基礎(chǔ)頂部法蘭，而在風(fēng)機(jī)底節(jié)塔筒的底部設(shè)有底節(jié)塔筒法蘭，且兩法蘭通過螺栓和螺母相連接。此種連接方式可節(jié)省工程費(fèi)用，連接牢固，消除灌漿料失效的風(fēng)險，此種連接方式也是目前海上風(fēng)電項(xiàng)目單樁基礎(chǔ)型式連接的主導(dǎo)的連接方式，就目前的已有的風(fēng)機(jī)運(yùn)行來看，效果良好，已具備較好的實(shí)際工程施工的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本工程施工圖階段已經(jīng)取消灌漿連接過渡段，鋼管樁和風(fēng)機(jī)底節(jié)塔筒的連接方式已經(jīng)采用無過渡段法蘭連接方式，此方案設(shè)計(jì)合理，可大幅度提高施工效率。

　　3 結(jié) 論

　　本次后評價根據(jù)初設(shè)報告的相關(guān)的資料以及施工圖階段的圖紙進(jìn)行分析評價，通過對原有設(shè)計(jì)采用規(guī)范、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范以及計(jì)算方法進(jìn)行比較，可得如下結(jié)論：

　　(1)通過計(jì)算分析，單樁樁徑、壁厚以及樁長還有一定的優(yōu)化空間;另外建議圖紙中說明每個機(jī)位的施工工藝，并說明首次的停錘標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行指導(dǎo)施工。

　　(2)單樁整機(jī)頻率滿足風(fēng)機(jī)廠家給出的結(jié)構(gòu)整機(jī)頻率允許范圍 0.28~0.35 Hz 之內(nèi)。

　　(3)取消灌漿連接過渡段，鋼管樁和風(fēng)機(jī)底節(jié)塔筒的連接方式采用無過渡段法蘭連接方式，此連接方案可大幅度提高施工效率，且效果良好。