李大勇，劉小麗，孫宗軍

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島266510；2.江蘇省安捷巖土工程有限公司，江蘇 徐州221104；3.山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島266510)

海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)的新型吸力錨研發(fā)

李大勇1，劉小麗2，孫宗軍3

(1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島266510；2.江蘇省安捷巖土工程有限公司，江蘇 徐州221104；3.山東科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島266510)

海上風(fēng)電作為一種清潔能源，其開發(fā)利用越來越受到世界各沿海國家的重視。吸力錨基礎(chǔ)是海洋工程中的一種新型基礎(chǔ)型式，廣泛應(yīng)用于海洋平臺、海洋浮動式結(jié)構(gòu)等。近年來，也被作為海上風(fēng)電工程塔架的基礎(chǔ)，此海上風(fēng)電塔架的基礎(chǔ)部分是整個工程結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它涉及到整個風(fēng)電結(jié)構(gòu)的安全性，是工程可靠運行的前提。在深入研究已有塔架的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的塔架基礎(chǔ)型式—裙式吸力錨基礎(chǔ)，主要詳細介紹了該基礎(chǔ)形式的沉貫機理、承載機理，分析了其可行性，可供工程應(yīng)用和推廣。

海上風(fēng)電;裙式吸力基礎(chǔ);沉貫;承載力

隨著全球能源危機、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)日益加重，越來越多的國家重視開發(fā)、利用可再生能源和清潔能源。因此，在當前形勢下，風(fēng)能作為最清潔能源的一個選擇，受到世界普遍重視。我國是一個風(fēng)能利用大國，2008年已位居世界第四位，但與其它電力來源相比，風(fēng)能仍占較小比例。據(jù)有關(guān)資料顯示，2008年中國電力總裝機：火電占76.3%；水電占21.6%；核電占1.3%；風(fēng)電及新能源占0.8%。由此看，我國的節(jié)能減排任重道遠，大力發(fā)展風(fēng)能的空間仍很大。我國計劃2020年前，20%的能源來自可再生能源，其中風(fēng)電將達到100 GW，中國將成為世界可再生能源利用的巨大市場。

海上風(fēng)能開發(fā)和利用比陸地具有更多優(yōu)勢。海上風(fēng)能資源比陸地豐富，其風(fēng)速高，風(fēng)力持久，且海上很少有靜風(fēng)期，因此能更有效地利用風(fēng)電機組的發(fā)電容量；與陸地相比不需要很高的塔架，可降低風(fēng)電機組的成本；再有，海上風(fēng)能具有零排放、無視覺、噪音等污染以及不占用陸地等優(yōu)點。自1991年世界第一個海上風(fēng)力發(fā)電廠在丹麥建成，尤其1997年后，引起了荷蘭、英國、德國等歐洲國家和美國大力發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電場（圖1）。而對海上風(fēng)力資源、風(fēng)場論證和設(shè)計研究早在1976-1983年在歐洲國家展開[1]，時至今日國內(nèi)外仍有眾多能源開發(fā)機構(gòu)和研究人員對開發(fā)海上風(fēng)能的必要性、經(jīng)濟性以及對海洋環(huán)境等方面的影響進行著研究[2-4]。2009年歐洲新建8個海上風(fēng)場，安裝了199個海上風(fēng)電機組，發(fā)電量577 MW，比2008年增長55%。2010年歐洲風(fēng)能協(xié)會預(yù)測，歐洲將新增10個風(fēng)場，裝機達1 000 MW，將比2009年增加73%。歐洲已成為全球海上風(fēng)電的領(lǐng)導(dǎo)者，總風(fēng)電量達2 056 MW，分布在歐洲9個國家38個風(fēng)場，828個風(fēng)電機組。其中英國和丹麥分別占44%和30%，英國已經(jīng)取代丹麥成為世界最大海上風(fēng)場基地。當前歐洲在建的海上風(fēng)場有17個，總裝機容量達3 500 MW，到2020年其海上風(fēng)電裝機能量將達到40 000 MW，導(dǎo)致CO2減排85 Mt，預(yù)測到2050年歐洲電能將有50%來自風(fēng)能 （以上數(shù)據(jù)來源于歐洲風(fēng)電網(wǎng)）。

目前，我國風(fēng)能主要以陸地風(fēng)能為主，全國各省都有風(fēng)電場分布，主要的大風(fēng)場集中在內(nèi)蒙、遼寧、河北、吉林、黑龍江和江蘇等省。而我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和電荒地區(qū)多集中在沿海省份，這便于我國重視并大力發(fā)展海上風(fēng)電。我國是一個海上風(fēng)力資源豐富的國家，尤其黃海和東海屬于淺海風(fēng)場資源，利于建設(shè)海上風(fēng)場。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計（中國風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)http://www.wffd.cn/），我國近海10 m水深的風(fēng)能資源約1億kW、近海20 m水深的風(fēng)能資源約3億kW以及近海30 m水深的風(fēng)能資源約4.9億kW，是陸地風(fēng)能資源的2倍，具有巨大的風(fēng)能開發(fā)潛力。我國海上風(fēng)力發(fā)電與世界發(fā)達國家相比，雖然起步較晚，但發(fā)展較快，如：第一個海上1.5 MW試驗風(fēng)機由中海油公司2007年安裝在渤海東北部的遼寧灣，當年11月投入使用；我國第一個海上風(fēng)場—上海東海大橋風(fēng)場2008年9月開始建設(shè)，由34臺3 MW風(fēng)電機組成，風(fēng)場平均水深9.8～10.3 m，采用鋼管樁基礎(chǔ)，2009年3月20日第一臺風(fēng)電機組安裝成功（圖2），2009年9月4日首批3臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2010年向上海世博會供電（http://www.cpire.com.cn/）；世界單體最大的海上風(fēng)電場將在江蘇東臺開建，擬選用3.6 MW的84臺風(fēng)機組成；山東威海也將建投資210億元、年發(fā)電量25億kWh的海上風(fēng)電場；另外，我國在渤海、黃海、東海和海南省等海域也規(guī)劃建立多處風(fēng)力發(fā)電廠。這對解決我國能源危機問題和CO2減排將起到重大作用。

海上風(fēng)電也存在著缺點，主要表現(xiàn)在：（1）作為風(fēng)電工程的地基基礎(chǔ)費用高，一般占到總造價的20%左右；（2）電網(wǎng)接入集成成本高；（3）安裝成本高，安裝過程受天氣環(huán)境的制約；（4）運行、維護實施困難，直接導(dǎo)致機組可利用率下降，影響發(fā)電量。要彌補這些不足，海上風(fēng)電一個重要的發(fā)展方向是開發(fā)利用超大功率的風(fēng)電機組，目前國外應(yīng)用的最大功率機組為5 MW，世界發(fā)達國家也正在研發(fā)10～20 MW的發(fā)電機組，葉輪直徑將達到250 m左右，預(yù)計2020年實現(xiàn)。當前我國海上最大風(fēng)電機組為3 MW，在工程實踐和理論研究技術(shù)支持等方面都落后于世界發(fā)達國家，急需大規(guī)模投入研發(fā)超大功率風(fēng)電機組及開展相關(guān)配套工程的科研工作。而作為海上風(fēng)電塔架的基礎(chǔ)部分是整個工程結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它涉及到整個風(fēng)電結(jié)構(gòu)的安全性，是工程可靠運行的前提。本文在深入研究已有塔架基礎(chǔ)上，提出了一種新型、經(jīng)濟和可靠的塔架基礎(chǔ)型式—裙式吸力錨基礎(chǔ)，供工程現(xiàn)場應(yīng)用和推廣。

圖1 海上風(fēng)電場

圖2 正在安裝的東海大橋風(fēng)電機組

1 海上風(fēng)電工程的塔架基礎(chǔ)型式

圖3 海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式 （引自文獻[5]，略作修改）

吸力錨基礎(chǔ)作為目前國際海洋工程中應(yīng)用廣泛的一種新型基礎(chǔ)型式，它具有費用經(jīng)濟、方便施工、施工速度快和可重復(fù)利用等優(yōu)點而被作為各種系泊在海上浮動式結(jié)構(gòu)物、海洋平臺的基礎(chǔ)[7]，并且也在海上風(fēng)力發(fā)電工程得到了成功應(yīng)用[8]，引起了海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的廣泛興趣和重視。吸力基礎(chǔ)國內(nèi)外稱之為吸力沉箱、吸力錨、吸力樁或桶形基礎(chǔ)（suction caisson,suction anchor,suction pile,bucket foundation）， 它們通常是底部敞開，頂部封閉的鋼制圓筒形結(jié)構(gòu)，承受著巨大水平、豎向荷載和彎矩，其直徑一般在3～12 m之間，高徑比一般在1～10之間變化。但這些基礎(chǔ)沉貫機理是相同的：首先所有排水孔開啟，在自重作用下基礎(chǔ)部分沉入海床，桶內(nèi)水體與海床形成封閉水體，然后關(guān)閉排水孔，抽出基礎(chǔ)內(nèi)水體，從而在基礎(chǔ)內(nèi)產(chǎn)生負壓，在負壓和自重共同作用下，吸力基礎(chǔ)繼續(xù)沉入海床的預(yù)定位置。但它們是根據(jù)基礎(chǔ)高徑比不同而命名的，可以穿越砂土、粉土和粘性土[9]。

2 新型海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)——裙式吸力錨基礎(chǔ)

2.1 海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)的受荷特點

作為海上風(fēng)機的吸力錨基礎(chǔ)和應(yīng)用于離岸開采油、汽田的吸力錨基礎(chǔ)不同點是：

（1）海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)的豎向荷載相對于水平荷載和彎矩非常小，因此，吸力錨基礎(chǔ)抵抗水平力和彎矩的承載能力是主要考慮因素。

（2）由于基礎(chǔ)處在淺海中，海床的沖刷可以導(dǎo)致吸力基礎(chǔ)附近局部海床沖蝕，從而導(dǎo)致其承載能力降低。

（3）作用到風(fēng)葉片的風(fēng)動荷載和支柱上的波浪荷載，對基礎(chǔ)動力影響的獨特性。

通過對水平荷載作用下吸力錨基礎(chǔ)響應(yīng)分析，吸力錨基礎(chǔ)受到的最大彎矩和剪力發(fā)生在淺土層中，即淺層土和吸力錨基礎(chǔ)的相互作用決定了吸力錨基礎(chǔ)水平承載力和最大撓度變形[10]。要提高吸力錨基礎(chǔ)的水平承載力，減少其幅值響應(yīng)，就是想辦法提高淺層土中吸力錨基礎(chǔ)與土的相互作用，這個情況類似于橫向受荷樁[11]。第一作者2007-2008年參加挪威科技大學(xué)土木工程系Geir Moe教授負責(zé)的大型海上風(fēng)機設(shè)計過程中（葉片直徑126 m，HUB直徑3 m，HUB高于平均海平面90 m，單機發(fā)電量 5 MW），提出了一種新型吸力基礎(chǔ)—裙式吸力錨基礎(chǔ)（其模型如圖4所示）。它包括一個底部敞開、頂端封閉的桶體，桶體頂面沒有排水孔，桶體上端外側(cè)帶有一環(huán)形加強盤，環(huán)形加強盤與桶體共同構(gòu)成一縱斷面為T形的整體結(jié)構(gòu)，在所述的環(huán)形加強盤周邊加工連續(xù)有裙邊，在環(huán)形加強盤頂面均勻布置有一圈透水圓孔，這通過對現(xiàn)有傳統(tǒng)吸力錨基礎(chǔ)進行改進，徹底解決其水平承載力小和桶體上部周圍的海床土體沖蝕問題[12]。

2.2 裙式吸力錨基礎(chǔ)

所提出的裙式吸力錨基礎(chǔ)的研究意義是：

（1）根據(jù)水平荷載作用下吸力錨基礎(chǔ)撓度變形機理，設(shè)置了“裙”結(jié)構(gòu)，增加了吸力錨基礎(chǔ)的抗彎剛度和剪切剛度，從而減少了較大水平循環(huán)荷載和彎矩作用下基礎(chǔ)的水平位移和轉(zhuǎn)角響應(yīng)幅值，同時也提高了基礎(chǔ)的水平承載能力。

SAI調(diào)查方法：所有患者由經(jīng)過培訓(xùn)的同一個醫(yī)師采用統(tǒng)一的指導(dǎo)語言進行指導(dǎo)，在患者充分理解條目意義后由測試者逐條提問，根據(jù)病人的回答，逐條評分。

（2）“裙”的設(shè)置擴大了吸力基礎(chǔ)的側(cè)面積和承臺面積，提高了基礎(chǔ)側(cè)面與土體的摩擦力和豎向承載力，與傳統(tǒng)吸力錨基礎(chǔ)相比，降低了基礎(chǔ)主桶長度。

（3）“裙”頂面部分預(yù)留了排水孔，降低了基礎(chǔ)沉貫過程中的海水阻力，同時“裙”結(jié)構(gòu)較大提高了抵抗海床沖刷的能力，避免了主桶周圍土體液化，從而保證基礎(chǔ)承載力不會降低，延長了基礎(chǔ)壽命。

（4）由于造價和沉貫方面的考慮，實際工程采用的裙式吸力錨基礎(chǔ)，其裙的高度（H1）要小于主桶高度（H2），結(jié)合承載力方面的考慮，因此存在合理設(shè)置裙式吸力錨基礎(chǔ)幾何尺寸的優(yōu)化問題。這也是本課題重點解決的問題。

圖4 裙式吸力錨基礎(chǔ)模型照片及其剖面圖[12]

2.3 裙式吸力錨基礎(chǔ)的工作機理

2.3.1 裙式吸力錨基礎(chǔ)的沉貫機理

要使所提出“裙”式吸力基礎(chǔ)與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)比較具有競爭優(yōu)勢，必須滿足兩方面的要求：一是較好的沉貫性能，二是提供較大的承載能力。其中，裙式吸力基礎(chǔ)滿足沉貫要求是承載能力分析的前提。

裙式吸力錨基礎(chǔ)沉貫過程可分為兩個階段：

（1）自重作用下沉貫（h1）。裙式吸力基礎(chǔ)在自重作用下在海水內(nèi)下沉，此時，主桶頂部范圍內(nèi)排水閥門全打開，主桶底部與海床接觸，由于底部呈尖形和基礎(chǔ)側(cè)壁由薄壁鋼板組成，在自重作用下繼續(xù)下沉；由于側(cè)壁阻力隨貫入深度逐漸增大，下沉速度逐漸減小，直至貫入停止（如圖5（a）所示），即完成自重作用下的沉貫，主桶內(nèi)部與海床形成一個密閉水體。

（2）吸力作用下沉貫。裙式吸力基礎(chǔ)自重作用下沉貫結(jié)束后，關(guān)閉主桶頂部所有排水孔，開啟與中間排水孔連接的潛水泵，排除主桶內(nèi)水體，此時內(nèi)部水壓力減小，與裙式吸力基礎(chǔ)頂部形成壓力差即吸力，再由于主桶內(nèi)部土體與其外部土體形成水頭差，產(chǎn)生繞過主桶底部的滲流，由于滲流作用使得基礎(chǔ)底部有效應(yīng)力下降，抗力減小，使得基礎(chǔ)在吸力作用下繼續(xù)下沉，直到下沉到預(yù)定位置。此過程包括吸力作用下主桶范圍內(nèi)沉貫（h2）和“裙”范圍內(nèi)沉貫（h3）兩種情況，分別如圖5(b)、(c)所示。在這個過程中，要事先設(shè)計好l和h3的尺寸，同時設(shè)計好主桶高度（即至少與傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)相比：具有相同承載力和同樣潛水泵功率條件），不增加基礎(chǔ)造價和施工費用。

圖5 裙式吸力錨基礎(chǔ)沉貫過程示意圖

另外，筆者已經(jīng)證明，裙式吸力基礎(chǔ)在砂土地基中有較好的沉貫性，并與同條件下（基礎(chǔ)用料相同等）傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)進行了比較，證明了所提裙式吸力基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟性、可靠性和推廣應(yīng)用價值[13]。

2.3.2 裙式吸力錨基礎(chǔ)的承載機理

與傳統(tǒng)單筒吸力錨比較，本文提出設(shè)置的“裙”結(jié)構(gòu)主要考慮提高基礎(chǔ)水平抗力，同時也能提高豎向承載力。設(shè)置“裙”的作用主要是解決傳統(tǒng)單筒吸力錨的存在的缺陷：傳統(tǒng)基礎(chǔ)周圍存在砂土液化問題，從而降低基礎(chǔ)承載力；基礎(chǔ)周圍發(fā)生波浪容易引起海床沖蝕問題；不能有效提高豎向和水平承載能力。

另外，考慮基礎(chǔ)下沉過程中，主要受到端部阻力的作用和桶內(nèi)土塞的作用。裙式吸力錨基礎(chǔ)采用的底部“尖”狀設(shè)置（如圖5所示）且“尖”位于內(nèi)側(cè)，即可大大減少底部阻力和主桶內(nèi)土塞產(chǎn)生，其“尖”端幾何尺寸需計算確定。另外，裙式吸力錨基礎(chǔ)取消了潛水泵而設(shè)置裙結(jié)構(gòu)頂面圓形排水口，裙結(jié)構(gòu)亦采用底部“尖”狀設(shè)置，為了進一步減少端部阻力。

3 結(jié)語

海上風(fēng)電開發(fā)利用必將成為我國沿海地區(qū)清潔能源利用的一個熱點和方向，而作為風(fēng)電塌架的裙式吸力基礎(chǔ)，必將引起人們的重視。對我國廣闊海域來講，海床土體涉及砂土、粉土和粘性土，且成層分布現(xiàn)象突出[14-15]。因此，針對我國海洋地質(zhì)土分層特點和正在大力開發(fā)離岸風(fēng)能資源的有利時機，本文所提出的新型吸力基礎(chǔ)—裙式吸力錨基礎(chǔ)是對海上風(fēng)電基礎(chǔ)工程選型的一個有利補充，有著明顯發(fā)展優(yōu)勢。因此，對進一步開展粉土+砂土層狀地基中的裙式吸力錨基礎(chǔ)沉貫和承載力研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)和工程實踐價值，還具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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A Novel Type Suction Anchors for Offshore Wind Turbines

LI Da-yong1,LIU Xiao-li2,SUN Zong-jun3
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266510,China;2.Jiangsu Sheng Angeell Geotechnical Engineering Co.,Ltd.Xuzhou Jiangsu 221104,China;3.College of Natural Resources and Environment,Qingdao Shandong 266510,China)

Offshore wind as a clean energy attracts more and more attention.Suction foundations include suction anchors,suction piles and suction caissons,which are commonly used in offshore engineering to fix platform and moor floating structures.Currently they act extensively as foundations for the offshore wind turbines in shallow sea water.Such a foundation is an essential part of the whole engineering structures.It also involves the security of the whole engineering structures.Based on deep research on present tower,a new type of tower foundations named the skirted suction foundation is presented.The load-transfer mechanism and the two stages of the penetration of the skirted suction foundation consisting of self-weight induced and suction-induced are illustrated in detail.

offshore wind turbine;skirted suction foundation;installation;bearing capacity

P751

A

1003-2029（2011）03-0083-05

2011-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項目（51078227）;山東省自然科學(xué)基金資助項目（ZR2009FM00）;山東省"泰山學(xué)者"建設(shè)工程專項基金；教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金資助；山東科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金（YCA100320）

李大勇(1971-)，男，漢族，教授，博士，主要從事海洋巖土工程研究，E-mail:ldy@sdust.edu.cn