董小兵，韓彥寶，李 雪， 楊 麗

(1. 國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，陜西 西安 710065；

2. 北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司，北京 100096)

我國海上風(fēng)機基礎(chǔ)形式及荷載計算問題探討

董小兵1，韓彥寶2，李 雪2， 楊 麗2

(1. 國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，陜西 西安 710065；

2. 北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司，北京 100096)

針對我國目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)發(fā)展現(xiàn)狀及海域地質(zhì)情況，提出目前適用于我國海域的幾類風(fēng)機基礎(chǔ)形式，并以單樁基礎(chǔ)為例說明基礎(chǔ)設(shè)計中存在的問題和注意的地方。對海上基礎(chǔ)設(shè)計研究做了一些探索。

海上風(fēng)電場；樁基礎(chǔ)；沖刷計算；荷載計算。

1 概述

2009年9月4日，我國東海大橋海上風(fēng)電場首批3臺3MW國產(chǎn)機組正式并網(wǎng)發(fā)電，標志著我國海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)穩(wěn)走出了第一步。

海上風(fēng)電場有著陸上風(fēng)電場不可比擬的優(yōu)勢：海上風(fēng)力資源豐富，風(fēng)速大而且穩(wěn)定，同容量裝機，海上要比陸上風(fēng)力發(fā)電量大50%以上；海上風(fēng)電場大都建設(shè)在沿海地區(qū)，那里經(jīng)濟發(fā)達，用電量大，電網(wǎng)建設(shè)足夠堅強，利于并網(wǎng)且距離上接近負荷中心；另外，海上發(fā)電不占用陸地土地資源，所以不涉及土地征用等問題。因此，海上風(fēng)力發(fā)電成為近年來國際風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新潮流和大方向，而且歐洲許多國家的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已相當成熟。

隨著陸上風(fēng)電的開發(fā)能力日漸成熟，以及高質(zhì)量的陸上風(fēng)能資源逐步開發(fā)完成，我國的海上風(fēng)電將逐漸從實驗階段進入規(guī)模化開發(fā)階段。然而存在的問題也隨之而來，目前海上風(fēng)電項目海域使用論證獲得許可、通過海域環(huán)評、通航安全論證的周期一般需要2年以上。

除政策銜接問題外，海上風(fēng)電場建設(shè)成本高也是是制約海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一。其中風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所占成本比重高達15%～25%。因此，研究并探索合理而又低成本的風(fēng)力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已成為海上風(fēng)電技術(shù)中的研究熱點。另外，與陸上基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)機基礎(chǔ)還受到波浪、水流、海冰等海洋環(huán)境荷載的作用，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的受力更加復(fù)雜，如何選擇合理的荷載計算方法也是一個亟待解決的問題。

2 我國海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式探索

目前，我國東海大橋海上風(fēng)電場選用的是高承臺樁基礎(chǔ)形式，而國外海上風(fēng)電場采用的多是單樁和三角架基礎(chǔ)形式。我國設(shè)計和施工人員則是先打下8根鋼管樁，再在鋼管樁的頂部澆注成一個混凝土承臺，來滿足高聳風(fēng)機承載、抗拔、水平移位的需要。相關(guān)機組的順利投產(chǎn)為我國海上風(fēng)電地基基礎(chǔ)選型提供了新的選擇。

然而，高承臺樁基礎(chǔ)材料耗材大、施工周期長、總造價高，尤其是鋼筋混凝土承臺位于風(fēng)浪區(qū)內(nèi)，承受的浪力較大，且由于本場區(qū)的上部淤泥質(zhì)地層較厚，承臺高出持力層約20m，結(jié)構(gòu)受力條件極為不利，承臺和樁結(jié)合處需要特別加固；之所以選擇此類基礎(chǔ)形式，是因為我國國內(nèi)對該類基礎(chǔ)形式的施工方法和施工經(jīng)驗比較成熟，又是首次進行海上風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計，從安全穩(wěn)妥角度考慮是可行的。若采用低樁承臺樁方案，雖可以避免風(fēng)浪區(qū)，但是需要進行水下作業(yè)，施工難度也很大。所以海上基礎(chǔ)選擇承臺樁方案有待實踐檢驗。

從文獻[4]對我國海域從北到南沿海底地質(zhì)情況的介紹可以看出，我國大多海域不適合建重力式和負壓桶基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)比較適合我國大多海域的地質(zhì)條件。國內(nèi)各高校和科研單位對海上基礎(chǔ)形式選擇及結(jié)構(gòu)計算方面做了一系列有益的探文獻[6～7]經(jīng)過專業(yè)系統(tǒng)的研究表明，在水深5m～20m以內(nèi)的海域內(nèi)，單樁基礎(chǔ)具有三角樁、承臺樁基礎(chǔ)無法比擬的成本優(yōu)勢，而且單樁施工工期短，對周圍環(huán)境影響小。

2012年8月13日，經(jīng)過兩個多小時、3000多下液壓沖擊錘的敲擊，龍源電力海上建設(shè)團隊將50多米長、5m直徑、幾百噸重的單樁基礎(chǔ)打入了地下40多米的位置，最終將垂直度誤差率控制在了2‰以內(nèi)(二期的誤差控制率為1‰)達到世界先進水平，標志著我國自主掌握了大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)電的基礎(chǔ)核心技術(shù)。

在 10m以下水深，重力式基礎(chǔ)造價較低，然而海上施工存在很大的不確定性，考慮到重力式基礎(chǔ)在軟弱地基上的穩(wěn)定性不易保證以及我國海域的實際情況，一般不建議選用。除非海床地質(zhì)條件特別好的情況，可以考慮使用。

在水深20m～30m得海域內(nèi)，可以考慮三角樁基礎(chǔ)或四角樁基礎(chǔ)。30m～50m海域內(nèi)可以選擇導(dǎo)管架基礎(chǔ)，相關(guān)設(shè)計理論可以參考海洋石油平臺的設(shè)計理論及相關(guān)規(guī)范。盡管目前許多新型的基礎(chǔ)形式在國外已有使用或研發(fā)，如張力腿結(jié)構(gòu)、三浮體結(jié)構(gòu)、Sapr結(jié)構(gòu)等。但是出于安全和技術(shù)角度考慮，在我國的應(yīng)用還是需要一段時間的探索。

3 基礎(chǔ)計算中存在的問題

我們以單樁基礎(chǔ)為研究對象，分析基礎(chǔ)設(shè)計中存在的問題。相關(guān)問題的探討對三角樁基礎(chǔ)和多樁基礎(chǔ)也有一定的借鑒作用。

3.1 樁頂和上部結(jié)構(gòu)連接處應(yīng)力計算

目前，國外海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)普遍采用“單樁+過渡段”的方案。單樁頂部與上部結(jié)構(gòu)一般為灌漿連接，屬于承受彎矩和剪力共同作用的連接構(gòu)件，對于這類大直徑環(huán)狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算，目前規(guī)范中還沒有合適的計算方法。大直徑鋼管樁灌漿連接處的疲勞驗算，不僅要考慮風(fēng)荷載的疲勞作用，還得考慮波浪水流荷載的疲勞效應(yīng)，目前規(guī)范中也沒有相關(guān)的計算方法。然而，為降低施工成本，龍源電力施工團隊摸索出一套無過渡段單樁工藝，不僅節(jié)省了施工成本，也簡化了相關(guān)的計算問題。

3.2 樁內(nèi)力計算問題

樁內(nèi)力變形計算，我們選取《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94－2008中的m法與港口工程荷載規(guī)范JGJ254－98中的m法進行比較分析。

某海上單樁基礎(chǔ)，內(nèi)徑4.755m，外徑4.8m，基礎(chǔ)法蘭到海底自然泥面處距離為15m。在水平力1171.7kN，彎矩43562.97kNm的作用下，用以上兩種方法計算的泥面處樁水平位移和樁身最大彎矩為：0.0381m，47181.19kNm (JGJ94－2008)；0.0189m，45909.57kNm(JGJ254－98)?？梢钥闯鰞烧哂嬎愕臉渡碜畲髲澗叵嗖畈皇呛艽?，但水平位移前者大約是后者的2倍。所以在單樁基礎(chǔ)初步設(shè)計時可以考慮用港口工程荷載規(guī)范中的m法進行初步設(shè)計，這樣的計算結(jié)果也是偏保守的。

目前對于承受較大水平力和彎矩作用的樁基大多推薦使用p－y曲線法，但現(xiàn)有規(guī)范只分別建立了粘土、砂土的p－y曲線，對于粘土和砂土混合分層的情形如何處理沒有給出一個具體的計算方法。另外p－y曲線需要現(xiàn)場試樁，在選取原狀粘土的不排水抗剪強度Cu值時有一定的爭議，Cu的大小對p值的影響較大，而且p－y曲線理論計算過程比較繁瑣，只能通過電算實現(xiàn)，可操作性差。所以我們可以考慮使用JGJ254－98中的m法進行初步計算。

3.3 水平承載力控制

對于樁承受的水平力和彎矩可以根據(jù)土體的承載力和樁的承載力來進行相關(guān)的復(fù)核，我們主要考慮樁身水平變位及轉(zhuǎn)角問題。

由于海水風(fēng)機基礎(chǔ)受力情況比陸上基礎(chǔ)更復(fù)雜，在海流、波浪和海風(fēng)反復(fù)作用下，泥面處泥面線以下很深的一段淤泥層基本是不產(chǎn)生抗力作用的，這樣的話，如何選擇合適的泥面線作為位移控制標準需要專門的研究。操作平臺的水平變位也需要控制在合理的范圍。

陸上風(fēng)機規(guī)定FD003－2007中對樁基基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角問題沒有做特別的規(guī)定，但對于海上樁基礎(chǔ)，特別是單樁基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)角問題應(yīng)該給予考慮，轉(zhuǎn)角太大的話直威脅到基礎(chǔ)與塔筒連接處的結(jié)構(gòu)抗剪能力，進而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.4 船舶撞擊計算問題

在有船舶行駛的海域，風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計時要考慮正常荷載工況下的船舶撞擊基礎(chǔ)時基礎(chǔ)的穩(wěn)定性驗算，撞擊荷載的計算可以參考港口工程荷載規(guī)范JTS144－1－2010。同時也要考慮結(jié)構(gòu)受撞擊后是否有局部變形(國內(nèi)這方面的計算還沒有相關(guān)的理論)，進而影響整體的穩(wěn)定性。特別是對單樁基礎(chǔ)而言，對撞擊和傾斜比較敏感。

4 荷載計算問題

4.1 波浪荷載計算

波浪荷載的設(shè)計可以參考海港水文規(guī)范JTJ213－1998中的相關(guān)規(guī)定進行。對于單樁基礎(chǔ)，可以采用中推薦的Morison公式計算。該方法計算過程相對簡單明了，有關(guān)參數(shù)方便確定，可操作性強。

4.2 海冰荷載計算

樁柱基礎(chǔ)受到的冰荷載一般只考慮水平荷載和豎向荷載兩種情形，而且以水平荷載為主，豎向荷載可作為次要荷載參與計算。計算直立樁柱水平靜冰壓力的公式各國各類規(guī)范中都有相關(guān)的規(guī)定，文獻[19]對這方面做了詳細的比較分析，有一定的參考價值。我國港口工程荷載規(guī)范中對冰荷載的計算做了詳細的說明，初步設(shè)計時可以參考其中的理論進行相關(guān)荷載計算。

4.3 沖刷問題

海上風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計前，首先要勘測擬建基礎(chǔ)地區(qū)的海床活動情況，海床活動對基礎(chǔ)沖刷的影響非常大，應(yīng)該盡量避免在海床活動頻繁區(qū)域選建風(fēng)機基礎(chǔ)，或者在建前需要對基礎(chǔ)做一定的防沖刷處理措施。對于單樁基礎(chǔ)，由波浪作用引起的沖刷，在樁基泥面處樁前產(chǎn)生馬蹄渦、樁后產(chǎn)生尾渦。馬蹄渦和尾渦主要受Keulegan－Carpenter(KC)影響，按下式計算：

式中：T為波周期；D為樁外徑；h為水深；H為波高。

樁基礎(chǔ)進行初步?jīng)_刷設(shè)計時，可以采用以上計算方法判斷是否產(chǎn)生波浪沖刷，對形成沖刷的根據(jù)沖刷程度采取相應(yīng)的保護措施。然而，由于實際海流情況比較復(fù)雜，具體怎么計算更能真實反應(yīng)實際沖刷情況，還需要相關(guān)的實驗研究?？梢栽谝越ǖ幕驍M建的基礎(chǔ)在海底泥面處安裝沖刷檢測裝置，收集沖刷資料，便于后續(xù)的分析研究。

5 總結(jié)

雖然在政府的有力推動下，我國海上風(fēng)電表現(xiàn)出極強的發(fā)展勢頭，但畢竟發(fā)展時間短，海上風(fēng)資源、水文、地質(zhì)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善，海上風(fēng)電場設(shè)計、施工、運行維護及相關(guān)裝備研制等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)薄弱，風(fēng)電標準、檢測和認證體系不完善，這些技術(shù)問題嚴重阻礙了我國海上風(fēng)電的快速發(fā)展。

[1]Milborrow D．Off－shore wind rises to the challenge．Wind Power 2003，(4)．

[2]習(xí)宋礎(chǔ)，劉漢中．海上風(fēng)力發(fā)電場開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．太陽能學(xué)報，2006，(2)．

[3]易躍春．中國海上風(fēng)電規(guī)劃進程介紹及展望[J]．電器工業(yè)，2013，(7)．

[4]黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華．海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．海洋工程，2009，5(27)．

[5]楊鋒，邢占清，等．近海風(fēng)機基礎(chǔ)型式結(jié)構(gòu)研究[J]．水利水電技術(shù)，2009，(9)．

[6]段鄖峰，冉紅玉，李鳳麗．海山風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)的選型設(shè)計[J]．水利與建筑工程學(xué)報，2010，2(8)．

[7]尚景宏．海上風(fēng)力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計選型研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010．

[8]黃維平，尚景宏，王建豐．國外海上風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀[C]//中國可再生能源學(xué)會海洋能專業(yè)委員會第一屆學(xué)術(shù)討論會文集，2008．

[9]張霞．近海風(fēng)電場樁式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]．大連：大連理工大學(xué)．2010．

[10]吳芳和．近海風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化與疲勞分析[D]．大連：大連理工大學(xué)，2009．

[11]鄭主平，吳啟仁．響水風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)不均勻沉降原因及處理方法[J]．水利水電技術(shù)，2009，9(40)．

[12]黃立維，楊鋒，等．海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)與導(dǎo)管架的灌漿連接[J]．水利水電技術(shù)，2009，9(40)．

[13]JGJ 94－2008，建筑樁基規(guī)范[S]．

[14]JGJ254－98，港口工程樁基規(guī)范[S]．

[15]FD003－2007，風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定[S]．

[16]JTS 144－1－2010，港口工程荷載規(guī)范[S]．

[17]JTJ213－1998，海港水文規(guī)范[S]．

[18]盧鵬，李志軍．現(xiàn)行規(guī)范中計算樁柱冰荷載的比較[J]．冰川凍土，2003，25(S2)．

Discussion on Load Calculation and Wind Machine Foundation Form at Sea China

DONG Xiao-bing1, HAN Yan-bao2, LI Xue2, YANG Li2
(1. Shanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute, Xi'an 710065, China；
2. Beijing Millennium Software Technology Co., Ltd., Beijing 100096, China)

In view of the present development situation of offshore wind power base and sea geological situation in china, put forward currently applied in China Sea several basic forms, and the single pile foundation as an example to illustrate the basic problems in the design and the attention of the local. Design and research for the foundation of the sea made a few exploration.

offshore wind farm; pile foundation; scour calculation; load calculation.

TM614

A

1671-9913(2014)03-0077-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.016

2014-03-13

董小兵(1981- )，男，陜西麟游人，編輯，從事雜志編輯工作。