葉蔥蔥 方孝伍

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福建福州 350001)

海上風(fēng)機(jī)重力式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

葉蔥蔥 方孝伍

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福建福州 350001)

結(jié)合福建漳浦六鰲海上風(fēng)電場一期項(xiàng)目的地質(zhì)條件，選取了重力式基礎(chǔ)形式，并通過有限元計(jì)算軟件，對該重力式基礎(chǔ)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算，指出該基礎(chǔ)形式是海上風(fēng)機(jī)在近海地質(zhì)情況較好海域的理想基礎(chǔ)類型。

海上風(fēng)機(jī)，重力式基礎(chǔ)，ANSYS，荷載

1 工程概況

本工程為福建漳浦六鰲海上風(fēng)電場一期項(xiàng)目，風(fēng)電場位于漳州市漳浦縣六鰲半島東側(cè)海域。根據(jù)《福建省海上風(fēng)電場工程規(guī)劃報(bào)告》，福建六鰲海上風(fēng)電場最終裝機(jī)規(guī)模為80萬kW，分期開發(fā)建設(shè)，一期工程建設(shè)規(guī)模30萬kW，擬安裝60臺5.0 MW的風(fēng)電機(jī)組［1］。推薦機(jī)型的葉輪直徑為140 m，輪轂高度90 m，離岸平均距離約5 km。工程用海范圍內(nèi)海底地形變化大，有無人島礁出露，海床的高程(1985國家高程系統(tǒng)，下同)在－5 m～－32 m之間。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。風(fēng)電場機(jī)位分布區(qū)域范圍較廣，覆蓋層和場地土類別差異大，海底地形地貌復(fù)雜。參照FD 002—2007風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)(試行)，確定本工程的工程等別為I等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級為一級，工程規(guī)模為大(1)型，機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)級別為1級;根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級取為乙級。工程所在區(qū)域年平均氣溫21.2℃。

2 基礎(chǔ)選型

根據(jù)本工程海底地形、工程地質(zhì)勘探鉆孔和海洋水文觀測相關(guān)成果資料分析，風(fēng)電場不同區(qū)域海底巖面起伏大，地質(zhì)條件復(fù)雜。因此本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)風(fēng)電機(jī)組所在區(qū)域的地形地質(zhì)特點(diǎn)和水深情況因地制宜，選擇適用于不同水深、不同基巖埋深的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式。

從現(xiàn)階段的工程勘探鉆孔揭露情況分析，風(fēng)電場場區(qū)內(nèi)的6號、7號，12號～15號，20號～23號等10個(gè)機(jī)位的基巖上覆土層厚度較薄，基巖埋深很淺，若采用樁基礎(chǔ)，需采取穩(wěn)樁措施，施工復(fù)雜。因此上述機(jī)位推薦采用重力式基礎(chǔ)。地勘資料中，典型鉆孔zk03附近區(qū)域基巖很淺，不適合樁基礎(chǔ)，而表層0.5 m即為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，承載力和壓縮模量較高，適合采用重力式基礎(chǔ)。因此本文采用該鉆孔揭露的地質(zhì)情況來設(shè)計(jì)該機(jī)位的重力式基礎(chǔ)。

3 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)適用于淺海，依照國外建成經(jīng)驗(yàn)，一般適合于水深不超過15 m的海域。這種基礎(chǔ)型式的結(jié)構(gòu)主體在陸上預(yù)制場澆筑完成后，通過半潛駁運(yùn)輸?shù)街付êＳ?，也可通過定傾高度計(jì)算滿足自浮穩(wěn)定要求，采用拖船拖運(yùn)到機(jī)位處下沉安裝，與普通樁基礎(chǔ)施工相比，安裝方便，大大減少海上作業(yè)時(shí)間。并且可以在陸上大批量同時(shí)預(yù)制，加快工程進(jìn)度，降低基礎(chǔ)總投資。但是重力式基礎(chǔ)對海床表面的地質(zhì)條件有要求，不適用于承載力及壓縮模量較低的海床面。

重力式基礎(chǔ)一般采用預(yù)制圓形鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧锨闆r，內(nèi)部空腔可以采用砂、碎石、礦渣或者混凝土作為壓艙材料，使基礎(chǔ)有足夠的自重來抵抗風(fēng)、波浪、水流等環(huán)境荷載以及使用荷載作用，保證基礎(chǔ)的抗水平滑動和抗傾覆穩(wěn)定?；壮叽缤ㄟ^計(jì)算基底脫開面積、地基承載力以及抗滑移、抗傾覆驗(yàn)算確定。在確定滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)尺寸后，采用ANSYS軟件對風(fēng)機(jī)重力式基礎(chǔ)進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及單元模擬

根據(jù)zk03鉆孔設(shè)計(jì)的重力式基礎(chǔ)頂高程為12.0 m，基礎(chǔ)總高34 m，海床面高程為－12 m，基礎(chǔ)底高程為－15 m，入土深度3 m?；A(chǔ)內(nèi)部圓筒為壁厚0.9 m，外徑6.4 m的圓形空腔結(jié)構(gòu)，外部筒體直徑23 m，壁厚0.3 m，內(nèi)外圓筒通過均布的八塊隔板連接，隔板厚度0.3 m，內(nèi)外圓筒之間的空隙利用填沙壓重?；A(chǔ)底板直徑25 m，厚度0.8 m，基礎(chǔ)整體混凝土用量約2 000 m3。重力式基礎(chǔ)與上部風(fēng)機(jī)塔筒的連接方式采用螺栓連接。

上部風(fēng)機(jī)荷載作用下，基礎(chǔ)筒壁會產(chǎn)生裂縫，在海上氯化物環(huán)境中會導(dǎo)致基礎(chǔ)鋼筋銹蝕，因此在基礎(chǔ)內(nèi)筒內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力來避免裂縫產(chǎn)生，內(nèi)筒壁預(yù)留孔道埋低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

基礎(chǔ)持力層采用8號砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，地基承載力為420 kPa～500 kPa。采用有限元軟件ANSYS對極端工況下重力式基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如下:基礎(chǔ)筒體和土體都采用實(shí)體單元模擬。土體水平模擬范圍取5倍的筒體直徑150 m，根據(jù)鉆孔資料，微風(fēng)化花崗巖土層下為不可壓縮巖層，故土體豎向模擬范圍取9 m。重力式基礎(chǔ)模型見圖1，整體結(jié)構(gòu)模型見圖2。

圖1 重力式基礎(chǔ)模型

圖2 整體結(jié)構(gòu)模型

4.2 自振頻率

風(fēng)荷載和波浪荷載是海上風(fēng)電機(jī)組承受的主要使用和環(huán)境荷載，而這兩種荷載類型均具有明顯的動力特征，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生動力響應(yīng)。因此研究風(fēng)機(jī)在海洋環(huán)境中風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)特征，使整體系統(tǒng)的固有頻率避開共振范圍，對于保證機(jī)組的正常使用具有積極意義［2］。

本階段主要研究風(fēng)機(jī)葉片、機(jī)艙、塔筒組成的上部結(jié)構(gòu)與重力式基礎(chǔ)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)計(jì)算分析。其中風(fēng)機(jī)機(jī)艙與葉片簡化為質(zhì)量點(diǎn)，在ANSYS模型中采用Mass21單元模擬。Mass21是一個(gè)具有6個(gè)自由度的點(diǎn)元素:即X，Y和Z方向的移動和繞X，Y和Z軸的轉(zhuǎn)動，每個(gè)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，可以較真實(shí)地反映廠家提供的機(jī)艙和葉片質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量對整體結(jié)構(gòu)動力特性的影響。上部風(fēng)機(jī)與下部重力式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)組成的整體系統(tǒng)的模態(tài)分析計(jì)算模型和模態(tài)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算分析

正常情況下根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家要求，風(fēng)機(jī)運(yùn)行要求系統(tǒng)的固有頻率避開葉片轉(zhuǎn)動頻率范圍(fr/fox＞1.1或fr/fox＜0.90)，這樣系統(tǒng)才不會發(fā)生共振現(xiàn)象。整體結(jié)構(gòu)的各階振型對應(yīng)的頻率見表1。

表1 系統(tǒng)自振頻率計(jì)算成果

4.3 靜力計(jì)算

從有限元軟件ANSYS計(jì)算結(jié)果來看，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力結(jié)果如圖4～圖6所示。

水平位移:基礎(chǔ)的最大水平位移出現(xiàn)在頂部，為90 mm;泥面位置的最大水平位移為19 mm。

豎向位移:基礎(chǔ)整體位移向下，在水平力和彎矩荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉降，最大豎向位移為53.1 mm，小于允許值100 mm，最小豎向位移為5.3 mm。

圖4 結(jié)構(gòu)位移云圖

圖5 結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力云圖

圖6 結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力云圖

不均勻沉降:基礎(chǔ)底板直徑為27 m，基礎(chǔ)產(chǎn)生的不均勻沉降為1.7/1 000，小于4/1 000，滿足規(guī)范要求。

基礎(chǔ)總位移:基礎(chǔ)總位移最大值在基礎(chǔ)的頂部，為100 mm，筒體最大拉應(yīng)力為6.6 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)外筒的交界處，有限元軟件在截面變化處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，實(shí)際工程中混凝土板的圓弧形過渡，會減小應(yīng)力的集中。

筒體最大壓應(yīng)力為27.2 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)外筒的弧形交界處，小于C60混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值27.5 MPa，在預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用下，混凝土豎向基本處于受壓狀態(tài)。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算小結(jié)

5 結(jié)語

重力式基礎(chǔ)有限元計(jì)算結(jié)果表明基礎(chǔ)的應(yīng)力和變形均能滿足規(guī)范要求，在基礎(chǔ)內(nèi)外筒弧形過渡段會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以通過配筋解決。

由于本階段風(fēng)機(jī)廠家并未提供允許頻率范圍，因此在下一階段將根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家詳細(xì)資料進(jìn)行更細(xì)一步的動力計(jì)算以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

重力式基礎(chǔ)的計(jì)算分析結(jié)果表明該基礎(chǔ)型式可以滿足風(fēng)機(jī)在復(fù)雜的海洋環(huán)境中抵抗風(fēng)荷載和波浪荷載的要求，適用作為海上風(fēng)機(jī)在近海地質(zhì)情況較好的海域的理想基礎(chǔ)類型。

［1］ 朱光華，陳 敏，鄭 濤.福建省海上風(fēng)電場工程規(guī)劃報(bào)告［R］.福州:福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，2014.

［2］ 葉蔥蔥，張強(qiáng)林.漳浦六鰲海上風(fēng)電場一期工程風(fēng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)專題報(bào)告［R］.福州:福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，2016.

Gravity foundation design for offshore wind turbines

Ye Congcong Fang Xiaowu
(Fujian Electric Power Survey＆Design Institute，F(xiàn)uzhou 350001，China)

Combining with geological conditions of Liuao offshore wind turbine project phaseⅠin Zhangpu of Fujian province，the paper selects gravity-style foundation form.Through applying finite element calculation software，it carries out structural calculation of the gravity-style foundation，and points out that:the above-mentioned foundation form is the ideal foundation form of offshore wind turbine with better geological conditions.

offshore wind turbine，gravity-style foundation，ANSYS，load

TU943

A

1009-6825(2016)35-0087-02

2016-09-27

葉蔥蔥(1983-)，男，碩士，工程師; 方孝伍(1978-)，男，碩士，高級工程師