杜子榮，朱 烽，尹寶瑞，尚繼飛

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島， 266520；2. 山東海洋工程裝備研究院有限公司，山東 青島 266520)

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，我國一直支持和鼓勵(lì)對風(fēng)能的開發(fā)利用。陸地風(fēng)電在國內(nèi)風(fēng)能資源豐富的地區(qū)發(fā)展迅速，但人們已經(jīng)注意到陸地風(fēng)能利用所受到的一些限制，如風(fēng)電場面積大、噪音大等問題?？紤]到海上豐富的風(fēng)能源和當(dāng)今技術(shù)的進(jìn)步，近海海域?qū)⒊蔀橐粋€(gè)迅猛發(fā)展的風(fēng)電市場。隨著中海油渤海海上風(fēng)力發(fā)電示范機(jī)組首次海上并網(wǎng)調(diào)試成功，我們對風(fēng)能利用的步伐進(jìn)一步加快。然而采用廢棄單點(diǎn)作為平臺基礎(chǔ)不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的大規(guī)模商業(yè)化，國外成熟的單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)給了我們很多啟發(fā)[1]。

1 單樁基礎(chǔ)樁土相互作用特點(diǎn)

海上單樁風(fēng)力發(fā)電平臺的樁基礎(chǔ)主要承受來自上部結(jié)構(gòu)的重力、橫向風(fēng)力、波浪力等作用。由于軸向力的作用，樁不可避免地產(chǎn)生了沉降。由于橫向力的作用，樁要產(chǎn)生產(chǎn)生側(cè)向位移，進(jìn)而發(fā)生橫向位移。土的非線性作用非常顯著，需要使用非線彈性理論研究樁土的相互作用[2]。

2 樁土作用的軸向承載力

根據(jù)樁的受力特點(diǎn)，受壓樁的軸向承載力由樁身表面摩擦阻力和樁尖的支持力兩部分組成，因此受壓樁的軸向極限承載力可由下式計(jì)算：

式中:R——受壓樁的極限承載力；

RS——樁側(cè)摩阻力；

RT——樁端總的阻力；

fSi——第i層土的單位面積側(cè)摩阻力；

ASi——第i層土以上樁的側(cè)接觸面積；

qT——單位面積的樁端阻力；

AT——樁端的毛面積。

3 不同土質(zhì)的軸向承載力計(jì)算公式[3]

3.1 粘性土軸向承載力

fSi的計(jì)算采用總應(yīng)力法，又稱 法：

fsi=αsu

式中： Su——土壤的不排水剪切強(qiáng)度，kPa;

qT的計(jì)算采用下列公式

qT=NTSu

式中:Nc=9；

su——土壤的不排水剪切強(qiáng)度，kPa。

3.2 砂土軸向承載力

fSi的計(jì)算采用有效應(yīng)力法：

式中：K——土層側(cè)壓力系數(shù)，開口樁K=0.8，封閉樁K=1.0；

δ——樁土之間的內(nèi)摩擦角；

f1——極限單位摩阻力，kPa，取值見表1。

qT的計(jì)算采用下列公式

式中：NT——承載力系數(shù)，取值見表1；

表1 土壤參數(shù)

4 樁土作用的橫向承載力

對于海上風(fēng)力發(fā)電平臺的單樁基礎(chǔ)，由于樁的水平位移較大，樁周土從表層開始屈服，塑性區(qū)逐漸向下發(fā)展。對塑性區(qū)的土體采用極限地基反力法，對彈性區(qū)的土體采用彈性地基反力法，利用兩者邊界的連續(xù)條件求解，被稱作復(fù)合地基反力法(P-y曲線法)。

相對于其它方法，P-y曲線法考慮了各種地基，對靜載荷、動(dòng)載荷以及循環(huán)載荷都適用，已經(jīng)被DNV-OS-J101采納，是海工樁基設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是目前對于波浪循環(huán)載荷作用下樁基的唯一合理的計(jì)算方法。

4.1 軟粘土的P-y曲線

樁側(cè)極限土抗力可以由下式計(jì)算：

式中:Su為土的不排水剪切強(qiáng)度，kPa;

γ′——為有效土體容重， ；

X——泥面以下的深度；

D——樁徑；

J——無因次常數(shù)，推薦采用0.5。

XR為極限水平承載力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)深度，通常認(rèn)為在XR范圍以內(nèi)為淺層土，以外為深層土，可由下式估算：

在靜載荷下，

此處yc=2.5εcD，其中εc是不排水剪切試驗(yàn)在1/2最大應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)變。

4.2 砂土的P-y曲線

樁側(cè)極限土抗力

其中C1，C2，C3以摩擦角φ為參數(shù)，可查圖1(a)。

某一給定深度X的砂土的P-y曲線可以表示為

K為初始模量，以摩擦角φ為參數(shù)，可查圖1(b)。

圖1 (a)C1，C2，C3與φ的關(guān)系 (b)K與φ的關(guān)系

5 計(jì)算實(shí)例

考慮到風(fēng)況，上部結(jié)構(gòu)選用丹麥Vesas 80風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如圖2，主要參數(shù)如下：

圖2 風(fēng)力發(fā)電示意圖

直徑： 80m

輪轂高度(大約)： 60m

切入風(fēng)速： 4m/s

額定風(fēng)速： 15 m/s

切出風(fēng)速： 25 m/s

塔架重量： 130t

機(jī)艙重量： 67t

轉(zhuǎn)子重量： 37t

風(fēng)力發(fā)電平臺設(shè)計(jì)壽命20年，海域水深14.4m，采用目前技術(shù)比較成熟的單樁結(jié)構(gòu)。單樁由兩段組成，即雙段樁結(jié)構(gòu)(圖3)?；A(chǔ)段采用Φ4200×75獨(dú)立樁(Monopile)結(jié)構(gòu)，材料為16Mn鋼，樁(見圖4)入土深度31m,頂標(biāo)高2.0m, 過渡段采用Φ4490×75，長為13.3m，底標(biāo)高-4.3m,頂標(biāo)高9.0m,與獨(dú)立樁重疊6.3m， 環(huán)形重疊區(qū)域進(jìn)行灌漿處理。

圖3 雙段樁圖

圖4 單樁尺寸

平臺承受的50年一遇的風(fēng)、冰、海流及活荷載組合工況見表2。

表2 平臺載荷表

海底不同深度的土層地質(zhì)資料見表3和表4。

表3 粘土地質(zhì)資料

表4 砂土地質(zhì)資料

5.1 軸向承載力計(jì)算

根據(jù)不同土層的軸向承載力計(jì)算公式，可以求得相應(yīng)的樁側(cè)摩阻力見表5。

表5 不同土層的樁側(cè)摩阻力

樁端阻力RT=qTAT=9×100×3.14×(42-3.952)/4=281kN；

由此可得受壓樁的軸向極限承載力 R=RS+RT=17783kN;

樁基礎(chǔ)軸向受力G=565×9.8=5537kN,G

軸向承載力滿足要求。

5.2 水平承載力計(jì)算

5.2.1 基本假定

(1)支撐結(jié)構(gòu)(包括樁基礎(chǔ)和塔架)是線彈性的，單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間保持線性關(guān)系；

(2)土體按照文克爾地基處理，土對樁的作用按照等效集中的非線性彈簧模擬，作用點(diǎn)是樁單元上的節(jié)點(diǎn)；

(3)樁末端采用豎向約束，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)和平移。

5.2.2 有限元建模

塔架采用PIPE16單元，上部結(jié)構(gòu)采用一個(gè)質(zhì)量單元，樁取全長，泥面以下采用PIPE16單元，按照1 m的標(biāo)準(zhǔn)長度劃分。土反力采用COMBIN39彈簧單元等效集中模擬，每個(gè)彈簧的F-D實(shí)常數(shù)分別對應(yīng)著該土層的P-y曲線，利用Matlab編程繪出不同節(jié)點(diǎn)處的P-y曲線，將一系列P-y值輸入到COMBIN39單元自帶的F-D表格，有限元模型見圖5。

圖5 樁土分析的有限元模型

將平臺載荷表中的各載荷加到模型上，可以求得單樁的等效應(yīng)力圖和橫向位移圖。

圖6 等效應(yīng)力圖

圖7 結(jié)構(gòu)總位移圖

從等效應(yīng)力圖可知，樁的最大應(yīng)力并不在樁的末端，而是在泥面以下約3倍樁徑處，這與海洋油氣工業(yè)中所用的等效樁法有較大的不同，但更接近于DNV-OS-J101的推薦作法。最大應(yīng)力大約為91MPa，滿足強(qiáng)度要求。 從結(jié)構(gòu)總位移圖可知樁在海平面處的位移為126mm，滿足極限狀況下結(jié)構(gòu)的允許位移范圍。

6 風(fēng)力發(fā)電平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的展望

海上風(fēng)力發(fā)電平臺依其結(jié)構(gòu)型式分為單樁、重力式混凝土沉箱、多樁及吸力錨式四種型式。單樁基礎(chǔ)不需要海底的前期處理，制造工藝簡單，但安裝時(shí)需要使用專門的風(fēng)電工程裝備，施工費(fèi)較高。重力式混凝土沉箱體積大，靠自重使塔架和風(fēng)機(jī)

保持垂直，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，但需要海底找平。多樁基礎(chǔ)(多為三角架)樁徑較小，比單樁基礎(chǔ)的海底適用深度要大。吸力錨式基礎(chǔ)通將沉箱中的水抽出以形成負(fù)壓，適合于砂性土及軟粘土。

以上所說的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于淺海水域，而在更廣闊的深海水域，風(fēng)能也更為豐富，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要采用浮式結(jié)構(gòu)，目前這種結(jié)構(gòu)型式正處于研究階段，還沒有真正的工程實(shí)踐。深海水域可能離岸較遠(yuǎn)，發(fā)電成本也較高，這就需要我們改進(jìn)結(jié)構(gòu)型式，以盡可能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)成本控制最低。

[1] OCTOBER.DNV-OS-J101 Design of offshore wind turbine structures[S].2004.

[2] 邢作霞，陳 雷，姚興佳.海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的選擇[J].能源工程,2005(6):34-37.

[3] 張建勇.淺海獨(dú)樁平臺有限元分析及合理結(jié)構(gòu)型式研究[D].天津:天津大學(xué)，2005.