顧明

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092）

我國近海風能資源豐富，預計可達陸地風能資源的3倍。大力發(fā)展風電尤其是近海風電，對于改善我國現(xiàn)有的能源結構，實現(xiàn)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。地基基礎是風電機組設計的重要內容。近海風電機組由于體型巨大，且長期承受風、浪、波流等各種復雜荷載的作用，因此對基礎的各方面性能提出了更高的要求。

本文結合某近海風電場項目，就風機方案設計階段基礎的選型問題展開討論，通過結構計算和對比分析以給出風機基礎的合適方案。

1 項目背景

1.1 場地概況

某海上風電場位于離岸約35km的近海海域，初步選定單機容量為3.0MW的風力發(fā)電機組，轉輪直徑103.9m，輪轂高度90m。風電場所在場地海底地勢較為平坦，水深平均在19m左右。根據探勘土層情況結合區(qū)域地質資料，表層以淤泥質粉質粘土、粉土、粉質粘土為主。

1.2 設計荷載

風機基礎設計考慮的荷載主要包括自重、風機荷載、波浪力、水流力、風荷載、地震荷載、撞擊荷載等。其中上部風機承受風荷載作用傳遞至塔筒底的荷載，即為基礎結構設計的風機荷載，一般可由風機廠家的資料取最不利工況計算得到。

風機基礎設計考慮施工工況、正常運行工況、極端工況、地震工況等荷載組合工況，同時考慮正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)。

1.3 計算原則

海上風機基礎結構的設計計算通常按三種狀態(tài)進行：

（1）極端工況下的極限狀態(tài)設計，考慮基礎承受最大風機荷載和相應波浪荷載情況下的結構計算。

（2）疲勞工況下的極限狀態(tài)設計，主要考慮基礎在整個服役期內承受風、波浪等循環(huán)荷載作用下產生的疲勞破壞。

（3）系統(tǒng)自振特性計算，即進行風機-塔架-基礎-地基整個系統(tǒng)的模態(tài)計算，分析結構體系的自振特性，以避免產生共振破壞。

風機基礎設計在方案比選階段一般主要進行極端工況下的極限狀態(tài)計算，在方案確定后進行深化設計時，再進行疲勞極限狀態(tài)和系統(tǒng)自振特性等計算。海上風機基礎長期承受上部塔架傳來的各向荷載，以及波浪力和海流力等，這些荷載均具有較明顯的動力和循環(huán)特性；而基礎在上述荷載作用下的水平變形通常較大，地基土也容易產生塑性變形。因此，為了更好地反映海上風機基礎的循環(huán)受荷和大變形的特性，本工程樁基的水平受荷計算均采用p-y曲線法。

1.4 基礎水平變形設計標準

考慮風機正常安全運行的要求以及高聳結構對水平變形的要求，并結合國內外相關工程的經驗，擬定本工程在正常服役狀態(tài)下的樁基泥面處水平變形不大于25mm。此外，根據風機廠家提供的數(shù)據，本工程所選3.0MW機型的基礎水平變形控制標準為：水平剛度不小于2.0×107N/m。

2 方案設計及比選

海上風機基礎的結構設計需要考慮海床的地質構造、離岸距離、海上風浪的載荷特性以及海流、冰等的影響。就目前國內外發(fā)展情況看，海上風機基礎按結構型式可分為重力固定式、單樁基礎、支柱式基礎、浮置式基礎、高樁承臺群樁基礎以及桶形基礎等。

圖1 海上風機基礎的常見型式

本工程風電場場址離岸距離約36km，平均水深19m左右，風電場淺表層土主要為淤泥質粉質粘土、粉土、粉質粘土，分別屬于高壓縮性土層、中等偏高壓縮性土層，天然地基承載力較低。由于水深較深，若采用重力式基礎則會導致基礎體積過大，運輸施工困難，工程造價不經濟；另一方面，海床面淺表層土在波浪、潮流作用下，容易因地基承載力不足以及沖刷影響使基礎產生不均勻沉降乃至失穩(wěn)，因此本工程不宜采用重力式基礎。桶形基礎和浮置式基礎具有良好的應用前景，然而目前仍處于理論研究與試驗階段，尚未大規(guī)模投入使用，設計及施工經驗不足，因而一般也不考慮選用。以下主要就單樁基礎，支柱式基礎（包括三角架和四角架組合式基礎）和高樁承臺基礎進行計算分析。

2.1 單根鋼管樁基礎

本海域水深一般為19～20m，海床上部土層為高壓縮性的淤泥或淤泥質土，地基剛度較小。因此建議首先對海床地基進行加固處理，本方案分析時暫不考慮地基處理的影響。根據目前已建近海風電場基礎設計經驗，本工程擬定單樁基礎的結構型式為：單根直徑4.2m鋼管樁，平均樁長70m，壁厚50mm，入土深度為41m，樁尖進入粉質粘土與粉砂層。

計算結果表明，直徑4.2m，壁厚50mm的單根鋼管樁方案可以滿足風機正常運行工況下的基礎承載力及結構強度要求，但其平臺水平剛度僅1.1×107N/m，達不到工程經驗規(guī)定的剛度要求。在極限工況下，樁頂水平位移過大，可能對風機的安全運行產生很不利的影響。另一方面，如繼續(xù)加大樁徑，目前國內大直徑鋼管樁海上施工一定程度仍受施工工藝及設備的限制。因此本工程不建議采用單根鋼管樁的基礎方案。

2.2 三角架組合式基礎

三角架組合式基礎即三樁導管架基礎，主要在海上石油平臺、燈塔等建設中得到廣泛的應用。三角架組合式基礎的具體結構型式為：三根鋼管樁按等邊三角形布設于海底，樁頂通過套管連接上部三角桁架，從而構成組合式基礎。

擬定的三角架組合式基礎方案為：三根鋼管樁呈等邊三角形布置，外接圓直徑27m。鋼管樁直徑2.2m，壁厚26mm，樁長為70m，入土深度64m。施工時先將預制導管架定位、沉放、初步調平之后，再將三根鋼管樁穿過鋼管套打入到海床中。三角架組合式基礎一般在外圍設置有獨立的防撞和靠船樁，故結構計算時一般無需再考慮撞擊荷載。

經過計算，分別考慮最不利荷載的作用方向，樁頂?shù)淖畲髩毫妥畲笊习瘟Ψ謩e為5590kN和2640kN，小于相應的單樁豎向承載力，滿足要求。采用p-y曲線法進行水平變形的計算，得到樁基在泥面處的最大水平位移為26.1mm，樁基水平剛度為9.3×107N/m，滿足要求。

2.3 四角架組合式基礎

四角架組合式基礎方案與三角架方案類似：四根鋼管樁定位于海底，樁頂通過套管連接上部四角架結構，構成組合式基礎。結構計算參數(shù)：鋼管樁直徑1.8m，壁厚24mm，樁長70m，入土深度64m。

分別考慮最不利荷載作用方向情況下，樁頂?shù)淖畲髩毫妥畲笊习瘟Ψ謩e為6040kN和1830kN，小于相應的單樁豎向承載力，滿足要求。采用p-y曲線法進行結構水平變形的計算，得到樁基泥面處最大水平位移為25.1mm，樁基水平剛度為8.4×107N/m，滿足要求。

2.4 高樁承臺群樁基礎

高樁承臺群樁基礎為港口工程常見的結構，由樁基和承臺組成，承臺一般為現(xiàn)澆混凝土。本方案擬采用采用10根直徑2.0m、壁厚26mm的80m長鋼管樁作為基礎，在承臺底面沿半徑6m圓周均勻布置，基樁斜度5：1。設計承臺底標高位于設計高潮位與設計低潮位之間，基樁入土深度為54m。

采用p-y曲線法對本方案進行了極限荷載工況下樁基水平承載力計算，計算結果表明，本方案的各項設計指標均可以滿足設計要求。樁基的最大壓力和最大上拔力分別為5120kN和3550kN，均小于相應的單樁豎向抗壓或抗拔承載力，滿足要求。樁基泥面處最大水平位移為16.8mm，樁基水平剛度為5.7×107N/m，滿足要求。

高樁承臺群樁基礎一般不另設防撞系統(tǒng)，因此需要進行撞擊工況下的結構驗算。本工程按偶然工況計算船舶撞擊力，假定船舶重200噸，撞擊速度3m/s，撞擊力按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》公式計算，波浪力按最大波高計算，水流力按漲潮流速計算。經過計算得到單樁最大壓力為3126.1kN，小于抗壓承載力9865kN，單樁最大抗拔力為2602.8kN，小于抗拔承載力4099kN，滿足結構設計要求。

2.5 方案比選

理論上講，單樁基礎，支柱式基礎（包括三角架組合式基礎和四角架組合式基礎），高樁承臺基礎在本工程中都可以采用。然而結合計算結果以及國內目前的實際施工水平，各種方案在技術經濟指標方面存在差異。

單樁方案在采用4.2m大直徑鋼管樁的條件下基礎水平剛度仍然較小，不能滿足上部風機安全運行的要求。同時考慮到國內目前的施工水平，在海上進行如此大直徑樁施工的設備條件有限，實際經驗也相對比較欠缺。因此從確保工程質量和安全的角度出發(fā)，本工程不建議采用單根鋼管樁的基礎型式。

三角架及四角架組合式基礎由于采用預制鋼結構的型式，其基礎主要的構件大部分可在陸上拼裝完成，海上施工工作量相對較小，對縮短工期較為有利。但是該種型式的基礎對施工過程中的穩(wěn)定性控制及精度要求比較高。此外，由于這兩種方案的基礎防撞能力偏低，一般需額外設置單獨的防撞系統(tǒng)，從而又增加了工程量和造價。

高樁承臺群樁基礎的施工工藝最為成熟，但是其主要的施工工作量均在海上現(xiàn)場完成，因為施工周期較長，同時受場地制約的影響也較多。該方案整體剛度較大，防撞能力也相對較強。

鑒于目前國內海上混凝土施工工藝相對比較成熟，因此采用高樁承臺群樁基礎方案具有較好的可行性和可靠性，工程風險較低。另一方面，國內海洋石油工程領域在石油平臺導管架施工方面經驗成熟，故三角架和四角架基礎方案也可在本工程中采用。高樁承臺群樁基礎剛度較大，不需考慮設置獨立的防撞樁；而三角架或四角架基礎方案防撞能力偏低，需在外圍另設防撞樁，因此兩者各有優(yōu)劣。相比三角架方案，四角架組合式基礎性能相近但造價偏高，因此經對比后可不作考慮。

綜上所述，本工程風機基礎將高樁承臺群樁列為第一推薦方案，將三角架組合式基礎作為第二推薦方案。

3 結語

海上風機基礎的造價是風電場總造價的重要部分，選擇經濟合適的基礎型式會大大降低風電場的建設成本。本文結合某近海風電場風機基礎的實例，從結構安全、施工難度、工程量等角度分析了單樁基礎、三角架組合式基礎、四角架組合式基礎和高樁承臺群樁基礎等不同基礎型式的適用性。本文的計算過程和討論結果可為其它類似工程風機基礎的選型設計提供參考。

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