包彩虹，王俊杰

（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，海上風能作為一種新的可再生能源，受到了大多數(shù)國家的青睞?！讹L電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020年底，風電累計并網裝機容量確保達到2.1億kW以上，其中海上風電并網裝機容量達到500萬kW以上。因此，海上風電場的建設成為國家能源結構轉型過程中必不或缺的一部分。而自升式風電安裝船作為海上風電施工的專用船舶，也越來越多受到人們的關注。

自升式風電安裝船主要通過將樁腿插入海底持力層，頂升船體出水形成一個在海平面以上的穩(wěn)固安裝平臺來進行作業(yè)。與石油鉆井平臺不同，風電安裝船具有“快插、快拔”的特性，而樁靴基礎在不同土質中的承載能力也具有很大差異。因此，對不同性質的海底土承載力的計算以及平臺基礎入泥深度的預測是保障海上風電安全施工的重要前提，對風電安裝船“站得住、拔的出”具有重要的指導意義。

自升式風電安裝船插樁深度預測的關鍵在于地基土極限承載力的計算，一般把自升式風電安裝船樁腿的最大預壓載荷等于或小于地基極限承載力時所達到的入泥深度定義為插樁深度[1]，通過選取幾個土層層位（文中所選層位為3～4層，根據(jù)土質特征進行判斷選?。?，計算每個土層底面的地基承載力，找到樁腿最大預壓載荷等于地基承載力時所在的土層深度來獲得。文中主要采用《SNAME》[2]和《海洋井場調查規(guī)范》修正公式[1]對地基土極限承載力進行計算。

1 《海洋井場調查規(guī)范》修正公式

目前國內對于自升式船插樁深度的計算主要參考了SY/T 6707—2016《海洋井場調查規(guī)范》[3]的計算方法，通過假設插樁時樁靴基礎上部土地完全回填（砂土）或完全不回填（黏性土）來計算該土層的地基極限承載力[1]。

1）對于不排水條件的黏性土，內摩擦角φ=0°，樁靴極限承載力公式為：

式中：qu為地基極限荷載；cu為土體強度指標；Nc為承載能力系數(shù)；γ1為樁靴基線以上土的有效重度；D為樁靴頂面沒有覆土回填時取海底泥面到樁靴基線的距離，樁靴頂面被覆土回填時取樁靴平均厚度h。

2）對于砂質土，由于極限垂向承載力大[4]，因此考慮樁靴頂面被完全覆土回填，主要計算公式見為：

式中：qu為地基極限荷載；Nq，Nγ為承載能力系數(shù)，根據(jù)土體內摩擦角按太沙基極限承載力系數(shù)表確定；γ1為樁靴基線以上土的有效重度；γ2為樁靴基線以下深度B內土的有效重度；B為樁靴寬度；Sq，Sγ為樁靴底面形狀系數(shù)，對于長方形樁靴Sq取1，Sγ取0.8。

3）對于粉土，考慮砂土和黏粒土的成分占比，一般通過土工試驗進行確定，表現(xiàn)為排水性時，按砂土承載力公式進行計算，表現(xiàn)為不排水性時，按黏土承載力公式進行計算。

2 《SNAME》修正公式

《SNAME》相關規(guī)范通過將傳統(tǒng)樁靴基礎等效成圓盤模型[2]，并進一步考慮樁靴基礎的上覆土層壓力，從而計算基礎在不排水黏性土和排水性砂質土中的垂向承載力。等效模型見圖1。

圖1 等效模型Fig.1 The equivalent model

另外，本規(guī)范還對影響樁靴基礎承載能力因素進行了分析，主要包括極限樁坑深度和深度系數(shù)，《SNAME》中采用穩(wěn)定系數(shù)法來評估樁靴基礎在黏性土中插樁的臨界樁坑深度，但由于沒有考慮土體回流效應，因此文中采用Hossain提出的極限樁坑深度計算方法[5]，其計算公式見式（3），深度系數(shù)計算方法則在后面不同土質中分別討論。

式中：H為極限樁坑深度；B為樁靴等效橫截面直徑；Su為土體不排水抗剪強度；γ′為土體的有效容重。

1）對于不排水條件的黏性土，其垂向地基極限承載力為：式中：Fv為樁靴基礎垂向地基極限承載力；cu為泥面D+B/4深度內土體不排水抗剪強度；Nc為承載能力系數(shù)，取5.14；Sc為樁靴形狀系數(shù)；dc為垂向承載力深度系數(shù)；p0′為有效上覆壓力；A為有效橫截面面積。

在不排水條件的黏性土中，《SNAME》規(guī)范通過結合Meyerhof[6]和Brinch Hansen[7]的研究成果，以D/B=1為分界點計算垂向承載力深度系數(shù)，但戴兵等人通過相關實驗發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的深度系數(shù)低估了樁靴基礎的垂向承載力[8]，因此文中采用Gourvenec提出的深度系數(shù)計算方法[9]，其公式為：

式中：D為樁靴基礎入泥深度；B為樁靴等效橫截面直徑。

2）對于排水條件的砂土，其垂向地基極限承載力為：

式中：Fv為樁靴基礎垂向地基極限承載力；γ′為土體的有效容重；B為樁靴等效橫截面直徑；Nγ，Nq為承載能力系數(shù)；Sγ，Sq為樁靴底面形狀系數(shù)；dγ，dq為垂向承載力深度系數(shù)；p0′為有效上覆壓力；A為有效橫截面面積。

其中垂向承載力深度系數(shù)dγ取值1，dq計算公式為：

式中：φ為土體內摩擦角。

由于《SNAME》規(guī)范只考慮了帶樁靴基礎的垂直極限承載力，而忽略了樁靴上部土體回填和樁靴基礎排開土的有效重力，因此文中在進行不同土質地基極限承載力計算時還需考慮這兩部分的受力情況，從而得到自升式風電安裝船在各個土層的插樁深度，其計算公式為：

式中：Q為樁靴基礎總的極限承載力；γD為從泥面到插樁深度的土體平均有效容重；γH為從泥面到極限樁坑深度的土體平均有效容重；γ′為土體的有效容重；V′為樁靴下部排開土的體積；V為樁靴基礎體積。

3 實例分析

通過選取華能如東300 MW海上風電場和江蘇響水200 MW海上風電場項目，分別利用文中所介紹的兩種公式對這兩個風場區(qū)域內相關機位進行自升式風電安裝船插樁深度的計算，與實際插深進行比對，從而分析這兩種公式在不同土質中的適用性。

自升式風電船—“三航風華”號主要參數(shù)見表1，樁靴基礎見圖2。

表1 “三航風華”號主要船型參數(shù)Table1 Main parametersof"San Hang Feng Hua"ship

圖2 樁靴基礎圖Fig.2 The drawing of pile-shoe foundation

3.1 華能如東300 MW海上風電場項目

海上風電場項目位于江蘇省如東縣的爛沙海域，海底地形變化較大，風電場形狀呈不規(guī)則四邊形，風場中心離岸約23 km。風電場擬安裝38臺上海電氣4.0 MW、12臺遠景能源4.2 MW以及20臺重慶海裝5.0 MW風電機組。其中37～50號風機采用“三航風華”號進行安裝。

現(xiàn)選取48號機位作為典型機位，48號機位土層相關參數(shù)見表2。分別采用《海洋井場調查規(guī)范》和《SNAME》修正公式，計算“三航風華”號插樁深度，具體數(shù)據(jù)見圖3。

表2 48號機位土層參數(shù)Table2 The soil parametersof No.48 wind turbine position

圖3 48號機位插樁深度對比Fig.3 Comparison of the plug-in depth of pile in No.48 wind turbine position

由圖3可知，采用《SNAME》修正公式計算出的地基承載力為5 500 t時，樁靴入泥深度為1.52 m；《海洋井場調查規(guī)范》修正公式計算出的地基承載力為5 500 t時，插樁深度為1.7 m，“三航風華”號實際插深為1.5 m。對比圖3（a）、（b）可知，從第二層土層（2 m后）開始，入泥深度曲線發(fā)生明顯差異，經分析發(fā)現(xiàn)《海洋井場調查規(guī)范》在砂質土的計算中，考慮砂質土垂向承載力極大，樁靴頂面被完全覆土回填，公式中D取值為樁靴平均厚度，但本次計算了3個砂性土層的地基承載力，而自升式平臺樁腿的最大預壓載荷為5 500 t，因此運用《海洋井場調查規(guī)范》所計算出的第②-③層的入泥深度曲線不具備實際應用價值。為進一步研究，本文又選取了4個機位分別對4個樁腿的插樁深度進行計算，其插樁深度計算結果見表3。

考慮到自升式風電安裝船4個支腿預壓載荷各不相同，且所處地質環(huán)境也可能存在明顯差異，因此根據(jù)“同一機位，隨著預壓載的減小，其插樁深度也愈小”的原理，對存在明顯誤差的數(shù)據(jù)進行剔除，進而對計算結果進行相關性分析，相關性計算公式為（9）-（10），所得計算結果見圖4。

表3 兩種公式插樁深度計算Table 3 Calculation of the plug-in depth of pile about two formulas

式中：x為理論插樁深度；y為實際插樁深度；a為修正系數(shù)；b為表相關性系數(shù)；當b越接近1且a越接近0時，x對y相關性越好，即理論插樁深度越接近實際插深。

圖4 如東風場兩種公式計算值與實際插深相關性對比Fig.4 Thecorrelation contrast of calculated valuesand actual plug-in depth of pilewith two formulasin RUDONGwind farm

由計算結果可知：《SNAME》修正公式a值等于0.21，b值等于0.92，而《海洋井場調查規(guī)范》修正公式中a值為0.16，b值為0.83，則認為在排水條件的砂質土中，《SNAME》修正公式和《海洋井場調查規(guī)范》修正公式均可適用。

3.2 江蘇響水200 MW海上風電場項目

圖5 18號機位插樁深度對比Fig.5 Comparison of the plug-in depth of pile in No.18 wind turbine position

江蘇響水風電場項目位于響水縣灌東鹽場，三圩鹽場外側海域，風電場離岸距離10 km，沿海岸線方向長13.4 km，垂直于海岸線方向寬2.6 km，場區(qū)面積34.7 m2，水深8～12 m。本項工程總裝機容量200 MW，采用西門子4 MW和金風3 MW風電機組進行安裝。

現(xiàn)選擇18號機位作為典型機位，分別采用《海洋井場調查規(guī)范》和《SNAME》修正公式進行計算，計算“三航風華”號插樁深度見圖5。18號機位土層相關參數(shù)見表4。

表4 18號機位土層參數(shù)Table4 Thesoil parametersof No.18wind turbineposition

由圖5可知，使用《SNAME》修正公式計算出的地基承載力為5 500 t時，樁腿插入泥土深度為11.6 m，《海洋井場調查規(guī)范》修正公式在地基承載力為5 500 t時，樁腿入泥深度為18.4 m，“三航風華”號實際插深為12 m。為進一步研究公式的普遍性，本文又在響水風電場選取了4個機位，并分別對4個樁腿的插樁深度進行計算，其插樁深度計算結果見表5，通過選取表5中所計算出的兩組數(shù)據(jù)，進行理論插深與實際插深的相關性分分析，得到相關性曲線見圖6。

表5 兩種公式插樁深度計算Table5 Calculation of theplug-in depth of pile about two formulas

圖6 響水風場兩種公式計算值與實際插深相關性對比Fig.6 The correlation contrast of calculated values and the actual plug-in depth of pilewith two formulasin XIANGSHUI wind farm

由計算結果可知：《SNAME》修正公式a值等于-0.13，b值等于1.02，而《海洋井場調查規(guī)范》修正公式中a值為4.09，b值為0.5，因此認為在不排水條件的黏性土層中，《SNAME》修正公式所計算出的插樁深度更具有適用性。

4 基于MATLAB建立的插樁深度軟件

為了更為方便、有效地進行插樁深度的計算，本研究利用Matlab的圖形用戶界面（GUI）功能，編譯了一款程序軟件。基于該軟件進行插樁深度計算，具有速度快、可靠性高等優(yōu)點，很大的縮減了工作量。另外針對不同船樁腿參數(shù)以及土壤地質情況，該軟件可做出相應的調整，具有普適性，進一步方便了插樁深度的研究。

5 結語

文章通過選取兩種不同規(guī)范的插樁深度修正公式，分別應用于“三航風華”號在華能如東和江蘇響水風電場施工作業(yè)，計算結果表明，在砂性土中，由于地基土承載力較大，砂質層基本為樁靴所在持力層，因此兩種公式得到的插樁深度沒有顯著差異，而在黏性土層中，由于持力層需要到達較深的砂土層，土體回流影響較大，相關系數(shù)的選取也具有很大差異，通過與實際插深進行相關性分析，《SNAME》修正公式在該性質的土層更為適用。

此外，基于MATLAB建立了插樁深度計算軟件，可適用于不同的風電安裝船及工況，對于以后插樁深度的研究提供了方便。