(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 新能源工程院， 浙江 杭州 311122)

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電蓬勃發(fā)展。截至2019年6月，國(guó)內(nèi)已建成18座海上升壓站，浙江、江蘇、福建等地同時(shí)在建多座海上升壓站。不同省份不同海域的地質(zhì)條件存在區(qū)別，且由于受升壓站上部電氣設(shè)備的影響，導(dǎo)管架型式需根據(jù)情況進(jìn)行選擇。在導(dǎo)管架入水后打樁前，受環(huán)境荷載和自身重力作用，導(dǎo)管架會(huì)存在傾覆、滑移和基底承壓破壞的情況。因此，對(duì)于不同型式和不同海域的導(dǎo)管架，坐底穩(wěn)定性分析尤為重要。

海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)選型與上部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，根據(jù)張力等[1]和張明等[2]所述，在不同設(shè)計(jì)階段海上升壓站結(jié)構(gòu)需有不同的設(shè)計(jì)考慮及分析內(nèi)容。根據(jù)海上升壓站的在位[3-4]、地震[5-6]、疲勞[7-8]等主控工況，最終確定導(dǎo)管架基礎(chǔ)的型式。特別地，國(guó)內(nèi)已有多位學(xué)者針對(duì)防沉板進(jìn)行研究：劉潤(rùn)等[9-10]針對(duì)新型防沉板，結(jié)合工程實(shí)例研究其地基承載性能；譚越等[11-12]針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)防塵板的沉降、滑移等方面進(jìn)行分析討論；徐蒙[13]同樣針對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)防沉板型式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；練繼建等[14]以帶分艙板的海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)進(jìn)行承載力試驗(yàn)研究；孔德森等[15]針對(duì)防沉板-樁復(fù)合基礎(chǔ)，討論荷載對(duì)其敏感性和破壞形式?？梢钥闯?，統(tǒng)籌考慮海上升壓站需求及不同型式海上升壓站坐底穩(wěn)定性研究，國(guó)內(nèi)目前尚有欠缺。

國(guó)外針對(duì)淺基礎(chǔ)的承載力研究起步較早：DE BEER[16]針對(duì)淺基礎(chǔ)在砂土上的承載力展開研究，并用試驗(yàn)方式探討并給出形狀系數(shù)對(duì)承載力的影響；GOURVENEC[17]著重討論在剪切強(qiáng)度隨深度線性增加的土體中防沉板基礎(chǔ)的豎向和水平向承載特性；GOURUENEC等[18]研究矩形基礎(chǔ)寬度和裙板對(duì)承載特性的影響并給出基于軟黏土的極限承載力計(jì)算公式；FINNIE等[19]研究軟黏土中不同型式的基礎(chǔ)和水平承載特性并給出響應(yīng)計(jì)算公式；TAPPER等[20]通過加載試驗(yàn)的方法，對(duì)裙板基礎(chǔ)的地基破壞形式進(jìn)行探討。同樣地，由于海上升壓站型式較新，國(guó)外并未專門針對(duì)不同地質(zhì)和不同類型的升壓站坐底穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

針對(duì)浙江和江蘇兩座位于不同海域的不同類型的海上升壓站：利用海洋工程有限元計(jì)算軟件SACS對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化建模[21-22]，計(jì)算得到該導(dǎo)管架入水后打樁前的桿件應(yīng)力、基底反力等參數(shù)；采用直接計(jì)算法，對(duì)導(dǎo)管架抗傾覆、抗滑移和基底承壓進(jìn)行校核；研究防沉板修正系數(shù)和防沉板型式，分析防沉板與坐底穩(wěn)定性之間的關(guān)系，給出設(shè)計(jì)建議和布置方法。這些都為今后不同表層土和不同型式的海上升壓站防沉板設(shè)計(jì)及坐底穩(wěn)定性校核提供借鑒與參考。

1 計(jì)算原理

1.1 計(jì)算模型及荷載工況

四樁導(dǎo)管架坐底穩(wěn)定性分析包括5個(gè)基本模型：(1)未插樁的導(dǎo)管架；(2)逐個(gè)插樁后的導(dǎo)管架，其中一個(gè)樁的樁頂上安裝有打樁錘，其余樁只承受自身重力作用。以導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)底部節(jié)點(diǎn)的反力為衡準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)分析，未插樁情況的導(dǎo)管架坐底穩(wěn)定性最為危險(xiǎn)，因此取其作為控制模型進(jìn)行坐底穩(wěn)定性校核[23-25]。

在通常情況下，導(dǎo)管架安裝會(huì)選在相對(duì)風(fēng)平浪靜的窗口期進(jìn)行，由于尚未安裝上部結(jié)構(gòu)，所受的環(huán)境荷載可忽略風(fēng)荷載。在波浪、流作用下，為得到導(dǎo)管架底部的約束反力，可通過SACS軟件進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行坐底穩(wěn)定性分析時(shí)，計(jì)算模型與在位分析時(shí)的模型基本相同，考慮到在實(shí)際工程中在未插樁情況下樁-主導(dǎo)管或樁-套筒間未灌漿，在位分析時(shí)需修改導(dǎo)管架的主導(dǎo)管截面屬性，即除去主導(dǎo)管內(nèi)樁和灌漿料的重量，且在導(dǎo)管架4個(gè)柱腿底部的節(jié)點(diǎn)處施加鉸接約束。

根據(jù)規(guī)范SY/T 10009中C.5.3所述，對(duì)于坐底而未打樁的情況：當(dāng)重力荷載起支配作用時(shí)，需考慮1.30的荷載系數(shù)；當(dāng)環(huán)境荷載起支配作用時(shí)，須考慮1.35×環(huán)境荷載+1.10×重力荷載；在抗傾覆校核時(shí)，應(yīng)考慮1.35×環(huán)境荷載+0.90×重力荷載；其余荷載系數(shù)可根據(jù)荷載抗力系數(shù)法確定。

1.2 坐底穩(wěn)定性分析

導(dǎo)管架桿件及節(jié)點(diǎn)校核可通過SACS軟件直接得到，對(duì)于抗傾覆、抗滑移及基底承壓校核，則需通過計(jì)算導(dǎo)管架的承載力進(jìn)行分析。對(duì)于抗傾覆校核，需得到各組合工況下的傾覆力矩和抗傾覆力矩，通過兩者的比值判斷其是否滿足抗傾覆要求；對(duì)于抗滑移及基底承壓校核，需根據(jù)地質(zhì)條件和防沉板參數(shù)，計(jì)算導(dǎo)管架的極限能力，以此判斷是否滿足坐底穩(wěn)定性要求。

當(dāng)表層土為黏性土?xí)r，即在不排水狀況下，導(dǎo)管架滑動(dòng)破壞的最大水平荷載為

Hn=cA

(1)

式中：c為土的不排水抗剪強(qiáng)度；A為防沉板面積。

當(dāng)表層土為砂性土?xí)r，導(dǎo)管架滑動(dòng)破壞的最大水平荷載為

Hs=c′A+Q′tanφ

(2)

式中：c′為摩爾強(qiáng)度包絡(luò)線的有效黏聚力截距，砂土中c′=0；Q′為基底承壓極限垂向荷載；φ為內(nèi)摩擦角。

在基底承壓校核時(shí)，導(dǎo)管架在偏心、浪流、基地傾斜和地面傾斜等作用下，防沉板的有效作用面積并不等于實(shí)際面積，需考慮面積的折減，即

A′=L′B′=(L-2e1)(B-2e2)

(3)

圖1 承載力系數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

式中：′代表折減后的尺寸；e1和e2為沿長(zhǎng)度和寬度方向的偏心距；B為防沉板最小側(cè)向尺寸；L為防沉板最大側(cè)向尺寸。

在不排水狀況下，基底承壓極限荷載Q為

Q=(cNcKc+γX)A′

(4)

式中：Nc為承載能力系數(shù)，當(dāng)φ=0時(shí)，Nc=5.14；γ為土重度；X為埋深深度；Kc為Nc的修正系數(shù)。

在排水狀況下，基底承壓的極限荷載Q′為

(5)

式中：Nq和Nr同為承載能力系數(shù)，Nq=exp(πtanφ)tan2(45°+φ/2)，Nr=2(Nq+1)tanφ，Nc與Nq的關(guān)系為Nc=(Nq-1)cotφ，三者與內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖1所示；Kq和Kr為對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)；q=γX。修正系數(shù)Kc、Kq和Kr考慮了荷載偏斜、基礎(chǔ)形狀、埋入深度、基礎(chǔ)偏斜和地面傾斜影響。用i、s、d、b、g依次表示各方面的系數(shù)，則修正系數(shù)可表示為

Kc=ic·sc·dc·bc·gc，Kq=iq·sq·dq·bq·gq，Kr=ir·sr·dr·br·gr

(6)

通常，以上各項(xiàng)修正系數(shù)均可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，推薦表達(dá)式如表1所示，其中當(dāng)為不排水條件時(shí)，即摩擦角為0°時(shí)，根據(jù)公式可得Kq和Kr系數(shù)，無須求解。

表1 修正系數(shù)推薦表達(dá)式

對(duì)于樁-套筒的海上升壓站基礎(chǔ)型式，往往采用裙板式防沉板，在進(jìn)行坐底穩(wěn)定性分析時(shí)，需考慮裙板入土提供的承載力：

Qd′=fAs+qpAp

(7)

式中：f為單位面積的摩阻力；As為裙板入土面積，需考慮兩側(cè)；qp為裙板端面的單位面積承載力；Ap為裙板端面積。

在進(jìn)行坐底穩(wěn)定性校核時(shí)，需考慮承載力系數(shù)，抗傾覆系數(shù)為0.80，抗滑移系數(shù)為0.80，基底承壓系數(shù)為0.67。

2 實(shí)例分析

2.1 傳統(tǒng)防沉板

圖2 實(shí)例1防沉板

海上升壓站位于浙江某海域，海上升壓站基礎(chǔ)共布置4根鋼管樁，導(dǎo)管架由主樁腿和撐桿組成，主樁腿采用直徑為2 550/2 530 mm、壁厚為55/45 mm的鋼管，撐桿采用直徑為356～1 200 mm、壁厚為20～45 mm的鋼管。該海上升壓站所處的地質(zhì)表層土為黏性土，不排水抗剪強(qiáng)度c=3 kPa，土體有效重度為6.8 kN/m3；水深為12.5 m，一年一遇環(huán)境荷載的波高為4.78 m，周期為4.7 s，流速為1.28 m/s，包括海纜保護(hù)管、爬梯平臺(tái)及附屬構(gòu)件在內(nèi)的導(dǎo)管架總質(zhì)量約1 025 t。為節(jié)約篇幅，本實(shí)例僅分析導(dǎo)管架抗傾覆、抗滑移和基底承壓承載力，不作桿件應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)校核分析。

該海上升壓站所處地質(zhì)條件差，導(dǎo)管架本身質(zhì)量大。防沉板設(shè)計(jì)如圖2所示，在下水平撐(泥面位置)平面外延2.5 m，并根據(jù)導(dǎo)管架海纜保護(hù)管的布置，預(yù)留部分面積使得海纜能順利埋入泥面。實(shí)際防沉板面積為A=769.43 m2，根據(jù)SACS模型計(jì)算可得，各構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)在坐底穩(wěn)定性工況下均滿足設(shè)計(jì)要求?；准s束反力也可通過SACS軟件計(jì)算求得，根據(jù)約束反力、環(huán)境荷載和轉(zhuǎn)動(dòng)中心，可計(jì)算得到傾覆力矩及抗傾覆力矩及其UC值，如表2所示，表中工況1～8表示低水位下環(huán)境荷載組合工況，工況9～16表示高水位下環(huán)境荷載組合工況，浪流角度間隔45°。從表2可以看出，抗傾覆UC值最大為0.11<1，均滿足設(shè)計(jì)要求，說明對(duì)于該導(dǎo)管架，抗傾覆為非主控因素。

表2 抗傾覆校核結(jié)果

續(xù)表2 抗傾覆校核結(jié)果

根據(jù)式(1)，最大滑移承載力Hn為2 308.3 kN，實(shí)際在環(huán)境荷載組合工況下基底最大滑移力為755.89 kN，即抗滑移UC值為0.41<1，滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到在導(dǎo)管架安裝時(shí)，海底及導(dǎo)管架底均為水平，即基礎(chǔ)偏斜b和地面傾斜g均為1，在環(huán)境荷載組合工況下，最小偏斜系數(shù)ic=0.77，位于工況5。根據(jù)形狀系數(shù)s公式可知：在該工況下形狀系數(shù)起正影響，即最小的修正系數(shù)Kc=0.896；防沉板有效面積為751.68 m2，即該工況下基底極限承載力為10 633 kN；導(dǎo)管架垂向荷載為6 360.2 kN，即該工況下基底承壓UC值為0.893<1。這些均滿足設(shè)計(jì)要求。各工況由于偏心位置不同，有效面積均不相同，最小修正系數(shù)不足以說明各個(gè)工況下基底承壓狀況，采用相同方法對(duì)各組合工況進(jìn)行校核，結(jié)果如表3所示，工況01和工況02表示重力起支配作用工況。最大UC值為0.893<1，滿足設(shè)計(jì)要求。由此可以看出，對(duì)于該海上升壓站，基底承壓為主要因素。

表3 基底承壓校核

2.2 裙板式防沉板

該實(shí)例為位于江蘇海域的某項(xiàng)目腳靴式海上升壓站，其所屬風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模為300 MW。該海上升壓站上部組塊采用5層布置，平面尺寸為38.10 m×41.54 m(包含樓梯和外露平臺(tái))，高20.9 m(一層甲板至屋頂層頂)，最高點(diǎn)距平均海平面34.65 m，采用空間桁架結(jié)構(gòu)。海上升壓站基礎(chǔ)采用4腿腳靴式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)導(dǎo)管架頂標(biāo)高13.61 m，底標(biāo)高位于泥面位置-16.16 m，采用Φ243 8 mm開口變壁厚鋼管樁，壁厚為50～70 mm，樁長(zhǎng)為73.00 m，樁頂高程為-6.16 m，樁底高程為-79.61 m，樁入泥深度63 m。該腳靴式升壓站坐底穩(wěn)定性在分析時(shí)模型處理和工況選擇與上個(gè)算例相同，精細(xì)化SACS模型如圖3(a)所示。所處的地質(zhì)表層土為砂性土，γ=9.0，φ=23°，f=63.1 kPa；所受一年一遇的環(huán)境荷載波高H=5.66 m，周期T=9.21 s，垂向平均流速為1.74 m/s。

圖3 實(shí)例結(jié)構(gòu)的SACS有限元模型及防沉板

圖4 導(dǎo)管架桿件應(yīng)力校核

該升壓站防沉板為裙板形式，如圖3(b)所示，四周為裙板，裙板入土后中間部分由表層土填充，可減少海流沖刷及提高承載力。對(duì)導(dǎo)管架模型進(jìn)行桿件及節(jié)點(diǎn)校核：導(dǎo)管架桿件最大UC值為0.14<1，發(fā)生在工況9，桿件位于導(dǎo)管架斜梯梁位置，為次要構(gòu)件，桿件應(yīng)力UC值如圖4所示；節(jié)點(diǎn)沖剪最大UC值為0.163<1，發(fā)生在下水平橫撐與主導(dǎo)管交叉點(diǎn)處。這些均滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)該升壓站所處地質(zhì)，選取排水狀況進(jìn)行分析，同樣地，在海上升壓站安裝時(shí)不考慮基礎(chǔ)傾斜及地面傾斜。與實(shí)例1分析流程相同，對(duì)抗傾覆、抗滑移和基底承壓進(jìn)行校核。根據(jù)SACS軟件計(jì)算結(jié)果可知各工況下荷載偏心情況，可以得到防沉板的有效面積區(qū)間為154.26～225.00 m2，不考慮承載力系數(shù)的基底承壓承載力最小值為63 448 kN，抗滑移承載力為26 932 kN。各參數(shù)結(jié)果匯總?cè)绫?所示，UC值均小于1，滿足設(shè)計(jì)要求。與實(shí)例1相比，該海上升壓站所處的環(huán)境條件更為惡劣，由于套筒和剪力板的存在，所受的浪流作用更明顯，因此抗傾覆成為本項(xiàng)目的主控因素。此外，裙板結(jié)構(gòu)會(huì)提供額外的承載力，也使得結(jié)構(gòu)在抗滑移和承壓方面效果更優(yōu)良。

表4 實(shí)例2坐底穩(wěn)定性校核結(jié)果

圖5 修正系數(shù)隨B/L的變化曲線

3 防沉板敏感性分析

從第2節(jié)兩個(gè)實(shí)例分析可知，抗滑移和基底承壓承載力與防沉板參數(shù)密切相關(guān)，特別針對(duì)樁-主導(dǎo)管型式的防沉板，由于缺少側(cè)向摩阻力，承載力主要由防沉板有效面積提供。此外，承載力中的各項(xiàng)修正系數(shù)會(huì)根據(jù)防沉板的布置形式發(fā)生變化，最終影響升壓站的坐底穩(wěn)定性。在通常情況下，海上升壓站的防沉板在矩形范圍內(nèi)布置，當(dāng)為排水情況時(shí)，各項(xiàng)修正系數(shù)隨寬長(zhǎng)比B/L的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出：(1)當(dāng)外荷載與地質(zhì)參數(shù)相同時(shí)，偏斜系數(shù)iq、ir和ic隨著防沉板B/L的增大略微減小，這也是由于對(duì)偏斜系數(shù)影響最大的是荷載；(2)形狀系數(shù)sq和sc隨著防沉板B/L的增大而增大，而sr反之。對(duì)于入土深度一定的排水情況，防沉板所能提供的最大垂向承載力主要由Kr項(xiàng)決定，這也就說明長(zhǎng)條形防沉板所能提供的抗滑移和抗壓承載力將大于方形防沉板。當(dāng)為不排水情況時(shí)，影響承載力的修正系數(shù)主要由Kc項(xiàng)提供，可參考圖5曲線sc，即承載力隨著B/L的增大減小。在通常情況下，防沉板的設(shè)計(jì)需統(tǒng)籌考慮導(dǎo)管架型式及鋼材用量，海上升壓站導(dǎo)管架根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的特性，泥面位置的下水平撐往往設(shè)計(jì)成方形。對(duì)于表層土為砂性土?xí)r，長(zhǎng)條形的防沉板不適用于該類情況，在工程中實(shí)際做法通常為適當(dāng)加大防沉板面積，使得坐底穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于表層土為黏性土?xí)r，則可以考慮防沉板盡量布置為方形。

對(duì)于裙板式防沉板，其面積通常比傳統(tǒng)防沉板面積小，承載力受裙板入土的深度影響巨大。以實(shí)例2為例，研究抗滑移及基地承壓承載力對(duì)裙板入土深度的敏感性程度。設(shè)置裙板入土深度分別為0 m、1.5 m和3.0 m，則可得到各工況下抗滑移、基底承壓承載力及UC值如表5和表6所示。從表5數(shù)據(jù)可以看出，承載力隨裙板入土深度線性增加，若該項(xiàng)目海上升壓站不采用裙板式防沉板，滑移破壞將成為主控因素，最大UC值為0.81。隨著裙板入土深度的增加，抗滑移承載力提升明顯，UC值急劇下降。這表明設(shè)計(jì)時(shí)若坐底穩(wěn)定性中抗滑移難以滿足要求時(shí)，可適當(dāng)增加裙板入土深度來提高抗滑移承載力。

表5 裙板式防沉板抗滑移承載力隨裙板入土深度的變化

續(xù)表5 裙板式防沉板抗滑移承載力隨裙板入土深度的變化

表6 裙板式防沉板基底承壓承載力隨裙板入土深度的變化

4 結(jié) 論

在本文之前，國(guó)內(nèi)針對(duì)海上升壓站坐底穩(wěn)定性的分析研究尚少，目前實(shí)際工程中已存在不同形式的防沉板，導(dǎo)管架下水安裝時(shí)需考慮表層土性質(zhì)、荷載偏斜、防沉板形狀及導(dǎo)管架入土深度對(duì)坐底穩(wěn)定性的影響。通過研究得到的結(jié)論如下：

(1) 以兩個(gè)不同型式及地質(zhì)條件下的海上升壓站為例，通過SACS軟件及坐底穩(wěn)定性分析可知，兩座升壓站導(dǎo)管架入水后各桿件應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)要求，且不存在傾覆、滑移及基底承壓破壞的情況。

(2) 在砂性土地質(zhì)條件下，防沉板的B/L越大，承載力越大；在黏性土地質(zhì)條件下，防沉板的B/L越小，承載力越大。建議海上升壓站防沉板在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)表層土的特性，統(tǒng)籌考慮導(dǎo)管架的形式來布置防沉板，使同等面積、同等用鋼量情況下承載力達(dá)到最優(yōu)值。

(3) 裙板式防沉板的承載力高于傳統(tǒng)形式的防沉板，隨著裙板入土深度的增加，抗滑移能力顯著提高。建議在海上升壓站基礎(chǔ)抗滑移能力不足時(shí)可設(shè)置裙板來提高抗滑移承載力，使坐底穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。