周茂強(qiáng)，陳 前，陳金鐘

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江華東工程咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 311102；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

當(dāng)前，我國(guó)積極發(fā)展海上風(fēng)電項(xiàng)目，根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》預(yù)計(jì)在2020年能實(shí)現(xiàn)1 000萬(wàn)kW的目標(biāo)。海上風(fēng)電機(jī)組往往離岸距離較遠(yuǎn)，因此需要建設(shè)海上升壓站將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能的電壓提升至常規(guī)的110 kV或220 kV，再經(jīng)海纜傳輸?shù)浇蹲冸娬荆尤氘?dāng)?shù)仉娋W(wǎng)[1]。當(dāng)前，海上風(fēng)電建設(shè)廣泛采用高樁承臺(tái)式海上升壓站，不少學(xué)者針對(duì)高樁承臺(tái)的承載性能展開(kāi)了大量的研究[2-9]。高樁承臺(tái)式海上升壓站由混凝土承臺(tái)、鋼管群樁和上部組塊組成，適用于地質(zhì)條件好，離岸近、水深淺的近海區(qū)域。目前，3 000 t級(jí)海上升壓站上部組塊的安裝主要采用吊裝方式。然而，針對(duì)目前海上風(fēng)電施工資源緊張的形勢(shì)，中國(guó)電建集團(tuán)華東院勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“華東院”)研究團(tuán)隊(duì)首次設(shè)計(jì)出適用于淺近海海上升壓站上部組塊平移安裝方式。2019年11月26日，江蘇省(H2)300 MW海上風(fēng)電項(xiàng)目220 kV/200 MW海上升壓站成功平移安裝，是全球首例在海上風(fēng)電場(chǎng)采用平移方式安裝的大型升壓站平臺(tái)。當(dāng)前海上升壓站上部組塊平移式安裝方法剛剛起步，安裝過(guò)程中的高樁承臺(tái)的沉降現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)匱乏。因此，本文采用ABAQUS數(shù)值模擬方法，以江蘇輻射沙洲風(fēng)電工程中的某海上升壓站為研究對(duì)象， 開(kāi)展升壓站上部組塊平移過(guò)程中高樁承臺(tái)承載性能的數(shù)值模擬研究，對(duì)海上升壓站上部組塊施工建設(shè)具有參考意義。

1 項(xiàng)目概況

江蘇竹根沙(H2號(hào))300 MW海上風(fēng)電項(xiàng)目位于江蘇省竹根沙海域，場(chǎng)區(qū)高程-13～2.8 m，海底地形變化平緩，場(chǎng)區(qū)形狀呈不規(guī)則多邊形，東西長(zhǎng)約21 km，南北寬約6 km，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃面積37 km2，規(guī)劃容量300 MW。

1.1 海上升壓站概況

風(fēng)電場(chǎng)配套建設(shè)一座220 kV海上升壓變電站，升壓站設(shè)置整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的中心位置。該工程海上升壓站設(shè)計(jì)等級(jí)為1級(jí)。海上升壓站包括下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部組塊兩部分。下部結(jié)構(gòu)包括鋼樁及基礎(chǔ)承臺(tái)結(jié)構(gòu)，上部組塊完成建造與安裝調(diào)試后，整體運(yùn)輸至海上完成安裝工作。

1.2 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)概況

該風(fēng)電場(chǎng)的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)擬采用20根直徑1.5～2.0 m的鋼管樁，鋼管樁采用直樁與斜樁結(jié)合，材質(zhì)為Q355C，均按摩擦樁設(shè)計(jì)。承臺(tái)為八邊形，長(zhǎng)36.0 m，寬23.0 m，厚度3.0 m；承臺(tái)下部采用4根直徑為2.0 m，壁厚30 mm的鋼管直樁；4根直徑為1.5 m，壁厚30 mm的鋼管直樁和12根直徑為1.5 m，壁厚30 mm的鋼管樁以1∶5的斜度布置在承臺(tái)上，如圖1所示。

圖1 高樁承臺(tái)示意

2 升壓站上部組塊平移方案

華東院首次設(shè)計(jì)出適用于潮間帶、淺近海海上升壓站上部組塊平移安裝方式。升壓站上部組塊平移方案如下：先用液壓移動(dòng)小車(chē)將升壓站上部組塊(總重約3 603.2 t)橫滾至碼頭前平臺(tái)；待施工船與碼頭前平臺(tái)軌道對(duì)接完成后直接入駁至施工船；移動(dòng)小車(chē)卸載后托盤(pán)坐落于施工船甲板面，對(duì)升壓站進(jìn)行綁扎加固；拖輪將升壓站上部組塊拖至施工現(xiàn)場(chǎng)。與碼頭前平臺(tái)滑道軌道對(duì)接后，船體軌道調(diào)壓至碼頭軌道平臺(tái)，由橫移小車(chē)直接將升壓站上部組塊橫滾至施工船指定地點(diǎn)，小車(chē)同時(shí)緩緩下落，上部組塊放置在提前準(zhǔn)備好的工裝上。升壓站上部組塊平移方案實(shí)施步驟中高樁承臺(tái)受力，如表1所示。

表1 升壓站上部組塊平移方案實(shí)施步驟

3 高樁承臺(tái)承載力計(jì)算數(shù)值分析

3.1 ABAQUS數(shù)值模型

采用ABAQUS軟件建立高樁承臺(tái)數(shù)值模型，鋼管樁采用C3D8R單元進(jìn)行建模，考慮為彈性樁，樁徑為2 m和1.5 m，形式有直樁和1∶5斜樁。土體采用EC3D8R單元進(jìn)行建模，考慮為彈塑性體，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。樁土接觸采用通用接觸，接觸屬性為法向線(xiàn)性接觸，切向則通過(guò)“罰”函數(shù)來(lái)賦予相應(yīng)的摩擦系數(shù)。承臺(tái)采用C3D8R單元進(jìn)行建模，單元尺寸為1 m，材料為C45混凝土，并假設(shè)承臺(tái)彈性、無(wú)裂縫。模型的底部采用全約束，即限制坐標(biāo)軸3個(gè)方向的位移，四周采用垂直于邊界面的法向位移約束，對(duì)稱(chēng)面給予垂直于該面的法向位移約束，而土體頂面則設(shè)置為自由面，無(wú)約束。高樁承臺(tái)樁基數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 高樁承臺(tái)樁基數(shù)值模型

3.2 模型計(jì)算參數(shù)選取

該工程位于竹根沙海域，屬濱海相沉積地貌單元，海底灘面地形高程由南向北逐漸降低，場(chǎng)區(qū)高程-13.0～2.8 m，升壓站周邊高程8.0 m，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主。本文試驗(yàn)采用已有現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)時(shí)所測(cè)量的地層分布及土體物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)初始模型進(jìn)行單樁豎向荷載-位移的數(shù)值模擬計(jì)算，反復(fù)試算比較數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值，對(duì)數(shù)值模擬參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到的樁和土體的試驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 承臺(tái)及樁身應(yīng)力分析

對(duì)承臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在承臺(tái)下表面與斜樁連接附近，最大拉應(yīng)力為3.11 MPa，發(fā)生于工況1；最大壓應(yīng)力8.02 MPa，發(fā)生于工況2。承臺(tái)底部Mises應(yīng)力見(jiàn)圖3，承臺(tái)與樁相連接的部分具有明顯的應(yīng)力增大現(xiàn)象。

樁身Mises應(yīng)力見(jiàn)圖4。樁身最大等效應(yīng)力為8.40 MPa，發(fā)生于工況4，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。樁身下部應(yīng)力較小，應(yīng)力主要集中在各樁的中上部，這是由于泥面以下樁身受到摩擦力及土體抗力作用，減小了樁身受力。

4.2 承臺(tái)沉降計(jì)算

升壓站上部組塊平移過(guò)程中高樁承臺(tái)沉降量變化，如圖5所示。隨著升壓站逐漸向高樁承臺(tái)平移，中心點(diǎn)B的沉降量逐漸增大，從2.42 mm增加到7.03 mm；左端A點(diǎn)的沉降量先增大后減小，在工況2達(dá)到最大，為13.01 mm，隨后逐漸減小，最終沉降量為9.03 mm；右端C點(diǎn)的沉降先減小后增大，在工況2達(dá)到最小，為0.58 mm，隨后逐漸增大，最終沉降量為9.01 mm。由此可見(jiàn)，工況2高樁承臺(tái)兩側(cè)不均勻沉降最大，為12.43 mm，為最危險(xiǎn)工況，在實(shí)際安裝施工過(guò)程中，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)承臺(tái)不均勻沉降情況。當(dāng)完成平移后，B點(diǎn)沉降量為7.04 mm，約是工況1沉降量的3倍，此時(shí)高樁承臺(tái)兩側(cè)沉降基本相等，約為9.00 mm。沉降量中間小，兩側(cè)大，不均勻沉降最小，約為2.00 mm。整個(gè)施工安裝過(guò)程中，由于升壓站上部組塊荷載所導(dǎo)致的承臺(tái)不均勻沉降在2～13 mm之間。

5 結(jié) 論

采用ABAQUS數(shù)值模擬方法，開(kāi)展江蘇岸外輻射沙洲區(qū)域某海上升壓站上部組塊平移安裝過(guò)程中高樁承臺(tái)沉降和群樁受力分析，得到了以下主要結(jié)論：

(1)在海上升壓站上部組塊平移安裝過(guò)程中，當(dāng)上部組塊移動(dòng)到高樁承臺(tái)1/2處，承臺(tái)的兩側(cè)的不均勻沉降達(dá)12.43 mm，為最危險(xiǎn)工況，在實(shí)際安裝施工過(guò)程中，應(yīng)監(jiān)測(cè)承臺(tái)不均勻沉降的情況。整個(gè)施工安裝過(guò)程中，由于升壓站上部組塊荷載所導(dǎo)致的承臺(tái)不均勻沉降在2～13 mm之間。

(2)承臺(tái)下表面與斜樁相連接附近，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在承臺(tái)下表面與斜樁連接附近，最大拉應(yīng)力為3.11 MPa，發(fā)生于工況1；最大壓應(yīng)力8.02 MPa，發(fā)生于工況2。樁身最大等效應(yīng)力為8.40 MPa，發(fā)生于工況4，樁身應(yīng)力主要集中在各樁身上部，泥面以下樁身由于受到土體的摩擦力及土體抗力作用，所受應(yīng)力迅速減小。