佟永錄

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，在用地愈發(fā)緊張的密集型城市周邊，開(kāi)發(fā)大型海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目已成為一種發(fā)展趨勢(shì)[1]。我國(guó)海上風(fēng)力資源豐富，隨著國(guó)家擴(kuò)大海洋開(kāi)發(fā)的規(guī)模，海上風(fēng)電施工項(xiàng)目逐漸增多，項(xiàng)目離岸也越來(lái)越遠(yuǎn)，隨之而來(lái)的對(duì)于海上風(fēng)電超大型鋼管樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)也就越發(fā)緊迫。

2 工程背景

遼寧莊河市擁有2 900 km2海域面積，有多處三面環(huán)山、一面臨水的地理位置，海上風(fēng)力資源豐富。作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要承載力樁基，超大直徑鋼管樁隨著水深、地質(zhì)變化對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出更高要求。本文依托華能大連市莊河海上風(fēng)電場(chǎng)址Ⅳ1(350 MW)項(xiàng)目進(jìn)行超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，場(chǎng)址中心離岸距離約35.2 km，水深約26～34 m，根據(jù)建設(shè)條件、風(fēng)資源情況和風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展趨勢(shì)，擬安裝25臺(tái)6.2 MW、26臺(tái)7.5 MW風(fēng)電機(jī)組。

3 外海風(fēng)電超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 鋼管樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 鋼管樁基礎(chǔ)總體結(jié)構(gòu)

華能大連市莊河海上風(fēng)電場(chǎng)址Ⅳ1(350 MW)項(xiàng)目共計(jì)51臺(tái)單樁基礎(chǔ)，為非嵌巖單樁鋼管樁結(jié)構(gòu)，鋼管樁樁頂設(shè)有法蘭盤(pán)與風(fēng)機(jī)塔筒連接。環(huán)樁頂周邊布置有靠船構(gòu)件、上下爬梯、運(yùn)維平臺(tái)、外加電流設(shè)備等附屬構(gòu)件。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式:

(1)25臺(tái)6.2 MW級(jí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，單樁直徑6.5～7.5 m，樁長(zhǎng)約76～84.5 m，壁厚70～100 mm，主體用鋼量1 056.33～1 266.66 t。

(2)26臺(tái)7.5 MW級(jí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，單樁直徑7.5～8.4 m，樁長(zhǎng)約80.5～87 m，壁厚75～100 mm，主體用鋼量1 321.98～1 519.55 t。

單樁基礎(chǔ)的防腐采用海工重防腐涂層＋外加電流保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)合防腐蝕方案，基礎(chǔ)防沖刷采用拋石保護(hù)的方法，如圖1所示。

圖1 單樁基礎(chǔ)總體結(jié)構(gòu)

3.1.2 基礎(chǔ)頂高程確定

根據(jù)《海上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10105—2018)第3.2.6條，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺(tái)底高程的確定應(yīng)計(jì)入50年重現(xiàn)期潮位和波浪的影響，其平臺(tái)底高程應(yīng)符合式(1):

式中，HW為極端高潮位，取3.46 m；Hb為極端高潮位，取最大波高10.73 m；Δ為安全加高，可取0.5～1.5 m，本項(xiàng)目取1.39 m[2]。

T＝3.46＋2/3×10.73＋1.39＝12 m

故單樁基礎(chǔ)頂高程取＋12.0 m。

3.1.3 各工況風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)適應(yīng)能力分析

(1)7.5 MW風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

單樁直徑7.5～8.4 m、壁厚75～100 mm的鋼管樁定位于海底，承受波浪、海流荷載及風(fēng)機(jī)塔架傳遞的風(fēng)荷載和風(fēng)機(jī)荷載[3]，平均樁長(zhǎng)約83.0 m，入土深度約41.0 m，樁端進(jìn)入粉砂層，樁底平均高程約-71.0 m，樁頂高程為＋12.0 m。樁頂與風(fēng)機(jī)塔筒通過(guò)法蘭系統(tǒng)進(jìn)行連接，樁周采用拋石作防沖刷物。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用SACS有限元軟件，如圖2所示，風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)總荷載計(jì)算值如表1所示，風(fēng)機(jī)單樁結(jié)構(gòu)計(jì)算(海浪工況)如表2所示，風(fēng)機(jī)單樁結(jié)構(gòu)計(jì)算(海冰工況)如表3所示。

表1 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)總荷載計(jì)算值匯總

表2 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果(波浪工況)

表3 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果(海冰工況)

圖2 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)計(jì)算模型、應(yīng)力工況UC圖

計(jì)算結(jié)果表明，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

(2)7.5 MW整機(jī)動(dòng)力模態(tài)計(jì)算

采用海洋工程計(jì)算軟件SACS對(duì)風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)組成的整體系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析[4]，對(duì)照風(fēng)機(jī)廠(chǎng)家提供的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)、塔筒自振頻率以及波浪頻率以避免系統(tǒng)發(fā)生共振的可能性。通過(guò)模態(tài)分析，評(píng)價(jià)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足海上風(fēng)電機(jī)組動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)要求[5]。在進(jìn)行模型計(jì)算時(shí)，由于單樁基礎(chǔ)整機(jī)振動(dòng)頻率為最柔工況控制，因此采用50年一遇極端高水位＋校核最大波高＋極限工況腐蝕余量＋10 cm海生物＋5 m沖刷的計(jì)算邊界條件[6]，如圖3所示，風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)＋結(jié)構(gòu)自振頻率/周期計(jì)算如表4所示。

表4 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)＋結(jié)構(gòu)自振頻率/周期計(jì)算成果

圖3 風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)振型

單樁整機(jī)允許頻率范圍為0.22～0.26 Hz。以上計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)一階自振頻率0.245～0.246 Hz，說(shuō)明系統(tǒng)能避開(kāi)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

3.1.4 單樁基礎(chǔ)沉樁分析

打樁是海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，在樁基設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可打入性校核是保證順利打樁的重要技術(shù)手段?？纱蛉胄苑治鐾ㄟ^(guò)已知的錘樁土系統(tǒng)所有參數(shù)對(duì)沉樁能力進(jìn)行預(yù)判，預(yù)估打樁時(shí)貫入度和錘擊數(shù)的關(guān)系。

典型機(jī)位鋼管樁樁徑7.5～8.4 m，樁長(zhǎng)87 m，泥面標(biāo)高-31.4 m，樁底標(biāo)高-75.0 m，樁底入泥43.6 m，采用GRLWEAP波動(dòng)方程分析程序?qū)A(chǔ)鋼管樁進(jìn)行可打性分析[7]，初選的打樁錘 IHC S3000 kJ，單樁打樁線(xiàn)性分析如圖4所示，單樁打樁數(shù)據(jù)結(jié)果分析如圖5所示。

圖4 單樁打樁線(xiàn)性分析

圖5 單樁打樁數(shù)據(jù)結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)果表明采用IHC S-3000 kJ液壓錘打樁能夠完成本工程的沉樁工作，樁自沉20 m，總錘擊數(shù)2 078擊，樁身最大拉應(yīng)力為59.42 MPa，樁身最大壓應(yīng)力為116.05 MPa[8]。

3.1.5 單樁基礎(chǔ)疲勞驗(yàn)算

考慮到單樁基礎(chǔ)樁體變截面及變壁厚處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在外部環(huán)境荷載作用下，上述位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象將影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，需進(jìn)行疲勞分析。單樁基礎(chǔ)除考慮環(huán)境產(chǎn)生的疲勞損傷外，還需考慮打樁疲勞累積損傷[9]。

根據(jù)《Design of offshore wind turbine structures》(DNV-OS-J101)第J200.201條，考慮到目前國(guó)內(nèi)相關(guān)大型鋼結(jié)構(gòu)制作的工藝水平，從結(jié)構(gòu)安全角度考慮，本工程鋼結(jié)構(gòu)的疲勞分析S-N曲線(xiàn)數(shù)學(xué)表示形式為式(2):

式中，N為疲勞壽命；log10a為與log10N軸的交點(diǎn)；m為S-N曲線(xiàn)中的負(fù)切線(xiàn)斜率；Δσ為應(yīng)力范圍；tref為參考壁厚；t為裂縫厚度，當(dāng)tref＜ t時(shí)，tref＝t；k為厚度指數(shù)。

根據(jù)《Fatigue design of offshore steel structures》(DNVGL-RP-0005)第2.1條，本工程節(jié)點(diǎn)部位均處于海水中并且為焊接節(jié)點(diǎn)，S-N曲線(xiàn)采用C1曲線(xiàn)。

Miner線(xiàn)性累積損傷理論認(rèn)為:構(gòu)件在應(yīng)力水平Si下，經(jīng)受ni次循環(huán)時(shí)的損傷Di＝ni/Ni。若在M個(gè)應(yīng)力水平Si下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，則可定義其總損傷為式(3):

式中，Dc為特征累積疲勞損傷；nc，i為通過(guò)特征長(zhǎng)期應(yīng)力范圍分布獲得的第i區(qū)段的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Nc，i為通過(guò)特征S-N曲線(xiàn)獲得的第i區(qū)段的失效應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)；DFF為設(shè)計(jì)疲勞因子，取決于結(jié)構(gòu)或者組件對(duì)于結(jié)構(gòu)完整性的重要性或是檢查維修的方便性，取為3。

單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位壽命計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位壽命計(jì)算結(jié)果

從整體計(jì)算結(jié)果來(lái)看，單樁基礎(chǔ)鋼管樁疲勞損傷小于1，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞壽命為29.9年，大于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命(25年)，說(shuō)明單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足疲勞設(shè)計(jì)要求[10]。

3.2 鋼管樁基礎(chǔ)防沖刷設(shè)計(jì)

3.2.1 樁基局部沖刷成因

海上潮流和波浪使風(fēng)電單樁基礎(chǔ)前方會(huì)形成一個(gè)馬蹄渦，在背流處形成渦流(卡門(mén)渦街)，兩側(cè)流線(xiàn)也會(huì)收縮；這增加了水流對(duì)底床的剪切應(yīng)力，提高了水流挾沙能力。底床若是易受侵蝕的，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)會(huì)形成沖刷坑，進(jìn)而影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性[11]。樁周流場(chǎng)如圖6所示。

圖6 樁周流場(chǎng)示意

3.2.2 樁基防沖刷方案

樁周一定范圍內(nèi)采用拋石防沖刷保護(hù)方案，施工順序?yàn)閱螛痘A(chǔ)沉樁→拋填反濾層→拋填護(hù)面層。樁周3 m范圍內(nèi)，護(hù)面層拋石采用帶網(wǎng)兜包覆的石料進(jìn)行防沖保護(hù)，網(wǎng)兜繩索采用聚丙烯繩索編織，單兜承重8 t以上，海洋環(huán)境中使用壽命30年以上。其余區(qū)域拋石采用網(wǎng)兜兜送，網(wǎng)兜作為臨時(shí)施工措施，典型基樁防沖刷見(jiàn)前面圖1所示。

3.3 鋼管樁基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計(jì)

3.3.1 腐蝕余量計(jì)算

采用涂層或陰極保護(hù)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)不同部位的單面腐蝕裕量根據(jù)《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》計(jì)算，如表6所示。

表6 單樁基礎(chǔ)腐蝕裕量計(jì)算結(jié)果

3.3.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐方案

參照國(guó)內(nèi)外港口工程、海洋工程防腐蝕設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)址區(qū)域水環(huán)境特點(diǎn)[12]，本工程采用的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐蝕方案如表7所示。

表7 單樁基礎(chǔ)防腐方案

4 結(jié)束語(yǔ)

目前我國(guó)能源革命和海洋戰(zhàn)略的推進(jìn)正展現(xiàn)出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。我國(guó)沿海地區(qū)亟需開(kāi)工建設(shè)一批風(fēng)電項(xiàng)目。本文以大連市莊河海上風(fēng)電場(chǎng)Ⅳ1(350 MW)項(xiàng)目風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為依托，結(jié)合清潔能源海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，采用SACS有限元軟件對(duì)單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)疲勞驗(yàn)算、防沖刷、防腐蝕等一系列技術(shù)研究，確保整個(gè)工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，滿(mǎn)足工程需求。本工程趕上2021年海上風(fēng)電“搶裝潮”，實(shí)現(xiàn)2021年12月29日全容量并網(wǎng)發(fā)電，選擇施工快捷的單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)極其重要。同時(shí)外海超大型鋼管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了海上風(fēng)電超大直徑鋼管樁施工關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)工程應(yīng)用驗(yàn)證，為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型做出一定貢獻(xiàn)。