宋 礎(chǔ)

上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

近海資源開發(fā)的不斷推進(jìn)使海洋可用空間愈加擁擠、用海矛盾日益突出、生態(tài)保護(hù)迫在眉睫，因此，海洋牧場(chǎng)與其他用海方式融合協(xié)調(diào)發(fā)展的需求更加強(qiáng)烈［1,2］。近年來，我國海上風(fēng)電發(fā)展迅猛，正向著規(guī)模化推進(jìn)，如何利用海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為各類海洋牧場(chǎng)設(shè)施的布置提供便利條件，實(shí)現(xiàn)使用海域的分層立體開發(fā)，是集節(jié)約用海、實(shí)現(xiàn)生態(tài)和效率并舉、產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的重要舉措［3］。

針對(duì)海洋牧場(chǎng)與海上風(fēng)電融合發(fā)展模式，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列研究工作。楊紅生等［4］闡述了海洋牧場(chǎng)和海上風(fēng)電融合發(fā)展的必要性以及融合發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題、亟待解決的技術(shù)瓶頸與重點(diǎn)研究內(nèi)容，并提出了融合發(fā)展對(duì)策與展望。莫爵亭［5］等通過海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)地評(píng)價(jià)了當(dāng)前海上風(fēng)電建設(shè)海域與海洋牧場(chǎng)生態(tài)發(fā)展的可行性。曾晨［6］總結(jié)了海上風(fēng)電與海洋養(yǎng)殖之間進(jìn)行產(chǎn)業(yè)兼容的可行性與優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，海洋養(yǎng)殖設(shè)備與海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的融合發(fā)展尚處于可行性研究階段。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為高聳結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)往往承受較大的水平力及傾覆彎矩，養(yǎng)殖網(wǎng)箱設(shè)備的系泊載荷會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生明顯的附加影響。因此，需要進(jìn)行風(fēng)機(jī)荷載、浪流荷載、養(yǎng)殖設(shè)備系泊荷載聯(lián)合作用下的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全性分析。

本文選取水深適應(yīng)能力強(qiáng)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，考慮養(yǎng)殖設(shè)備系泊荷載對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的海洋水文、地質(zhì)情況，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行綜合分析研究，研究成果可用于指導(dǎo)“風(fēng)漁互補(bǔ)”組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

導(dǎo)管架基礎(chǔ)及組合結(jié)構(gòu)由一個(gè)邊長為10 m 的正方體養(yǎng)殖網(wǎng)箱及導(dǎo)管架基礎(chǔ)組成，兩者通過8 個(gè)系泊點(diǎn)相互連接（見圖1）。導(dǎo)管架基礎(chǔ)的斜撐桿采用“X”型連接形式，均由圓形鋼管焊接而成，鋼管樁為2.5 m，壁厚30～50 mm，鋼管樁入土深度約90 m?；鶚堆刂霃?4 m的外接正四邊形布置。網(wǎng)衣采用超高分子量聚乙烯，密度為964 kg/m3，彈性模量為2.06E11 Pa，網(wǎng)目尺寸為6 cm，網(wǎng)線直徑3 mm。

圖1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)及組合結(jié)構(gòu)三維模型圖

2 網(wǎng)箱關(guān)鍵參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)影響的敏感性分析

2.1 網(wǎng)箱下潛深度的影響

海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)整體受力情況與養(yǎng)殖網(wǎng)箱的布設(shè)位置關(guān)系密切，因此需要進(jìn)行網(wǎng)箱下潛深度對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)影響的敏感性分析。本研究考慮了網(wǎng)箱上系泊點(diǎn)位于水面、下潛10 m、下潛20 m時(shí)結(jié)構(gòu)整體的受力情況（如圖2所示）。

圖2 網(wǎng)箱不同下潛深度示意圖

網(wǎng)箱不同下潛深度對(duì)應(yīng)的系泊力見圖3?？梢灾庇^看出，隨著網(wǎng)箱布置位置的降低，系泊力大幅度減小，這與網(wǎng)箱受波浪影響由水面向海底依次減弱有關(guān)。

圖3 網(wǎng)箱不同下潛深度對(duì)應(yīng)的系泊力

海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的通常思路為：首先需通過調(diào)整樁間距及各桿件的直徑、壁厚，使桿件應(yīng)力比（UC 值）滿足要求，而后基于樁土點(diǎn)荷載復(fù)核樁長、樁徑及壁厚。對(duì)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)而言，使各桿件的應(yīng)力滿足要求，是一個(gè)首要且關(guān)鍵的設(shè)計(jì)過程?；诖?，在探討導(dǎo)管架基礎(chǔ)桿件應(yīng)力變化的基礎(chǔ)上，開展養(yǎng)殖網(wǎng)箱下潛深度對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)影響的敏感性分析。圖4 為不同養(yǎng)殖網(wǎng)箱下潛深度對(duì)應(yīng)的桿件UC圖（100%海生物附著度）。

圖4 不同養(yǎng)殖網(wǎng)箱下潛深度對(duì)應(yīng)的桿件UC圖（100%海生物附著度）

為保證經(jīng)濟(jì)性與安全性兼容并蓄，導(dǎo)管架基礎(chǔ)桿件UC值通?？刂圃?.8以內(nèi)。在桿件云圖中，紅色標(biāo)記指示了UC 應(yīng)力達(dá)到0.8 以上的區(qū)域。由圖4 可知，養(yǎng)殖網(wǎng)箱的存在對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)桿件受力產(chǎn)生了較大的影響。隨著網(wǎng)箱布設(shè)位置從水面向海底移動(dòng)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)各桿件的應(yīng)力大幅度降低。詳細(xì)而言，網(wǎng)箱布設(shè)在水面上時(shí)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)大量桿件UC值超過1，出現(xiàn)失效狀態(tài)；網(wǎng)箱下潛10 m方案樁土點(diǎn)附近桿件受力最大，UC 值達(dá)到0.979，弦桿最大值次之，達(dá)到0.872；網(wǎng)箱下潛20 m方案，靠近樁土點(diǎn)附近的桿件UC 值為0.804，弦桿最大UC值僅為0.761，結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)良好。這是由于網(wǎng)箱布置位置越低，受水面波浪擾動(dòng)較小，系泊力對(duì)泥面傾覆彎矩的力及力臂越小，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力越有利。

2.2 網(wǎng)箱海生物附著度的影響

海生物附著在網(wǎng)箱及導(dǎo)管架基礎(chǔ)上大量繁殖會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件功能的正常發(fā)揮，一方面由于海生物的附著，結(jié)構(gòu)所受載荷的尺寸增加，另一方面對(duì)于養(yǎng)殖網(wǎng)箱而言，網(wǎng)衣間隔密集，大量海生物附著會(huì)嚴(yán)重阻塞網(wǎng)箱附近海水流動(dòng)，直接改變了網(wǎng)箱受力狀態(tài)。因此，有必要開展養(yǎng)殖網(wǎng)箱海生物附著度對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)-養(yǎng)殖網(wǎng)箱組合結(jié)構(gòu)整體受力影響的敏感性分析。

圖5給出了水面系泊方案中不同海生物附著度對(duì)應(yīng)的系泊力?？梢悦黠@看出，網(wǎng)箱系泊力值隨著海生物附著度的減弱呈現(xiàn)倍數(shù)級(jí)減小這是由于整個(gè)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)與海生物增長速度最嚴(yán)重的浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)高度重合。

圖5 水面方案不同海生物附著度對(duì)應(yīng)的系泊力

圖6 為水面方案中，不同海生物附著度對(duì)應(yīng)的桿件UC 分布，100%海生物附著度時(shí)，大量導(dǎo)管架桿件呈現(xiàn)失效狀態(tài)，而當(dāng)海生物附著度降至50%，桿件整體受力狀態(tài)得到明顯改善，僅靠近樁土點(diǎn)位置處的桿件失效，底層弦桿應(yīng)力最大值為0.923，處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖6 水面方案不同海生物附著度對(duì)應(yīng)桿件UC圖

圖7 為下潛10 m方案中，不同海生物附著度對(duì)應(yīng)的系泊力，網(wǎng)箱系泊力值隨著海生物附著度的減弱同樣出現(xiàn)大幅度減小。

圖7 下潛10 m方案不同海生物附著度對(duì)應(yīng)的系泊力

圖8 為網(wǎng)箱下潛10 m方案中，不同海生物附著度對(duì)應(yīng)的桿件UC 分布，100%海生物附著度時(shí)，靠近樁土點(diǎn)位置處的桿件最大UC值為0.979，底層弦桿次之，為0.872，其余部位桿件應(yīng)力均處在安全范圍內(nèi)。對(duì)于下潛10 m 方案海生物附著度為50%時(shí)，桿件整體受力狀態(tài)得到明顯改善，靠近樁土點(diǎn)位置處的桿件應(yīng)力最大值為0.817，結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)良好。對(duì)于下潛10 m 方案海生物附著度為50%時(shí)，可通過適當(dāng)增加樁土點(diǎn)桿件壁厚的方式改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。

圖8 下潛10 m方案不同海生物附著度對(duì)應(yīng)桿件UC圖

3 組合方案加固設(shè)計(jì)深化分析

3.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)

上節(jié)已經(jīng)驗(yàn)證，網(wǎng)箱布置位置越低對(duì)結(jié)構(gòu)受力越有利。為了探索網(wǎng)箱布置位置的上限，本節(jié)對(duì)下潛10 m方案開展結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)及分析。實(shí)際操作條件下，往往采取多種干預(yù)措施抑制海生物生長或?qū)Ω街暮Ｉ镞M(jìn)行定期清理，因此本文僅選取50%海生物附著度而不是極端的100%附著度。該工況對(duì)應(yīng)的樁土點(diǎn)桿件UC值為0.817，通過適當(dāng)增加靠近樁土點(diǎn)位置桿件（桿件總長3.04 m）的壁厚，使組合結(jié)構(gòu)處于較安全的狀態(tài)。加固設(shè)計(jì)方案與導(dǎo)管架基礎(chǔ)原始設(shè)計(jì)方案工程量及UC值對(duì)比見表1。

表1 加固前后主體工程量及最大UC值對(duì)比表

經(jīng)計(jì)算，樁土點(diǎn)桿件壁厚增加0.5 cm 時(shí)，工程量增加5.2 t，樁土點(diǎn)桿件UC 值由0.817 降至0.780，加固效果良好，后續(xù)對(duì)比計(jì)算基于加固方案展開。

3.2 豎向承載力計(jì)算

樁基豎向荷載計(jì)算中土層的側(cè)阻和端阻數(shù)據(jù)采用地質(zhì)報(bào)告提供的數(shù)值。計(jì)算結(jié)果見表2，樁基豎向承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 加固前后樁基承載力對(duì)比表（KN）

3.3 變形計(jì)算

用P-Y曲線法進(jìn)行結(jié)構(gòu)水平變形計(jì)算，基礎(chǔ)的水平變形計(jì)算結(jié)果見表3。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)頂在極端環(huán)境條件下傾角的控制標(biāo)準(zhǔn)tanθ≤0.0043。計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)管架基礎(chǔ)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 加固前后水平變形計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

3.4 結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)荷載系數(shù)抗力法［7］，對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算。采用海洋工程專用設(shè)計(jì)軟件SACS進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表4。結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 加固前后桿件應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

3.5 結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算

對(duì)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱組合結(jié)構(gòu)，海上風(fēng)電導(dǎo)管架基礎(chǔ)除了承受波浪與風(fēng)機(jī)疲勞，還將承受由于網(wǎng)箱運(yùn)動(dòng)帶來的系泊疲勞荷載。依據(jù)波浪散布圖計(jì)算波浪譜疲勞，風(fēng)機(jī)疲勞荷載由風(fēng)機(jī)廠家提供。節(jié)點(diǎn)疲勞計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 節(jié)點(diǎn)疲勞計(jì)算結(jié)果

由表5 可知，導(dǎo)管架基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的浪致疲勞由水面向兩端遞減，風(fēng)機(jī)疲勞荷載施加在導(dǎo)管架基礎(chǔ)頂端，越靠近頂層的節(jié)點(diǎn)風(fēng)致疲勞值越大，網(wǎng)箱系泊疲勞荷載值較小，靠近網(wǎng)箱系泊位置節(jié)點(diǎn)的疲勞值稍大。整個(gè)導(dǎo)管架基礎(chǔ)各節(jié)點(diǎn)疲勞最大值出現(xiàn)在二層弦桿節(jié)點(diǎn)上為0.741，滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。疲勞計(jì)算結(jié)果位置索引示意圖見圖9。

圖9 疲勞計(jì)算結(jié)果位置索引示意圖

4 總結(jié)

本項(xiàng)目開展了“風(fēng)漁互補(bǔ)”組合結(jié)構(gòu)性能研究，運(yùn)用數(shù)值模擬手段，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，論證了海上風(fēng)電與海洋養(yǎng)殖融合發(fā)展的可行性，得出如下結(jié)論：

1）系泊荷載隨著養(yǎng)殖網(wǎng)箱位置的下移及海生物附著度的降低均出現(xiàn)大幅減小。

2）從結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，網(wǎng)箱布置位置越低對(duì)結(jié)構(gòu)受力越有利。當(dāng)網(wǎng)箱布置于水面附近時(shí)，一方面受波浪擾動(dòng)較大，系泊荷載較大，同時(shí)系泊繩索疲勞危險(xiǎn)系數(shù)高，另一方面整個(gè)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)與海生物增長速度最嚴(yán)重的浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)高度重合，不利于控制海生物生長及海洋環(huán)境腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3）可通過增加薄弱部位（尤其是樁土點(diǎn)位置）的桿件壁厚，減弱網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)備系泊載荷對(duì)導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的影響，提高組合結(jié)構(gòu)的安全性。