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我國海上風機基礎形式及荷載計算問題探討

2014-02-08 06:33:36董小兵韓彥寶
電力勘測設計 2014年3期
關鍵詞:沖刷樁基礎風電場

董小兵,韓彥寶,李 雪, 楊 麗

(1. 國網陜西省電力公司經濟技術研究院,陜西 西安 710065;

2. 北京木聯(lián)能軟件技術有限公司,北京 100096)

我國海上風機基礎形式及荷載計算問題探討

董小兵1,韓彥寶2,李 雪2, 楊 麗2

(1. 國網陜西省電力公司經濟技術研究院,陜西 西安 710065;

2. 北京木聯(lián)能軟件技術有限公司,北京 100096)

針對我國目前海上風電基礎發(fā)展現(xiàn)狀及海域地質情況,提出目前適用于我國海域的幾類風機基礎形式,并以單樁基礎為例說明基礎設計中存在的問題和注意的地方。對海上基礎設計研究做了一些探索。

海上風電場;樁基礎;沖刷計算;荷載計算。

1 概述

2009年9月4日,我國東海大橋海上風電場首批3臺3MW國產機組正式并網發(fā)電,標志著我國海上風力發(fā)電產業(yè)穩(wěn)穩(wěn)走出了第一步。

海上風電場有著陸上風電場不可比擬的優(yōu)勢:海上風力資源豐富,風速大而且穩(wěn)定,同容量裝機,海上要比陸上風力發(fā)電量大50%以上;海上風電場大都建設在沿海地區(qū),那里經濟發(fā)達,用電量大,電網建設足夠堅強,利于并網且距離上接近負荷中心;另外,海上發(fā)電不占用陸地土地資源,所以不涉及土地征用等問題。因此,海上風力發(fā)電成為近年來國際風電產業(yè)發(fā)展的新潮流和大方向,而且歐洲許多國家的海上風電產業(yè)已相當成熟。

隨著陸上風電的開發(fā)能力日漸成熟,以及高質量的陸上風能資源逐步開發(fā)完成,我國的海上風電將逐漸從實驗階段進入規(guī)?;_發(fā)階段。然而存在的問題也隨之而來,目前海上風電項目海域使用論證獲得許可、通過海域環(huán)評、通航安全論證的周期一般需要2年以上。

除政策銜接問題外,海上風電場建設成本高也是是制約海上風電產業(yè)發(fā)展的主要因素之一。其中風機基礎結構所占成本比重高達15%~25%。因此,研究并探索合理而又低成本的風力機基礎結構已成為海上風電技術中的研究熱點。另外,與陸上基礎相比,海上風機基礎還受到波浪、水流、海冰等海洋環(huán)境荷載的作用,基礎結構的受力更加復雜,如何選擇合理的荷載計算方法也是一個亟待解決的問題。

2 我國海上風電基礎形式探索

目前,我國東海大橋海上風電場選用的是高承臺樁基礎形式,而國外海上風電場采用的多是單樁和三角架基礎形式。我國設計和施工人員則是先打下8根鋼管樁,再在鋼管樁的頂部澆注成一個混凝土承臺,來滿足高聳風機承載、抗拔、水平移位的需要。相關機組的順利投產為我國海上風電地基基礎選型提供了新的選擇。

然而,高承臺樁基礎材料耗材大、施工周期長、總造價高,尤其是鋼筋混凝土承臺位于風浪區(qū)內,承受的浪力較大,且由于本場區(qū)的上部淤泥質地層較厚,承臺高出持力層約20m,結構受力條件極為不利,承臺和樁結合處需要特別加固;之所以選擇此類基礎形式,是因為我國國內對該類基礎形式的施工方法和施工經驗比較成熟,又是首次進行海上風機基礎設計,從安全穩(wěn)妥角度考慮是可行的。若采用低樁承臺樁方案,雖可以避免風浪區(qū),但是需要進行水下作業(yè),施工難度也很大。所以海上基礎選擇承臺樁方案有待實踐檢驗。

從文獻[4]對我國海域從北到南沿海底地質情況的介紹可以看出,我國大多海域不適合建重力式和負壓桶基礎,樁基礎比較適合我國大多海域的地質條件。國內各高校和科研單位對海上基礎形式選擇及結構計算方面做了一系列有益的探文獻[6~7]經過專業(yè)系統(tǒng)的研究表明,在水深5m~20m以內的海域內,單樁基礎具有三角樁、承臺樁基礎無法比擬的成本優(yōu)勢,而且單樁施工工期短,對周圍環(huán)境影響小。

2012年8月13日,經過兩個多小時、3000多下液壓沖擊錘的敲擊,龍源電力海上建設團隊將50多米長、5m直徑、幾百噸重的單樁基礎打入了地下40多米的位置,最終將垂直度誤差率控制在了2‰以內(二期的誤差控制率為1‰)達到世界先進水平,標志著我國自主掌握了大規(guī)模開發(fā)海上風電的基礎核心技術。

在 10m以下水深,重力式基礎造價較低,然而海上施工存在很大的不確定性,考慮到重力式基礎在軟弱地基上的穩(wěn)定性不易保證以及我國海域的實際情況,一般不建議選用。除非海床地質條件特別好的情況,可以考慮使用。

在水深20m~30m得海域內,可以考慮三角樁基礎或四角樁基礎。30m~50m海域內可以選擇導管架基礎,相關設計理論可以參考海洋石油平臺的設計理論及相關規(guī)范。盡管目前許多新型的基礎形式在國外已有使用或研發(fā),如張力腿結構、三浮體結構、Sapr結構等。但是出于安全和技術角度考慮,在我國的應用還是需要一段時間的探索。

3 基礎計算中存在的問題

我們以單樁基礎為研究對象,分析基礎設計中存在的問題。相關問題的探討對三角樁基礎和多樁基礎也有一定的借鑒作用。

3.1 樁頂和上部結構連接處應力計算

目前,國外海上風電單樁基礎普遍采用“單樁+過渡段”的方案。單樁頂部與上部結構一般為灌漿連接,屬于承受彎矩和剪力共同作用的連接構件,對于這類大直徑環(huán)狀結構的應力計算,目前規(guī)范中還沒有合適的計算方法。大直徑鋼管樁灌漿連接處的疲勞驗算,不僅要考慮風荷載的疲勞作用,還得考慮波浪水流荷載的疲勞效應,目前規(guī)范中也沒有相關的計算方法。然而,為降低施工成本,龍源電力施工團隊摸索出一套無過渡段單樁工藝,不僅節(jié)省了施工成本,也簡化了相關的計算問題。

3.2 樁內力計算問題

樁內力變形計算,我們選取《建筑樁基技術規(guī)范》JGJ94-2008中的m法與港口工程荷載規(guī)范JGJ254-98中的m法進行比較分析。

某海上單樁基礎,內徑4.755m,外徑4.8m,基礎法蘭到海底自然泥面處距離為15m。在水平力1171.7kN,彎矩43562.97kNm的作用下,用以上兩種方法計算的泥面處樁水平位移和樁身最大彎矩為:0.0381m,47181.19kNm (JGJ94-2008);0.0189m,45909.57kNm(JGJ254-98)。可以看出兩者計算的樁身最大彎矩相差不是很大,但水平位移前者大約是后者的2倍。所以在單樁基礎初步設計時可以考慮用港口工程荷載規(guī)范中的m法進行初步設計,這樣的計算結果也是偏保守的。

目前對于承受較大水平力和彎矩作用的樁基大多推薦使用p-y曲線法,但現(xiàn)有規(guī)范只分別建立了粘土、砂土的p-y曲線,對于粘土和砂土混合分層的情形如何處理沒有給出一個具體的計算方法。另外p-y曲線需要現(xiàn)場試樁,在選取原狀粘土的不排水抗剪強度Cu值時有一定的爭議,Cu的大小對p值的影響較大,而且p-y曲線理論計算過程比較繁瑣,只能通過電算實現(xiàn),可操作性差。所以我們可以考慮使用JGJ254-98中的m法進行初步計算。

3.3 水平承載力控制

對于樁承受的水平力和彎矩可以根據土體的承載力和樁的承載力來進行相關的復核,我們主要考慮樁身水平變位及轉角問題。

由于海水風機基礎受力情況比陸上基礎更復雜,在海流、波浪和海風反復作用下,泥面處泥面線以下很深的一段淤泥層基本是不產生抗力作用的,這樣的話,如何選擇合適的泥面線作為位移控制標準需要專門的研究。操作平臺的水平變位也需要控制在合理的范圍。

陸上風機規(guī)定FD003-2007中對樁基基礎的轉角問題沒有做特別的規(guī)定,但對于海上樁基礎,特別是單樁基礎,轉角問題應該給予考慮,轉角太大的話直威脅到基礎與塔筒連接處的結構抗剪能力,進而影響結構的穩(wěn)定性。

3.4 船舶撞擊計算問題

在有船舶行駛的海域,風機基礎設計時要考慮正常荷載工況下的船舶撞擊基礎時基礎的穩(wěn)定性驗算,撞擊荷載的計算可以參考港口工程荷載規(guī)范JTS144-1-2010。同時也要考慮結構受撞擊后是否有局部變形(國內這方面的計算還沒有相關的理論),進而影響整體的穩(wěn)定性。特別是對單樁基礎而言,對撞擊和傾斜比較敏感。

4 荷載計算問題

4.1 波浪荷載計算

波浪荷載的設計可以參考海港水文規(guī)范JTJ213-1998中的相關規(guī)定進行。對于單樁基礎,可以采用中推薦的Morison公式計算。該方法計算過程相對簡單明了,有關參數方便確定,可操作性強。

4.2 海冰荷載計算

樁柱基礎受到的冰荷載一般只考慮水平荷載和豎向荷載兩種情形,而且以水平荷載為主,豎向荷載可作為次要荷載參與計算。計算直立樁柱水平靜冰壓力的公式各國各類規(guī)范中都有相關的規(guī)定,文獻[19]對這方面做了詳細的比較分析,有一定的參考價值。我國港口工程荷載規(guī)范中對冰荷載的計算做了詳細的說明,初步設計時可以參考其中的理論進行相關荷載計算。

4.3 沖刷問題

海上風機基礎設計前,首先要勘測擬建基礎地區(qū)的海床活動情況,海床活動對基礎沖刷的影響非常大,應該盡量避免在海床活動頻繁區(qū)域選建風機基礎,或者在建前需要對基礎做一定的防沖刷處理措施。對于單樁基礎,由波浪作用引起的沖刷,在樁基泥面處樁前產生馬蹄渦、樁后產生尾渦。馬蹄渦和尾渦主要受Keulegan-Carpenter(KC)影響,按下式計算:

式中:T為波周期;D為樁外徑;h為水深;H為波高。

樁基礎進行初步沖刷設計時,可以采用以上計算方法判斷是否產生波浪沖刷,對形成沖刷的根據沖刷程度采取相應的保護措施。然而,由于實際海流情況比較復雜,具體怎么計算更能真實反應實際沖刷情況,還需要相關的實驗研究??梢栽谝越ǖ幕驍M建的基礎在海底泥面處安裝沖刷檢測裝置,收集沖刷資料,便于后續(xù)的分析研究。

5 總結

雖然在政府的有力推動下,我國海上風電表現(xiàn)出極強的發(fā)展勢頭,但畢竟發(fā)展時間短,海上風資源、水文、地質等基礎數據不完善,海上風電場設計、施工、運行維護及相關裝備研制等環(huán)節(jié)的關鍵技術薄弱,風電標準、檢測和認證體系不完善,這些技術問題嚴重阻礙了我國海上風電的快速發(fā)展。

[1]Milborrow D.Off-shore wind rises to the challenge.Wind Power 2003,(4).

[2]習宋礎,劉漢中.海上風力發(fā)電場開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].太陽能學報,2006,(2).

[3]易躍春.中國海上風電規(guī)劃進程介紹及展望[J].電器工業(yè),2013,(7).

[4]黃維平,劉建軍,趙戰(zhàn)華.海上風電基礎結構研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].海洋工程,2009,5(27).

[5]楊鋒,邢占清,等.近海風機基礎型式結構研究[J].水利水電技術,2009,(9).

[6]段鄖峰,冉紅玉,李鳳麗.海山風電場風機基礎的選型設計[J].水利與建筑工程學報,2010,2(8).

[7]尚景宏.海上風力基礎結構設計選型研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[8]黃維平,尚景宏,王建豐.國外海上風力發(fā)電機組基礎結構現(xiàn)狀[C]//中國可再生能源學會海洋能專業(yè)委員會第一屆學術討論會文集,2008.

[9]張霞.近海風電場樁式風機基礎結構優(yōu)化研究[D].大連:大連理工大學.2010.

[10]吳芳和.近海風機基礎結構選型優(yōu)化與疲勞分析[D].大連:大連理工大學,2009.

[11]鄭主平,吳啟仁.響水風電場風機基礎不均勻沉降原因及處理方法[J].水利水電技術,2009,9(40).

[12]黃立維,楊鋒,等.海上風機樁基礎與導管架的灌漿連接[J].水利水電技術,2009,9(40).

[13]JGJ 94-2008,建筑樁基規(guī)范[S].

[14]JGJ254-98,港口工程樁基規(guī)范[S].

[15]FD003-2007,風電機組地基基礎設計規(guī)定[S].

[16]JTS 144-1-2010,港口工程荷載規(guī)范[S].

[17]JTJ213-1998,海港水文規(guī)范[S].

[18]盧鵬,李志軍.現(xiàn)行規(guī)范中計算樁柱冰荷載的比較[J].冰川凍土,2003,25(S2).

Discussion on Load Calculation and Wind Machine Foundation Form at Sea China

DONG Xiao-bing1, HAN Yan-bao2, LI Xue2, YANG Li2
(1. Shanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute, Xi'an 710065, China;
2. Beijing Millennium Software Technology Co., Ltd., Beijing 100096, China)

In view of the present development situation of offshore wind power base and sea geological situation in china, put forward currently applied in China Sea several basic forms, and the single pile foundation as an example to illustrate the basic problems in the design and the attention of the local. Design and research for the foundation of the sea made a few exploration.

offshore wind farm; pile foundation; scour calculation; load calculation.

TM614

A

1671-9913(2014)03-0077-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.016

2014-03-13

董小兵(1981- ),男,陜西麟游人,編輯,從事雜志編輯工作。

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