郭政

（中閩能源股份有限公司 福建福州 350001）

1 概述

我國海岸線長，近海風(fēng)能資源豐富，風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮螅?］。近幾年我國海上風(fēng)電發(fā)展迅速，福建作為風(fēng)能資源最好的省份，具有風(fēng)資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)相對較高的特點(diǎn)，是新能源發(fā)展的重要省份。受臺(tái)灣海峽“峽管效應(yīng)”的影響，臺(tái)灣海峽風(fēng)能資源呈現(xiàn)出自海峽中部向南北兩側(cè)遞減的格局。海峽中部風(fēng)能資源最為豐富，年平均風(fēng)速在10 m/s 以上。海峽南側(cè)和北側(cè)風(fēng)能資源較為豐富，年平均風(fēng)速一般在8 m/s 以上。本文研究對象所在地寧德霞浦海域則位于臺(tái)灣海峽北側(cè)。

根據(jù)國外已經(jīng)建成的海上風(fēng)電場投資比例和國內(nèi)的研究成果，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)投資約占風(fēng)電場總成本的20%～30%。因此，探討合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型是海上風(fēng)電發(fā)展的重中之重。本風(fēng)電場開發(fā)規(guī)模為200 MW。機(jī)型推薦采用DEW184—7000 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，按照7 MW×29 臺(tái)方案進(jìn)行布置。本文主要針對福建寧德霞浦某海上風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)選型。根據(jù)已有設(shè)計(jì)條件，綜合考慮風(fēng)能資源、海洋水文、工程地質(zhì)等場址條件，針對初步選定的風(fēng)機(jī)機(jī)組，對不同的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選出最佳的基礎(chǔ)方案，保證基礎(chǔ)的安全和經(jīng)濟(jì)。

2 輸入條件分析

2.1 地質(zhì)條件

寧德霞浦某海上風(fēng)電場位于寧德市霞浦縣長春鎮(zhèn)霞浦東沖半島以東海域。本海域理論水深7 m～11 m，地形總體呈西高東低態(tài)勢，微向海傾斜，總體較平緩。本工程場地范圍內(nèi)，覆蓋層揭露厚度大于90 m，場地覆蓋層分布的主要地層為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉砂、中砂等地層，表層分布較厚淤泥層。工程場地表層地基土為軟弱土層，在臺(tái)風(fēng)暴浪等較強(qiáng)的海洋水動(dòng)力作用下易發(fā)生遷移和變形，給基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工帶來不利。工程所在區(qū)域地震基本烈度6 度，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，地震分組為第一組。場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期Tg 為0.40 s。

2.2 風(fēng)機(jī)荷載

作用在塔架底端的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)荷載見表1 與表2。

表1 風(fēng)機(jī)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

表2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)疲勞荷載表

綜上所述，結(jié)合工程選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其基礎(chǔ)荷載較大、對基礎(chǔ)的水平剛度和抗疲勞性能要求較高的特點(diǎn)及本工程區(qū)海洋水文氣象特點(diǎn)，優(yōu)先考慮采用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可選擇端承摩擦樁，以中砂層及以下土層作為樁端持力層，且樁長應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承受上部塔架傳來的較大水平力和傾覆彎矩，并直接承受波浪力和海流力。這些荷載都具有明顯的動(dòng)力和循環(huán)特性，導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載相應(yīng)表現(xiàn)出明顯的動(dòng)力和疲勞特性。由于基礎(chǔ)水平變形較大，地基土容易產(chǎn)生塑性變形，軟土地基在循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出強(qiáng)度衰減。因此，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所采用的結(jié)構(gòu)模型、地基模型和分析方法應(yīng)能反映上述受力特性。樁基水平受力和變形計(jì)算常采用m 法、P-Y 曲線法或嵌固點(diǎn)法。

3 基礎(chǔ)型式比選

3.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型選擇

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有承受傾覆力矩大和動(dòng)荷載等受力特點(diǎn)，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)需充分考慮離岸距離、海床地質(zhì)條件、海上風(fēng)、浪、流以及冰等外部環(huán)境的影響，同時(shí)海上施工條件復(fù)雜，受安裝、施工設(shè)備能力的影響很大。合理選擇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式對結(jié)構(gòu)安全、施工難易程度及工程造價(jià)具有重要影響［2］。

常見的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式有樁式結(jié)構(gòu)、重力式結(jié)構(gòu)、吸力樁（桶）式結(jié)構(gòu)和浮式結(jié)構(gòu)4 類，其中重力式結(jié)構(gòu)適合水深0～25 m，大直徑單樁適合水深0～40 m，導(dǎo)管架適合水深20 m～50 m，桶式三柱適合水深20 m～50 m，吸力筒式適合水深0～25 m。支柱固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)常用型式有單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)等，見圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式示意圖

（1）根據(jù)現(xiàn)有水文地質(zhì)資料，工程場址區(qū)域地基土表層有厚度比較大的淤泥及淤泥質(zhì)土，可選持力層埋深大，采用重力式基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性極差，因此本項(xiàng)目不考慮重力式基礎(chǔ)。

何克抗[1-2]提出，混合式教學(xué)是混合多種教學(xué)模式把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)與數(shù)字化學(xué)習(xí)優(yōu)勢相結(jié)合，在教學(xué)過程中教師的引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)督與學(xué)生主動(dòng)、積極的自主學(xué)習(xí)相互作用的教學(xué)模式。這種教學(xué)方式將線上與線下教學(xué)形式相結(jié)合，同時(shí)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容以及學(xué)生情況采用多種教學(xué)方法相結(jié)合，把學(xué)生的學(xué)習(xí)由淺入深的引向深度學(xué)習(xí)；它強(qiáng)調(diào)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間應(yīng)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式達(dá)到最佳的教學(xué)效果[3]。

（2）單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式簡單、受力明確、制作方便、適應(yīng)性強(qiáng)，在已建成的國內(nèi)外海上風(fēng)電場中應(yīng)用最廣泛。單樁基礎(chǔ)樁長長、直徑大、結(jié)構(gòu)剛度小、固有頻率低、受海床沖刷影響較大，且單樁基礎(chǔ)的施工精度要求高，需采用大型沉樁機(jī)械（如IHC 或MENCK 液壓錘）沉入海中。單樁基礎(chǔ)施工時(shí)間短、效率高且無水上混凝土，基礎(chǔ)造價(jià)相對較小。本工程場址區(qū)域水深較小，綜合考慮結(jié)構(gòu)、施工等因素，因此考慮單樁基礎(chǔ)作為本工程比選方案。

（3）導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度大、穩(wěn)定性好，自重較輕，適用于水深較深的區(qū)域。導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)易疲勞，建造及維護(hù)成本較高，水深較小。導(dǎo)管架基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，在制造和施工上經(jīng)濟(jì)競爭力較差，造價(jià)相對較高，因此本項(xiàng)目不考慮導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案。

（4）高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適用于淺水及中等水深水域，采用現(xiàn)澆混凝土墩臺(tái)施工工序，施工工藝成熟，大多數(shù)海上施工單位都有能力施工。且由于本項(xiàng)目表層軟土較厚、水深較淺的特點(diǎn)，從施工及結(jié)構(gòu)型式上考慮，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)能發(fā)揮出其優(yōu)勢，因此考慮高樁承臺(tái)基礎(chǔ)作為比選方案。

（5）浮式基礎(chǔ)主要應(yīng)用于水深50 m～500 m 的海域。浮式基礎(chǔ)目前在國際上尚處于研究開發(fā)階段，國內(nèi)尚無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，因此不考慮采用浮式基礎(chǔ)。

綜上，本工程區(qū)域水深較淺，結(jié)合國內(nèi)成熟經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方案考慮用單樁基礎(chǔ)方案、高樁承臺(tái)方案進(jìn)行比選。

3.2 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案計(jì)算分析

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，承臺(tái)與上部風(fēng)機(jī)塔筒采用基礎(chǔ)環(huán)連接方式。上部承臺(tái)為現(xiàn)澆C45 高性能海工混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)直徑為16.0 m，高度為5.0 m，承臺(tái)底標(biāo)高為+3.10 m，頂標(biāo)高為+8.10 m。塔筒底部法蘭盤通過高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺栓與基礎(chǔ)環(huán)相連，基礎(chǔ)環(huán)固接于承臺(tái)內(nèi)部。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)采用8 根鋼管樁，鋼管樁直徑2.0 m，壁厚28 mm～30 mm，樁長95 m～105 m。樁斜率為5∶1，樁端以粉質(zhì)黏土層作為持力層，8 根鋼管樁在承臺(tái)底部沿12.0 m 直徑的圓周均勻分布。結(jié)構(gòu)模型見圖2 所示。

圖2 高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)模型

有限元模型中樁土相互作用采用水平及豎向彈簧來模擬。水平彈簧剛度采用動(dòng)態(tài)折減后的m 法確定。從計(jì)算結(jié)果分析，樁基及承臺(tái)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范［3-4］要求。計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 高樁承臺(tái)方案計(jì)算結(jié)果匯總表

3.3 單樁基礎(chǔ)方案計(jì)算分析

單樁基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)為大直徑鋼管樁，樁頂法蘭在工廠預(yù)先焊接，在沉樁后與上部風(fēng)機(jī)塔筒連接。外部平臺(tái)、爬梯、靠泊、電纜管等附屬構(gòu)件連成整體套籠結(jié)構(gòu)，通過預(yù)焊的牛腿安裝在鋼管樁外部。通過計(jì)算分析，單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為：與風(fēng)機(jī)塔筒連接段鋼管直徑為7.0 m，通過錐形段鋼管直徑過渡到10.0 m，根據(jù)本階段計(jì)算結(jié)果，鋼管樁樁長100 m～116 m，樁徑為10.0 m，壁厚80 mm～100 mm，樁入土深度75 m～88 m。結(jié)構(gòu)模型見圖3 所示。

圖3 單樁結(jié)構(gòu)模型

有限元模型中樁土相互作用采用水平及豎向彈簧來模擬。水平彈簧剛度采用動(dòng)態(tài)折減后的m 法確定；樁側(cè)豎向彈簧采用t-z 曲線法，樁端豎向彈簧采用Q-z 曲線法確定；樁基豎向沉降另采用分層總和法復(fù)核［5-7］。如表4 計(jì)算結(jié)果所示，樁基各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表4 單樁方案計(jì)算結(jié)果匯總表

3.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案比較

3.4.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性比較

單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案的承載力、強(qiáng)度和穩(wěn)定性均能滿足要求，基礎(chǔ)的變形和傾斜均在允許的范圍內(nèi)，表明兩種方案均能滿足極端工況和正常運(yùn)行工況下風(fēng)機(jī)對基礎(chǔ)的有關(guān)要求。從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特性方面對兩種基礎(chǔ)類型的比較如下：

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與荷載傳遞。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳力形式最為簡單明確，風(fēng)機(jī)荷載、波浪荷載和水流荷載直接通過樁身傳遞到深層土中，樁身承受較大的彎矩作用。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)受力較為明確，通過剛性承臺(tái)傳遞風(fēng)機(jī)荷載，承臺(tái)下樁基以拉力、壓力和水平力的形式承擔(dān)承臺(tái)傳遞的荷載，樁基呈軸對稱分布，當(dāng)水平荷載較大時(shí)采用斜樁，可有效增加基礎(chǔ)的抗水平力荷載的能力。

（2）基礎(chǔ)剛度。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式簡單，傳力明確，結(jié)構(gòu)剛度較低，承受水平荷載的能力較差，但是可以通過樁入土深度來調(diào)整其整體剛度，以保證樁基泥面處位移滿足設(shè)計(jì)要求。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)由多樁和大體積混凝土承臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)的整體性好，群樁基礎(chǔ)的整體剛度較大。但由于混凝土承臺(tái)下樁基懸臂較長，基礎(chǔ)剛度取決于樁基的斜度和樁身剛度，同時(shí)由于大體積混凝土承臺(tái)所受的波浪力較大，盡管整體剛度較大，但塔筒底部水平位移和傾斜率較大。

（3）基礎(chǔ)所受環(huán)境荷載。單樁基礎(chǔ)所受的波浪荷載與水流荷載很明確，受力大小與樁徑密切相關(guān)，總體波流荷載比較小。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)中樁基所受的波浪力和水流力較為簡單，但由于大體積混凝土承臺(tái)的設(shè)置，承臺(tái)所受的波浪浮托力和波浪力較大，對樁基礎(chǔ)的抗水平力和抗拔能力提出了較高要求。

（4）抗疲勞特性。在疲勞荷載一定的前提下，疲勞壽命與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)有關(guān)。單樁基礎(chǔ)與高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案中樁身的連接形式簡單，熱點(diǎn)應(yīng)力較小。

3.4.2 施工比較

海上風(fēng)機(jī)施工受到的制約因素較多，包括氣象、水文、船舶運(yùn)輸和打樁設(shè)備等。海上風(fēng)機(jī)所處的環(huán)境決定了其對施工方便性提出了較高要求。單樁基礎(chǔ)的大直徑樁可在工廠內(nèi)預(yù)制加工，運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)機(jī)所在位置進(jìn)行沉樁。大直徑單樁的沉樁比較困難，對設(shè)備要求較高。安裝時(shí)，將樁基運(yùn)至現(xiàn)場后，采用液壓振動(dòng)錘將樁基沉入設(shè)計(jì)深度。高樁承臺(tái)的樁徑較小，對施工機(jī)具的要求較低。混凝土承臺(tái)的鋼筋籠可采用預(yù)先綁扎，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場起吊安裝，以節(jié)省施工時(shí)間?；炷脸信_(tái)的澆筑和養(yǎng)護(hù)需要較長時(shí)間，需要混凝土攪拌、運(yùn)輸和淡水儲(chǔ)備等配合措施。由于承臺(tái)底面位于水面以上，承臺(tái)施工前應(yīng)結(jié)合工程樁采用型鋼搭設(shè)臨時(shí)施工平臺(tái)。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)塔筒的連接通過基礎(chǔ)環(huán)來實(shí)現(xiàn)，與陸上風(fēng)機(jī)連接類似，國內(nèi)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)較為豐富。

3.4.3 防撞方面

單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)在布置橡膠護(hù)舷及船只?？糠矫娑驾^為方便，系船設(shè)施布設(shè)靈活性也大。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的整體性較強(qiáng)，可以抵抗較大的撞擊力。

3.4.4 防腐蝕方面

單樁基礎(chǔ)及高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的樁基部分均采用了鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)型式，處于海洋條件下的鋼結(jié)構(gòu)在我國已形成較為成熟的防腐蝕處理措施和方法，一般施工單位均具有相當(dāng)?shù)氖┕そ?jīng)驗(yàn)。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的承臺(tái)部分主要涉及混凝土和鋼筋的防腐蝕，當(dāng)前海工工程中對于混凝土結(jié)構(gòu)的防腐蝕技術(shù)較為成熟，可滿足防腐蝕設(shè)計(jì)使用年限的相關(guān)要求。

3.4.5 經(jīng)濟(jì)性比較

各基礎(chǔ)方案工程量及造價(jià)估算見表5。造價(jià)估算參數(shù)參考現(xiàn)有國內(nèi)船機(jī)供應(yīng)情況及施工設(shè)備市場行情價(jià)格。從經(jīng)濟(jì)上考慮，現(xiàn)階段高樁承臺(tái)更具經(jīng)濟(jì)性。

表5 各基礎(chǔ)方案工程量及造價(jià)比較表（單臺(tái)）

3.4.6 比選結(jié)論

對于本工程，單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案均是較為合適、可行的技術(shù)方案。經(jīng)過以上技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工等比較，單樁基礎(chǔ)方案受力方式明確，連接形式簡單。在施工設(shè)備符合要求的情況下，單樁基礎(chǔ)的施工時(shí)間較短，可大幅度提高施工效率。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案的投資費(fèi)用較低，綜合考慮選擇高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)的推薦方案。

4 結(jié)論與建議

本文分析項(xiàng)目工程場址海域理論水深7 m～11 m，場區(qū)范圍內(nèi)海底表層土層力學(xué)性能較差，淺層的土層承載力和變形難以滿足結(jié)構(gòu)要求，且風(fēng)電場位于近海海域，淺部土層易受潮流沖刷。根據(jù)工程地質(zhì)條件和水文條件，本工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)不適合采用重力式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)，建議采用樁基礎(chǔ)。通過各種基礎(chǔ)型式適用性分析，因?qū)Ч芗芑A(chǔ)整體重量較大、工期較長，造價(jià)相對較高，不建議采用?，F(xiàn)階段選擇單樁基礎(chǔ)和高樁承臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和比較。通過承載力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形等計(jì)算分析，綜合對比分析單樁基礎(chǔ)和高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特性、施工的可行性、施工周期與成本、基礎(chǔ)的防撞保護(hù)、防腐蝕保護(hù)等等各個(gè)方面的因素，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案投資費(fèi)用較低，因此推薦高樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案作為本工程海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的推薦方案。