海上風電高樁承臺基礎封底結構受力特性研究

◎ 周震宇 中交路建海上工程有限公司

馬晟翔 中交上海港灣工程設計研究院有限公司

風能作為一種無污染的清潔能源越來越得到重視，自2018年后隨著國補政策的變化，海上風電進入井噴期，目前的高樁承臺結構應用范圍也從最初的江蘇地區擴展到福建、廣東等風能條件更好但是海況和地質環境更加惡劣的區域，高樁承臺在巖石地質上的應用最大挑戰來于嵌巖作業，這也催生了基于巖石地質上獨特的高樁承臺施工方法，目前嵌巖樁基礎高樁承臺均是樁基初打后實施承臺封底結構，該結構一方面作為承臺嵌巖期上部施工設備的底座，另一方面作為二期混凝土澆筑的封底存在，其厚度一般為80cm，但是目前封底結構在實施過程中問題仍然頻發，部分項目封底在二期澆筑或者嵌巖作業時即發生下沉破壞，封底結構一旦破壞，整個承臺將無法按原設計高程進行，將不得不拆除重新施工，對于窗口期特別緊張的區域而言，工期和經濟損失十分巨大。本文以福建平潭長江澳海上風電場工程高樁承臺封底結構為例，對封底結構各典型工況的受力進行分析，提出主要控制點以及受力改善措施。

1.擬建工程概況

福建平潭長江澳海上風電場工程位于平潭本島—海壇島東北長江澳海域，與海壇島相鄰，工程涉海面積13km2，場址內分布的暗礁或海島較多，海域水深區在20～25m之間。項目裝機規模為185MW，規劃布置37臺單機容量5.0MW的風電機組，布置220kV陸上升壓站一座，場內35kV海底電纜總長度為38km。該風場風機基礎均為6樁及8樁高樁承臺基礎。該區域地質面層以黏土為主，底部以全風化、中風化及微風化花崗巖為主，巖層面在-54m左右，高樁承臺樁基均需灌注嵌巖。根據工程場區專用波浪站為期1年的實測波浪資料進行統計分析。該站全年有效波高（Hs）平均值為1.09m，最大值為5.51m；最大波高（Hmax）最大值為8.48m；

風機基礎為高樁混凝土承臺結構，封底混凝土底面高程6.0m，頂面高程6.8m，直徑為16.4m，每個基礎設6根直徑為2.1m、斜率為5:1的鋼管樁。封底結構上嵌巖平臺采用兩層桁架結構，高度為2.0m，上層平臺為30m×30m，下層平臺為26m×26m。

2.嵌巖工況下封底受力特性分析

2.1 封底澆筑完成放置嵌巖平臺，鉆機作業

巖石基礎高樁承臺樁基實施與軟基最主要的差別是樁基分二次實施，首次實施至中風化或者微風化巖面處停止，澆筑封底混凝土，擱置海上嵌巖平臺，實施裝內鉆孔，下鋼筋籠灌注混凝土后完成嵌巖樁基施工，該工況封底混凝土板承擔了上部嵌巖平臺以及鉆機荷載。

采用有限元軟件ABAQUS，對嵌巖平臺進行三維有限元仿真分析，對平臺桁架采用三維梁系建模，對平臺板采用三維殼單元建模，網格尺寸為0.5m。嵌巖平臺頂部荷載布置以及有限元模型圖見圖1所示。

經分析，封底混凝土的最大拉應力為3.64MPa，處于履帶吊放置正下方平臺下層桿件與封底混凝土連接處，屬于局部應力集中，實際封底受力受到上部桁架嵌巖平臺擱置桿件布置的控制，封底板在此工況下的分析需要考慮封底混凝土鋼筋的抗拉作用以及鋼套箱底模和側模對封底混凝土的保護作用。

2.2 嵌巖完畢，封底板上澆筑實施二期混凝土

2.2.1 封底澆筑工況分析

封底混凝土強度驗算工況為澆筑上部結構混凝土且結構混凝土尚未有強度，作用荷載及荷載組合如下：

作用荷載：結構自重、結構混凝土重量

荷載組合：1.2×結構自重+1.5×結構混凝土重量

該工況下由于封底結構僅為80cm，封底結構的配筋以及與承臺樁基的連接構造是關鍵控制因素。采用有限元軟件ABAQUS，對嵌巖平臺進行三維有限元仿真分析，該模型下主要關注于封底混凝土板拉應力分布以及位移情況。經分析，封底混凝土的最大拉應力為4.2MPa，處于封底混凝土頂面與樁基連接處，屬于局部應力集中。從圖中可以看出，澆筑上部結構混凝土時整體位移不大，最大豎向位移為9.7mm，在封底混凝土中心處。基于該工況有限元分析成果，需要進一步分析封底混凝土裂縫控制及抗沉安全情況。

2.2.2 封底配筋分析

采用易工港口工程分析軟件對封底混凝土二期澆筑工況下進行補充配筋分析。加密區配筋要求上部為間距160mm，下部為100mm，通長區配筋要求為間距200mm。在該配置下，底板可以承受二期混凝土澆筑期上部壓力荷載同時保證裂縫控制在規范范圍內。目前封底結構的配筋主要為雙向網格式配筋以及三向角度配筋，從實際效果來看，雙向網格配筋更能符合板結構的雙向受力特性，該項目實際配筋上部加密區為間距150mm，下部為100mm，通常區間距為200mm，滿足受力要求。

3.封底混凝土抗沉措施研究

在對封底混凝土與樁的連接處理過程中，目前常采用的加強方式有在樁周布置一定數量的加強槽鋼以及在樁周布置一到兩層的厚環板。

在分析封底板承受二期混凝土受力時，采用ABAQUS有限元分析軟件來分析不同構造措施對封底混凝土受力特性的影響。采用的荷載工況與封底配筋工況相同。對平臺板采用三維殼單元建模，網格尺寸為0.5m。加強槽鋼采用梁單元，環板采用殼單元建立，對比結果如下：

圖1 嵌巖平臺布置及有限元計算模型

第一種樁周槽鋼加強情況，一期混凝土最大應力為4.1MPa，發生豎向位移為14mm。

第二種樁周布置兩層厚環板作用下，一期混凝土的最大應力為2.8MPa，豎向變形2.9mm。

對比樁周布置環板及槽鋼兩種形式，環板構造作用下混凝土的應力和變形能有效的降低，在封底抗沉效果方面更為優異，因此在考慮封底混凝土抗沉措施時，建議采用雙層環向板的措施來增加混凝土與樁之間的握裹力，從而增加封底結構抗沉力以及在復雜海況下抵抗施工期波浪浮托力的能力。

4.結語

對于巖石基礎上實施的高樁承臺結構而言，封底結構實際上是保證整個承臺嵌巖過程以及澆筑過程的最關鍵結構，在其設計及實施過程中有如下幾點建議：

（1）嵌巖樁基初打澆筑封底板后，由于上部嵌巖平臺及其荷載相對較大，封底板應在達到設計強度后方可擱置嵌巖平臺，避免混凝土未達到強度導致握裹力不夠導致封底板下沉。

（2）封底混凝土的配筋應根據實施機位二期混凝土的澆筑壓強進行控制，鑒于部分設計單位已將封底混凝土作為承臺結構的一部分使用，改部分的實際配筋還需要與風機荷載匹配。

（3）鋼管樁初打后，樁周設置抗震加強措施是必要的，先期環向槽鋼及環板措施均取得了良好的實際效果，從實施難度與效果綜合分析，推薦在封底結構高度范圍內樁周采用二層全環板的構造措施。

為響應國家碳中和的發展要求，海上風電必將保持快速發展的趨勢，而高樁承臺仍將作為不可替代的主要結構形式之一。隨著設計理念及施工技術的發展，對海洋環境下的高樁承臺封底結構的利用方式必將更加豐富，因此，對高樁承臺封底結構的分析研究是十分有意義的。