海上升壓站平移安裝過程中高樁承臺基礎穩定性數值分析

周茂強，陳 前，陳金鐘

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311102；3.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

當前，我國積極發展海上風電項目，根據《風電發展“十三五”規劃》預計在2020年能實現1 000萬kW的目標。海上風電機組往往離岸距離較遠，因此需要建設海上升壓站將海上風力發電機的電能的電壓提升至常規的110 kV或220 kV，再經海纜傳輸到近岸變電站，接入當地電網[1]。當前，海上風電建設廣泛采用高樁承臺式海上升壓站，不少學者針對高樁承臺的承載性能展開了大量的研究[2-9]。高樁承臺式海上升壓站由混凝土承臺、鋼管群樁和上部組塊組成，適用于地質條件好，離岸近、水深淺的近海區域。目前，3 000 t級海上升壓站上部組塊的安裝主要采用吊裝方式。然而，針對目前海上風電施工資源緊張的形勢，中國電建集團華東院勘測設計研究院有限公司(以下簡稱“華東院”)研究團隊首次設計出適用于淺近海海上升壓站上部組塊平移安裝方式。2019年11月26日，江蘇省(H2)300 MW海上風電項目220 kV/200 MW海上升壓站成功平移安裝，是全球首例在海上風電場采用平移方式安裝的大型升壓站平臺。當前海上升壓站上部組塊平移式安裝方法剛剛起步，安裝過程中的高樁承臺的沉降現場實測數據相當匱乏。因此，本文采用ABAQUS數值模擬方法，以江蘇輻射沙洲風電工程中的某海上升壓站為研究對象， 開展升壓站上部組塊平移過程中高樁承臺承載性能的數值模擬研究，對海上升壓站上部組塊施工建設具有參考意義。

1 項目概況

江蘇竹根沙(H2號)300 MW海上風電項目位于江蘇省竹根沙海域，場區高程-13～2.8 m，海底地形變化平緩，場區形狀呈不規則多邊形，東西長約21 km，南北寬約6 km，風電場規劃面積37 km2，規劃容量300 MW。

1.1 海上升壓站概況

風電場配套建設一座220 kV海上升壓變電站，升壓站設置整個風電場區的中心位置。該工程海上升壓站設計等級為1級。海上升壓站包括下部基礎結構和上部組塊兩部分。下部結構包括鋼樁及基礎承臺結構，上部組塊完成建造與安裝調試后，整體運輸至海上完成安裝工作。

1.2 高樁承臺基礎概況

該風電場的高樁承臺基礎擬采用20根直徑1.5～2.0 m的鋼管樁，鋼管樁采用直樁與斜樁結合，材質為Q355C，均按摩擦樁設計。承臺為八邊形，長36.0 m，寬23.0 m，厚度3.0 m；承臺下部采用4根直徑為2.0 m，壁厚30 mm的鋼管直樁；4根直徑為1.5 m，壁厚30 mm的鋼管直樁和12根直徑為1.5 m，壁厚30 mm的鋼管樁以1∶5的斜度布置在承臺上，如圖1所示。

圖1 高樁承臺示意

2 升壓站上部組塊平移方案

華東院首次設計出適用于潮間帶、淺近海海上升壓站上部組塊平移安裝方式。升壓站上部組塊平移方案如下：先用液壓移動小車將升壓站上部組塊(總重約3 603.2 t)橫滾至碼頭前平臺；待施工船與碼頭前平臺軌道對接完成后直接入駁至施工船；移動小車卸載后托盤坐落于施工船甲板面，對升壓站進行綁扎加固；拖輪將升壓站上部組塊拖至施工現場。與碼頭前平臺滑道軌道對接后，船體軌道調壓至碼頭軌道平臺，由橫移小車直接將升壓站上部組塊橫滾至施工船指定地點，小車同時緩緩下落，上部組塊放置在提前準備好的工裝上。升壓站上部組塊平移方案實施步驟中高樁承臺受力，如表1所示。

表1 升壓站上部組塊平移方案實施步驟

3 高樁承臺承載力計算數值分析

3.1 ABAQUS數值模型

采用ABAQUS軟件建立高樁承臺數值模型，鋼管樁采用C3D8R單元進行建模，考慮為彈性樁，樁徑為2 m和1.5 m，形式有直樁和1∶5斜樁。土體采用EC3D8R單元進行建模，考慮為彈塑性體，采用Mohr-Coulomb本構模型。樁土接觸采用通用接觸，接觸屬性為法向線性接觸，切向則通過“罰”函數來賦予相應的摩擦系數。承臺采用C3D8R單元進行建模，單元尺寸為1 m，材料為C45混凝土，并假設承臺彈性、無裂縫。模型的底部采用全約束，即限制坐標軸3個方向的位移，四周采用垂直于邊界面的法向位移約束，對稱面給予垂直于該面的法向位移約束，而土體頂面則設置為自由面，無約束。高樁承臺樁基數值模型見圖2。

圖2 高樁承臺樁基數值模型

3.2 模型計算參數選取

該工程位于竹根沙海域，屬濱海相沉積地貌單元，海底灘面地形高程由南向北逐漸降低，場區高程-13.0～2.8 m，升壓站周邊高程8.0 m，場區內地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主。本文試驗采用已有現場試樁試驗時所測量的地層分布及土體物理力學參數數據，通過對初始模型進行單樁豎向荷載-位移的數值模擬計算，反復試算比較數值模擬結果與實際測量值，對數值模擬參數進行優化調整，得到的樁和土體的試驗參數，見表2。

表2 地層物理力學參數

4 數值模擬結果

4.1 承臺及樁身應力分析

對承臺結構進行受力分析，最大等效應力出現在承臺下表面與斜樁連接附近，最大拉應力為3.11 MPa，發生于工況1；最大壓應力8.02 MPa，發生于工況2。承臺底部Mises應力見圖3，承臺與樁相連接的部分具有明顯的應力增大現象。

樁身Mises應力見圖4。樁身最大等效應力為8.40 MPa，發生于工況4，滿足設計要求。樁身下部應力較小，應力主要集中在各樁的中上部，這是由于泥面以下樁身受到摩擦力及土體抗力作用，減小了樁身受力。

4.2 承臺沉降計算

升壓站上部組塊平移過程中高樁承臺沉降量變化，如圖5所示。隨著升壓站逐漸向高樁承臺平移，中心點B的沉降量逐漸增大，從2.42 mm增加到7.03 mm；左端A點的沉降量先增大后減小，在工況2達到最大，為13.01 mm，隨后逐漸減小，最終沉降量為9.03 mm；右端C點的沉降先減小后增大，在工況2達到最小，為0.58 mm，隨后逐漸增大，最終沉降量為9.01 mm。由此可見，工況2高樁承臺兩側不均勻沉降最大，為12.43 mm，為最危險工況，在實際安裝施工過程中，應注意監測承臺不均勻沉降情況。當完成平移后，B點沉降量為7.04 mm，約是工況1沉降量的3倍，此時高樁承臺兩側沉降基本相等，約為9.00 mm。沉降量中間小，兩側大，不均勻沉降最小，約為2.00 mm。整個施工安裝過程中，由于升壓站上部組塊荷載所導致的承臺不均勻沉降在2～13 mm之間。

5 結 論

采用ABAQUS數值模擬方法，開展江蘇岸外輻射沙洲區域某海上升壓站上部組塊平移安裝過程中高樁承臺沉降和群樁受力分析，得到了以下主要結論：

(1)在海上升壓站上部組塊平移安裝過程中，當上部組塊移動到高樁承臺1/2處，承臺的兩側的不均勻沉降達12.43 mm，為最危險工況，在實際安裝施工過程中，應監測承臺不均勻沉降的情況。整個施工安裝過程中，由于升壓站上部組塊荷載所導致的承臺不均勻沉降在2～13 mm之間。

(2)承臺下表面與斜樁相連接附近，最大等效應力出現在承臺下表面與斜樁連接附近，最大拉應力為3.11 MPa，發生于工況1；最大壓應力8.02 MPa，發生于工況2。樁身最大等效應力為8.40 MPa，發生于工況4，樁身應力主要集中在各樁身上部，泥面以下樁身由于受到土體的摩擦力及土體抗力作用，所受應力迅速減小。