海上風電場項目單樁基礎設計后評估分析

熊必康，江海濤，冀 昊

(1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000；

2.水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

隨著全球氣候變化日益嚴峻，開發海上風能資源已成為全球沿海國家的共識。2019年全球海上風電新增裝機超過6 GW，單年新增裝機創歷史新高[1]。中國、英國與德國成為全球海上風電產業發展較快國家。截至2019年底，我國海上風電累計核準項目裝機容量3 123萬kW，海上風電并網容量居全球第3。

近些年國內學者對歐洲和中國海上風電的發展有所關注[2-4]，并且我國海上風電產業也取得了階段性成果，但仍面臨著海上風電相關標準體系不夠完善，海上風電機組研發和設計、海上風電機組基礎設計和施工關鍵技術不夠成熟等問題。根據國家能源局和國家海洋局關于印發《海上風電開發建設管理暫行辦法》的通知，新建項目投產一年后，由有資質的咨詢機構對項目進行后評估。通過對已建成并網的海上風電場工程開展后評估，總結項目投資、建設和運行中存在的問題和取得的經驗，提出優化建議，評估結果可為其他海上風電項目開發及設計提供借鑒和指導。

江蘇某海上風電場示范項目位于江蘇東側黃海海域，總裝機容量150 MW，于2016年投入運行。該項目水深超過10 m，離岸超過10 km，采用單樁基礎，同時建設了海上升壓站，是我國較早建設的典型海上風電場。開展海上風電場項目后評估，對促進我國海上風電建設，提高我國海上風電設計、施工安裝和運維技術水平，完善海上風電相關技術標準體系，指導未來“十四五”海上風電場建設具有重要意義。

1 項目概況

海上風電場項目位于江蘇省東側黃海海域，離岸約25 km，泥面高程在-3.3～-14.6 m之間(1985國家高程基準)，風電場形狀呈四邊形，涉海面積為26.2 km2，海域使用期限25年。風電場配套建設一座110 kV海上升壓站及一座陸上集控中心。場區風功率密度等級為3級，風能資源較豐富；風電場場區屬于熱帶氣旋影響區域，應要求風電機組具備有效的抗臺風性能。本工程所在海域受正規半日潮影響，實測最高潮位3.41 m，最低潮位-3.44 m，平均海平面0.01 m；工程采用的設計高水位為2.67 m，設計低水位為-2.51 m，極端高水位為5.13 m，極端低水位為-4.12 m。在本水域全年波高Hs為0.5～1.0 m的浪發生頻率全年最高，其次為小于0.5 m的浪，海域波浪較大。全年中較大的波浪在秋季、冬季發生較多。根據水文測驗資料統計，工程海域潮流特征為：大潮14條垂線的漲、落潮平均流速均為0.53 m/s；中潮漲、落潮平均流速分別為0.47 m/s和0.50 m/s，小潮漲、落潮平均流速分別為0.33 m/s和0.35 m/s；海域大潮流速明顯大于中、小潮流速，漲潮流速稍微小于落潮流速，各垂線的流速相差較小。風電場工程海域受兩大潮波系統輻合的影響程度較大，潮流動力相對復雜，且潮汐通道相互串通，水道之間存在著頻繁的水沙交換，侵蝕和堆積的過程仍不斷發生；風機基礎局部沖刷坑深度范圍為6.79～8.54 m，沖刷坑最大直徑范圍為14.42～17.32 m。

2 單樁基礎設計后評價

本工程共38個機位，均采用無過渡段連接的單樁基礎，典型設計方案見圖1，單樁基礎直徑為5.5～6.2 m。本文從單樁主體結構安全、整體動力特性、單樁基礎連接方案等對原設計方案進行全面評價。

圖1 單樁基礎結構示意

2.1 單樁主體結構分析評價

2.1.1 單樁靜力分析評價

基礎結構計算中首先確定極端工況和正常運行工況下風機荷載和環境荷載的最不利組合，驗算樁基的豎向承載力和樁身結構強度與穩定性，基礎泥面處的位移、沉降和基礎剛度等。

采用7號機位鉆孔的地質資料，施工圖階段中單樁底部直徑為6.2 m(初步設計方案為6.4 m)，塔筒底部法蘭盤高程為+14.0 m，本機位原始泥面高程為-12.3 m，考慮約6 m的沖刷深度，即沖刷后的泥面高程約為-18.3 m。從泥面到平臺部分分為2段：下段為變徑段，泥面(高程-12.3 m)處直徑6.2 m到變徑段頂部(高程+2 m)直徑5.5 m，壁厚70 mm；上段為直段，頂部(高程+14 m)鋼管直徑5.5 m，壁厚70 m。鋼管樁入土樁徑6.2 m，入土總長約55.7 m，泥面以下壁厚55～70 mm。

計算時的泥面高程均按天然泥面沖刷后的高程。結構計算時，管壁厚度按腐蝕后的厚度采用，單樁基礎采用通用海工有限元軟件計算分析。單樁基礎有限元計算模型如圖2所示，樁身結構強度計算結果如圖3所示，主要計算結果匯總見表1。計算結果表明該方案滿足結構設計相關要求。

表1 7號機位單樁基礎計算結果匯總

圖2 基礎方案有限元計算模型

圖3 有限元計算結果

從計算結果分析，單樁基礎各項指標均滿足規范要求。從目前的結果來看，風電機組基礎形式選擇合理，充分考慮了風電場的實際的地址條件，能夠滿足相關的要求。此項目樁基的最大UC值為0.407，符合設計要求，樁徑、壁厚還有一定的優化空間。

2.1.2 單樁基礎主體結構施工圖評價

本工程的7號風機機位單樁基礎采用無過渡單樁結構，鋼管樁采用DH36及DH36-Z35型鋼材，鋼材的質量應符合《船舶及海洋工程用結構鋼》[5]和《低合金高強度結構鋼》[6]等相關標準的規定，建議圖紙中說明單樁主體結構鋼板應采取正火一級探傷板。建議圖紙中說明每個機位的施工工藝，例如采用直接打入或“打-鉆-打…”方式，并說明首次的停錘標準等進行指導施工。

2.2 整機動力模態分析評價

2.2.1 整機動力模態分析

初設階段以有限元法對風電機組基礎及風電機組組成的整體系統，即葉片+輪轂+機艙+塔架+基礎+地基系統進行模態計算分析，如圖4所示，計算整體系統的多階模態，對照廠家提供的葉片轉動、塔筒自振頻率以及波浪頻率以確定發生系統發生共振的可能性。通過模態分析，評價基礎結構設計是否滿足海上風電機組動力特性的設計要求。風機輪轂中心距離基礎頂約73.16 m，即輪轂高度約87 m。為提高整機頻率，使得風機整機頻率位于0.28～0.35 Hz內，將風機塔筒剛度增大，最終確定風機塔筒底部直徑為5.5 m，所有基礎結構的整機頻率匯總見表2。根據計算結果可知，風電場整機頻率控制在0.294～0.31 Hz范圍內，滿足設計要求。

表2 風場各機位整機自振頻率(初步設計階段頻率)

圖4 風機基礎+上部風機模態分析有限元計算模型

2.2.2 整機動力模態分析評價

本工程風機廠家給出的結構整機頻率允許范圍為0.28～0.35 Hz?？紤]到風機運行期間，海床的整體運移、基礎沖刷、海生物的附著程度、風機的運行工況、鋼結構的腐蝕程度等均將影響風機整機頻率，因此對風電場區范圍內風機整機進行不同工況的頻率校核工作。本工程采用SACS軟件對單樁基礎進行頻率分析，計算得到7號機單樁整機頻率的前3階固有頻率如表3所示，對應的振型如圖5所示。設計基礎+塔筒+整機整體一階自振頻率為0.297 392 Hz，滿足廠家對頻率的要求。原設計方案7號機位整機頻率為初步設計階段計算結果，基礎直徑為6.5 m，本次計算以最終施工圖參考資料為準計算。

表3 結構前3階固有頻率

圖5 風機與單樁基礎前3階振型

2.3 單樁基礎連接方案評價

本工程的單樁基礎不同連接方案確定為淺水區幾臺風機基礎單樁以取消過渡段型式，深水區單樁基礎以灌漿連接方案。通過以下相應有限元分析，法蘭連接式單樁基礎與灌漿連接式單樁基礎得到的應力結果良好，滿足設計要求。

2.3.1 灌漿連接設計方案評價

2.3.1.1 灌漿材料

本工程鋼管樁結構中，鋼管樁與主導管插入段的連接通過灌漿連接，即在樁內側與主導管插入段外側之間的環形空間灌漿。該連接節點將受到結構自重、環境荷載和風機荷載等傳遞給樁基，是非常重要的過渡節點，必須保證更高的安全性。單樁基礎結構所采用的灌漿材料主要為高強水泥基灌漿材料以及高強灌漿材料，高強水泥基灌漿材料主要性能指標應滿足《水泥基灌漿材料應用技術規范》[7]的要求。

灌漿節點處受力形式復雜，存在軸向力與扭矩、彎矩與剪力等交叉作用。灌漿體通過與接觸體的粘結力和摩擦力來提供豎向支撐力，當設置抗剪鍵時，通過抗剪鍵的承擔作用來提供支撐力。灌漿材料除了滿足各項強度要求外，同時需要滿足基礎疲勞設計使用年限的要求。

2.3.1.2 灌漿體強度計算

灌漿體的強度決定了主導管與樁基連接節點的強度，應確保灌漿體的強度滿足承載能力極限狀態的要求。灌漿體所受到的荷載為由極端工況下波浪荷載、水流力、基礎風荷載、撞擊力和自重等荷載傳遞到主導管與樁基連接處的作用力。各主控環境荷載重現期為50年，荷載組合形式為基本組合。

根據DNVGL-ST-0126《Support structures for wind turbines》[8]要求，帶剪力鍵灌漿段承載能力滿足FV1Shk，d≤FV1Shkcap，d，pnom，d≤1.5MPa。灌漿體的強度驗算內容應根據節點受力模式來計算。在軸向力、彎矩、扭矩作用下，灌漿體豎向承載力計算結果如表4所示，經計算滿足要求。

表4 灌漿體豎向力與扭矩作用下的強度驗算結果

建立數值分析模型來模擬主導管、樁基和灌漿體，計算模型如圖6所示。

圖6 計算模型

如圖7所示，在設計荷載作用下，灌漿體材料的屈雷斯卡(Tresca)應力最大值為未超過其抗壓強度設計值，建議采用強度≥120 MPa的灌漿料。

圖7 灌漿體應力云圖

本工程設計計算按照灌漿長度9 m，并預留1 m的灌漿長度，灌漿段總設計長度為10 m。在歐洲多按照1.5D+2的經驗，+2是指灌漿段上、下部各預留1 m作為局部脫開、灌漿封堵或端部質量較差等因素的裕量，此灌漿長度富裕度較大，可適當減少灌漿強度，建議取值6～8 m。因為灌漿節點為非常關鍵節點，根據有限元分析建議灌漿節點的灌漿體的厚度考慮100～150 mm為宜。

2.3.2 法蘭連接設計方案評價

單樁基礎優點是結構簡單、施工快捷、性價比高。鋼管樁打樁垂直度可達到1%以內，而上部風機因正常運行的需要，對基礎水平度要求控制在1%左右，故一般通過設置過渡段進行二次調平，過渡段與鋼管樁之間通過高強灌漿材料連接。由于國外部分海上風機的單樁基礎灌漿料與過渡段之間出現脫空與豎向移位，存在一定的安全隱患。根據本工程竣工圖提供的圖紙，本工程采用采用的是結構簡單、施工快捷、性價比高的無過渡段單樁式海上風機基礎結構，取消灌漿連接過渡段，單樁式的鋼管樁和與之相連接的風機底節塔筒采用法蘭連接，鋼管樁的頂部設有基礎頂部法蘭，而在風機底節塔筒的底部設有底節塔筒法蘭，且兩法蘭通過螺栓和螺母相連接。此種連接方式可節省工程費用，連接牢固，消除灌漿料失效的風險，此種連接方式也是目前海上風電項目單樁基礎型式連接的主導的連接方式，就目前的已有的風機運行來看，效果良好，已具備較好的實際工程施工的應用經驗。本工程施工圖階段已經取消灌漿連接過渡段，鋼管樁和風機底節塔筒的連接方式已經采用無過渡段法蘭連接方式，此方案設計合理，可大幅度提高施工效率。

3 結 論

本次后評價根據初設報告的相關的資料以及施工圖階段的圖紙進行分析評價，通過對原有設計采用規范、設計計算結果與現行規范以及計算方法進行比較，可得如下結論：

(1)通過計算分析，單樁樁徑、壁厚以及樁長還有一定的優化空間；另外建議圖紙中說明每個機位的施工工藝，并說明首次的停錘標準等進行指導施工。

(2)單樁整機頻率滿足風機廠家給出的結構整機頻率允許范圍0.28～0.35 Hz之內。

(3)取消灌漿連接過渡段，鋼管樁和風機底節塔筒的連接方式采用無過渡段法蘭連接方式，此連接方案可大幅度提高施工效率，且效果良好。