沖刷深度對海上風電復合筒型基礎結構安全性的影響分析

李 濤，沈侃敏，郇彩云，俞 劍

(1.浙江省深遠海風電技術研究重點實驗室，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

0 引 言

海上風力發電機組復合筒型基礎是一種通過抽出筒內水和氣形成的內外壓差使筒體插入海床的海上風機基礎結構，由預應力混凝土過渡段、混凝土底板和寬淺型鋼筒體組成，具有自重大、入土淺的特點。復合筒型基礎下部寬淺型鋼筒體插入海床土體，提供承載力，鋼筒體直徑一般為30～36 m；上部預應力混凝土過渡段部分和混凝土底板浸入海水中，承受海流、波浪、海生物生長等長期海洋環境作用；預應力混凝土過渡段頂部通過高強螺栓與風機塔筒相連。復合筒型基礎的施工包括陸上建造、風機吊裝調試、整機運輸、一步式安裝4個主要工序。筒型基礎在基地工廠完成陸上建造；檢驗合格并具備下水條件后，采用龍門吊將筒型基礎吊入港池中，接著將筒型基礎綁扎在運輸安裝船上；船筒綁扎完成后在碼頭前進行風機吊裝以及整機調試；通過運輸安裝船將復合筒型基礎和風電機組(整機)運輸至風電場安裝位置；最后筒型基礎在整機自重以及負壓的作用下插入海床中，完成整機一步式安裝。

海上風電常用的樁基礎陸上制造簡單，但海上施工工序較多，需要在海上依次進行沉樁、附屬構件安裝和風機吊裝。復合筒型基礎可以進行海上整機一步式安裝，基礎建造、風機吊裝與整機調試等均在陸上完成。相對于樁基礎而言，復合筒型基礎及一步式安裝技術可降低單臺風機基礎建造成本以及縮短建設周期，具有安全、高效、經濟、環保等優勢。目前復合筒型基礎已成功運用于實際工程項目，三峽響水近海風電場項目已建成2臺3 MW風機復合筒型基礎，筒徑為30 m，筒高為12 m。三峽新能源江蘇大豐海上風電項目已建成11臺3.3 MW和2臺6.45 MW風機復合筒型基礎，筒徑為32～36 m，筒高為10～13 m。

復合筒型基礎施工完成后，會在海中形成阻水結構物，引起基礎周圍海流的流速增大和流向改變。這些改變將打破基礎周圍泥沙原有的平衡狀態，形成沖刷坑。復合筒型基礎屬于淺基礎，沖刷對基礎結構安全性有較大的影響。因此有必要研究沖刷深度對復合筒形基礎結構安全性的影響分析。

由于復合筒型基礎為海上風電工程中較為新型的基礎型式，目前，國內外僅有少量學者研究了復合筒型基礎的局部沖刷特性。史忠強[1]通過開展復合筒型基礎局部沖刷模型試驗，同時利用有限元軟件建立三維數值水槽，研究了復合筒型基礎的三維水流特性及基礎周圍切應力分布規律。研究表明，往復流下筒型基礎后方沖刷最為嚴重，形成2個基本對稱的沖刷坑，現場最大沖刷深度為2.8 m；基礎周圍床面最大切應力位于復合筒型基礎的后方，前方的床面切應力最小，兩側次之。于通順等[2]針對某工程實例建設了沖刷試驗場地，通過開展1∶20、1∶40、1∶70三種比尺的復合筒型基礎沖刷室內模型試驗，分析了基礎周圍沖刷坑范圍、深度，給出了實際工程復合筒型基礎最大沖刷深度為3.5 m，并明確了單向流作用下復合筒型基礎周圍地基局部沖刷特性。陸羅觀等[3]研究了單側地基土體受沖刷后筒型基礎的豎向承載力變化，并引進沖刷率概念。沖刷率Sd=(Df1-Df2)/Df1，其中，Df1、Df2分別為未受沖刷側和受沖刷側筒型基礎的埋深。研究表明，隨著沖刷率增大，筒型基礎的豎向承載力出現不同程度下降，當沖刷率為0.8時，即單側沖刷深度為6.4 m時，筒型基礎的豎向承載力下降3.28%。

在海上風電工程基礎設計時，通常需要分析環境荷載作用下的基礎變形、極限抗傾覆承載力和結構應力。為了避免機組運行時發生共振，還需分析整機結構(包括地基、基礎、塔筒以及風電機組)的固有頻率。然而目前已有研究成果中尚未見報道關于沖刷深度對復合筒型基礎的變形、結構應力、整機固有頻率等的影響。因為，本文通過開展數值模擬，研究沖刷深度對復合筒型基礎結構安全性的影響，包括對基礎變形和結構應力、基礎極限抗傾覆承載力、整機固有頻率的影響，為海上風電復合筒型基礎工程設計提供參考。

1 數值模擬

本文研究的復合筒型基礎模型如圖1所示，模型由預應力混凝土過渡段、混凝土底板和鋼筒體組成。模型尺寸為某工程復合筒型基礎的原型尺寸，鋼筒體筒徑36 m、筒高10 m；混凝土底板結構為梁板結構，高1.5 m、直徑36 m；預應力混凝土過渡段為薄壁結構，高24.5 m、直徑7.6～24 m、壁厚600～850 mm。復合筒型基礎靜力加載模型如圖2所示，彎矩荷載施加在基礎頂部。為了避免邊界效應，地基模型直徑為6倍筒徑，深度為6倍筒高，地基底面施加固定約束，側面施加法向和徑向位移約束。

圖1 復合筒型基礎結構

圖2 復合筒型基礎靜力加載數值模型

數值模擬土體為粉質粘土，土體不排水抗剪強度Su=40 kPa，飽和容重為18.4 kN/m3，彈性模量為14 MPa，泊松比取0.49。土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構模型，土體與基礎之間設置接觸，摩擦系數取0.3，法向采用硬接觸。鋼筒體采用線彈性本構模型，鋼筒體密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.27。預應力混凝土過渡段和混凝土底板采用線彈性本構模型，混凝土密度為2 500 kg/m3，彈性模量為36 GPa，泊松比取0.2。

為分析整機結構固有頻率，需建立整機模型，如圖3所示。機艙與塔筒的參數采用某實際工程數據，風電機組容量為6.45 MW，風機輪轂高度為106.5 m。機艙、法蘭以及附件質量以質量點的形式建立在模型中；塔筒為鋼結構，本構模型與鋼筒體相同。

圖3 整機結構模型

2 數值模擬結果分析

2.1 沖刷深度對基礎變形的影響

在風和波浪等環境荷載作用下風電機組基礎將發生變形，若基礎變形過大則會影響風電機組的正常服役性能甚至導致其失效破壞。NB/T 10105—2018《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》中要求基礎頂位置整個運行期內循環累積總傾角不應超過0.50°[4]。施工誤差一般要求控制在0.25°以內。因此，環境荷載作用下基礎頂轉角不應超過0.25°，基礎變形是工程設計中重點關注的方面。

在基礎頂部施加彎矩荷載M，本文分別計算了沖刷深度ds為0、1、2、3、4 m時基礎頂的變形，其中沖刷深度ds是指基礎周圍沖刷的土體厚度，數值模型如圖4所示。不同沖刷深度下，基礎頂M-θ曲線如圖5所示，由圖5可知，隨著沖刷深度的增大，在相同外界荷載作用下，基礎頂轉角也隨之增大，且外界荷載越大，不同沖刷深度之間的基礎頂轉角相差越大，說明基礎變形對沖刷深度越敏感。

圖4 不同沖刷深度下復合筒型基礎數值模型

圖5 不同沖刷深度下基礎頂的M- θ曲線

當基礎頂所受彎矩M=389×106N·m時，不同沖刷深度下的基礎頂轉角如圖6所示。由圖6可知，基礎頂轉角隨沖刷深度的增大基本呈線性增加，當沖刷深度為4 m時，相對于未沖刷時，基礎頂轉角增加11.7%。此外，沖刷深度的增加將使基礎的阻水面積增加，引起基礎所受的波流荷載增加，進而使基礎頂轉角進一步增加，本文研究未考慮此部分的影響。

圖6 不同沖刷深度下的基礎頂轉角

2.2 沖刷深度對基礎抗傾覆承載力的影響

淺基礎抗傾覆承載力是工程設計中重點計算內容之一。由圖5可知，基礎頂M-θ散點連線呈雙曲線形式，可采用式(1)擬合不同沖刷深度下的M-θ曲線，即

(1)

式中，a、b為常數，其中a為基礎的極限抗傾覆承載力Mu。

結合圖6，通過擬合得到的極限抗傾覆承載力如圖7所示，由圖7可知，隨著沖刷深度的增加，極限抗傾覆承載力逐漸下降。當沖刷深度為4 m時，基礎極限抗傾覆承載力降低23.2%。

圖7 不同沖刷深度下的極限抗傾覆承載力

2.3 沖刷深度對筒體結構應力的影響

經數值模擬計算，當未沖刷且基礎頂所受彎矩M=389×106N·m時，筒體結構上最大Mises應力為114.5 MPa，如圖8所示。不同沖刷深度下的筒體結構應力如圖9所示。由圖9可知，隨著沖刷深度的增加，筒體結構最大應力逐漸增大，且趨于平穩。當沖刷深度為4 m時，筒體結構最大應力由114.5 MPa增加至118.7 MPa，僅增加3.7%。因此，相比于基礎變形和極限抗傾覆承載力，筒體結構應力受沖刷深度的影響較小。

圖8 筒體結構應力云圖(M=389×106 N·m)

圖9 不同沖刷深度下的筒體結構最大應力

2.4 沖刷深度對整機結構固有頻率的影響

為了避免風電機組全壽命周期發生共振，應建立包含風電機組、塔筒、基礎和地基的整體模型(整機結構模型)，計算分析整機結構的固有頻率，使其遠離控制性動力荷載的主頻。當基礎未沖刷時，整機結構的第一階模態和第二階模態如圖10所示。在實際工程中結構的第一階、第二階固有頻率是影響安全的主要因素[5]，故本文主要關注第一階固有頻率。通過計算獲得不同沖刷深度下的整機結構第一階固有頻率，如圖11所示。由圖11可知，隨著沖刷深度的增加，整機結構的第一階固有頻率逐漸降低，且降低幅度逐漸增大。當沖刷深度為4 m時，第一階固有頻率降低1.9%。由此可見，復合筒型基礎的整機結構固有頻率受沖刷深度影響相對較小。

圖10 整機結構模態

圖11 整機結構第一階固有頻率

3 結論與建議

本文結合實際工程復合筒型基礎結構，開展了海上風電復合筒型基礎數值模擬，研究了沖刷深度對基礎變形、基礎極限抗傾覆承載力、結構應力和整機固有頻率的影響，得到以下結論：

(1)隨著沖刷深度的增加，基礎變形逐漸增加。外界荷載越大，基礎變形對沖刷深度越敏感。當荷載M=389×106N·m時，基礎周圍土體沖刷4 m后，基礎頂轉角增加11.7%。

(2)基礎M-θ曲線呈雙曲線形式，通過采用雙曲線公式擬合獲得基礎的極限抗傾覆承載力。隨著沖刷深度的增加，極限抗傾覆承載力逐漸下降。當沖刷深度為4 m時，基礎極限抗傾覆承載力降低23.2%。

(3)隨著沖刷深度的增加，筒體結構最大應力逐漸增大，且趨于平穩。相比于基礎變形和極限抗傾覆承載力，筒體結構應力受沖刷深度的影響相對較小。

(4)隨著沖刷深度的增加，整機結構的第一階固有頻率逐漸降低，而降低幅度逐漸增大。相比于基礎變形、極限抗傾覆承載力和結構應力，復合筒型基礎的整機結構固有頻率受沖刷深度影響相對較小。