波浪對海上風機打樁過程的影響分析

趙北辰，張永利

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001； 2. 中原工學院建筑工程學院，鄭州 451191)

0 引 言

與陸上風電相比，海上風電具有不占用土地、風能資源好、距離負荷中心近等優點，已成為多數國家競相開發的重點[1]。我國海上風電起步較晚，2009年東海大橋海上風電場一期并網，2010年正式發電，拉開了我國海上風電開發的序幕。在國家政策支持和技術進步的雙重推動下，2014年之后我國海上風電發展顯著加快，新增裝機增速維持在50%以上，2017年增速更是達到了97%。截止2017年底，我國海上風電裝機規模為2.79GW，截止2018年9月，國內在建的海上風電項目規模達到了6.4GW。需要明確的是，海上風電標桿上網電價仍高于陸上風電，顯著高于燃煤標桿電價，也就是說海上風電開發成本仍處于較高水平。在國家補貼政策逐漸退坡的情況下，如何維持海上風電穩定發展已是當前風電開發商需要解決的重點課題。風機機組及塔筒、風機基礎及施工安裝、海底電纜及敷設是海上風電造價成本的主要組成部分，占到總投資的80%以上，其中基礎部分占到總造價的15%以上。與陸上相比，海上風機所處的環境條件更為復雜，在海上風機設計和制造過程中，必須考慮海風、海流、波浪、海床條件、海底地震、海水腐蝕等因素的聯合作用。因此，海上風機基礎的設計和建造更為復雜，成本也相對較高，一般是陸上基礎成本的2-3倍[2]。如何在保證結構安全的前提下降低基礎費用是制約海上風電發展的瓶頸之一，因此，對于海上風機基礎設計與施工技術的研究具有重要的現實意義。

樁的可打入性分析就是指在某場地條件下所設計的樁，采用特定的施工設備和施工工藝進行沉樁的難易程度分析，在這過程中就包括對地基工程的地質條件、樁設計參數及對施工設備和施工工藝參數的研究[3-4]。在海上風電打樁可打入性研究方面，左文安、張華峰、元國凱、趙業彬、褚洪民等人應用GRLWEAP軟件開展了打樁動力分析[5-7]。GRLWEAP軟件是一款專業的打樁分析軟件，它是基于一維波動理論開發的有限元程序。目前現有的研究還沒有考慮波浪和水深的影響，基于此，文章開展了波浪對打樁過程的影響研究。首先引入打樁的動力學方程、土體本構模型及波浪對海床的作用力的計算方法，而后以Thornton Bank海上風電場為例，應用Plaxis軟件分析了不同波況下樁體打入的深度及土體超孔隙水壓力的積累和消散過程，分析中考慮了波浪壓力和摩阻力的影響，得到了一些有益的結論，可供施工管理人員和科研人員參考。

1 振動沉樁動力學模型

1.1 控制方程

打樁過程是個非常復雜的過程，涉及到幾何非線性、材料非線性和邊界非線性，而且是一個動力過程，其振動系統如圖1所示。振動錘對樁的沖擊力可描述為簡諧荷載的形式。

圖1 海洋環境下振動打樁系統示意圖

(1)

式中：F0/N為振動荷載的幅值；f/Hz為振動頻率，φ0為初始相位。

打樁荷載作用下，樁-土振動系統滿足如下動力平衡方程：

(2)

1.2 土體本構模型

實際巖土工程中的許多問題都可以歸結為求解一定偏微分方程(組)的初邊值問題，但要使這種問題的解切合實際，在很大程度上取決于土體特性本構模型的選擇[8-9]。飽和土體的實際動本構關系是極其復雜的，它在不同荷載條件、土性條件及排水條件下會表現出極不相同的動本構特性。文章采用硬化塑性模型(Hardening-Soil Model)。構造硬化模型的基本思想是三軸加載下豎向應變εz和偏應力q之間為雙曲關系，標準水三軸試驗會得到如下表示的曲線：

圖2 標準排水三軸試驗主加載下雙曲應力-應變關系

(3)

對于二維模型，偏應力可以按如下公式計算：

q=σz-σx

(4)

E50可采用下式計算：

(5)

(6)

式中：Rf為破壞比，一般可取為0.9。

2 波浪對海床的作用力

描述波浪運動的理論有很多，如艾里波理論、斯托克斯波理論、橢圓余弦波理論等，其中工程上應用最多的是艾里波理論，又稱作小振幅波理論，文章即采用小振幅波理論分析波浪對海床的作用力。根據小振幅波理論，波面形態為余弦或正弦曲線，若以平均水位(即靜水位)為計算面，η為離開靜水位的波面高程，則波面方程可表示為：

(7)

式中：η/m為波面高度；k/m-1為波數；ω/s-1為圓頻率；H/m為波高；x/m為波傳播方向上的位置點；c/(m/s)為波浪傳播速度；t/s為時間。

建立如圖3所示的坐標系，縱坐標z向上為正，海面處為0，橫坐標x向右為正。根據小振幅波理論，流體內部任一點(x,z)處，水質點運動的水平速度u和垂直速度w可分別表示為:

圖3 波浪對海床作用力的求解坐標系

(8)

(9)

式中：h為水深；T為波浪周期，其余參數同式(7)。由式(8)和(9)可得，某一瞬時波浪近底的水平速度u和垂直速度w分別為：

(10)

w=0

(11)

用波浪底部流速u來計算波浪對海床的剪切作用，海床床面切應力τ的公式為:

(12)

式中：fw為摩阻系數。

有限水深水面波動情況下，流場中某一點z處的壓力pz可以表示為：

pz=ρgηKp-ρgz

(13)

由圖3可知，海床面處z=-h，則波浪對海床面的壓力為：

(14)

將由式(12)和(14)所確定的荷載施加到圖1所示的作用系統中，就可以考慮打樁工況下波浪條件的影響。下面結合一案例來做詳細分析，探討波浪的影響。

3 案例分析

3.1 工程簡介

Thornton Bank海上風電場是比利時第一個海上風電場，也是世界上第一個使用重力式基礎的海上風電場[10]。該風電場位于比利時海岸線以北30km處，水深約17-23m，由比利時C-Power集團承建，DEME公司為該項目提供技術支持。總規劃為60臺風電機5MW，共計300MW的裝機容量，總投資額預計超過8.5億歐元，預計年產電量為100GWh，可以滿足60萬人的家用電量。根據勘察報告，海洋環境條件如表1所示，海床土體參數如表2所示。

3.2 數值分析

應用Plaxis軟件進行動力分析，采用二維軸對稱有限元模型來模擬打樁過程。海上風機單樁基礎多為大直徑鋼管樁，文章分析采用樁直徑為3.5m，壁厚62mm。建模分析中將海床簡化為兩層土體，其參數分別取第5層和第6層的土體參數，土層厚度分別取10m和15m。假定計算開始時，樁體埋入土中10m，有2m在海床面以上，即：樁體將穿過砂質黏土層進入粉質細砂層。樁體采用線彈性模型來模擬，土體采用2.2節所述的硬化模型來模擬。所建立的有限元模型如圖4所示，在模型右側和底部采用了吸收邊界，避免打樁產生的振動波在邊界處的反射。

表1 海洋環境參數

表2 土體參數

續表2 土體參數

圖4 有限元模型

波浪產生的波壓力和摩阻力以靜力荷載的形式施加于土體上邊界。打樁振動荷載用式(1)計算，其中F0取為6000kN，f為50Hz，荷載作用時間為0.01s。在施加完半個正弦波荷載之后動力荷載變為零，再進行0.59s的動力分析，使土體完成自由振動。計算范圍取為62m×25m(長×高)。取三種波況開展分析，波高分別為1m、3m和6.32m，其它參數參考表1取值。

圖5為不同波高工況下一次樁頂的沉降-時間曲線，從圖中可以看出，樁進入砂土層主要是在錘擊之后，最大位移發生在0.11s，約為64mm；之后，樁向上回彈。另外，圖5也顯示，錘擊力作用的瞬間，樁向下產生的位移幾乎是相同的，但是在錘擊力結束之后，樁向上回彈的速率和回彈量跟波高有關，波高越大，回彈速度越慢，回彈量越小，也越早能達到穩定。這說明，波高的增長會阻止樁體的回彈，有助于打樁的進行。圖6為波高1m工況下打樁中土體的超孔隙水壓力分布。圖6表明：在鋼管樁打入土體的過程中，樁側土體將產生超孔隙水壓力；在樁尖和樁頂附近位置，超孔隙水壓力積累速度較快，顯著高于其它位置。圖7為不同波況下樁尖處超孔隙水壓力隨時間的變化曲線。圖7表明，超孔隙水壓力要滯后于錘擊力的作用，即錘擊力撤除后一段時間，超孔隙水壓力還在增長，而后才逐步消散，0.6s后趨于穩定；受波浪影響，超孔隙水壓力不會變為0。

圖5 樁頂的沉降-時間曲線

圖6 超孔隙水壓力的分布

圖7 樁尖處土體超孔隙水壓力積累-消散曲線

根據土力學有效應力原理，超孔隙水壓力的消散將轉化為有效應力的增長，樁周土的側阻力和樁尖土的端阻力將增大，也將導致打樁難度的增大。從這個角度出發，波浪的存在會阻礙超孔隙水壓力的消散，有助于后續打樁的進行，圖5和圖7的結論是一致的。考慮到波高越大，施工船只越不穩定，在大波浪下開展打樁作業存在操作的難度。但是從圖7也可以看出，不同波況下，超孔隙水壓力的積累和消散過程基本一致。因此，可以得出如下結論：可以在波高較小的情況下開展打樁作業，波浪的存在對打樁是有利的。

4 結 論

海上風電的持續穩定發展依賴于技術的創新和進步，不斷降低基礎建造成本是其中一個重要的研發方向。現有的研究還沒有充分考慮海洋環境各要素的影響，如波浪、水流、水深等。文章選擇了波浪這一主要因素開展了其對打樁過程的影響分析，分析中同時考慮了波浪壓力和摩阻力的影響。綜合分析結果，文章建議：可以在波高較小的情況下開展打樁作業，波浪的存在對打樁是有利的。