渤海区域海上风电场风机基础设计探讨
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[摘 要]海上风电机组基础建设的技术难度大、经济成本高，如何结合中国国情对海上风电机组基础进行合理选型和优化设计是我国发展海上风电需迫切解决的关键技术问题。本文针对海上风机基础设计的一系列问题进行了认真分析和梳理，为海上风机基础结构设计提供依据。
[关键词]基础选型；关键技术；差异化；力学分析
中图分类号：U655.54 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0389-02
1 前言
由于海上风电具有风功率密度大、湍流小，可利用时间长、距离负荷中心近等特点，在可再生能源中已越来越受到国家重视，大力开发利用近海风能，对改善我国的能源结构、节约土地及实现经济和社会的可持续发展具有重要意义。
海床地质条件较陆地复杂，基础施工也更为困难。然而同陆地相比，海上风电机组基础的设计和施工技术水平远落后于国外发达国家，同时我国也缺乏相关大型、特种基础施工设备，如何结合中国国情对风电机组基础进行选型和合理设计并显著降低其工程造价是我国发展海上风电需迫切解决的关键技术问题。
2 海上风电机组基础型式
目前，国内外常见海上风电机组基础型式主要有重力式浅基础、超大直径单桩基础、吸力式桶形基础、三角架基础、多桶基础、群桩高承台基础等，其中超大直径单桩基础、三角架基础和重力式浅基础施工需要大型打桩船舶、海上专用吊运船舶等，施工费用昂贵，而群桩基础设计相对较简单、施工技术要求较低。
我国渤海近海区域水深较浅，大部分海域为淤泥质软基海底，冲刷现象较为严重，且冬季有冰荷载的作用，海上风电机组基础不宜采用重力式和负压桶式基础，支柱固定式、单桩及高桩承台等桩式结构在海床活动区域和海底冲刷区域具有明显的优势。
单桩结构对于渤海水深和地质条件是较为合理的基础结构形式，但我国目前的海上施工能力限制了该结构的应用。依据我国目前国情，且海上结构基础的设计和施工经验不足，未来一段时间内我国海上大型风电机组基础型式仍会以群桩高承台基础型式为主。
4 海上风电机组基础设计与选型关键问题解决方案
4.1 海洋环境荷载
（1）波浪与水流荷载
海上风机基础多采用桩式基础，其截面形状一般为圆形。当桩直径D与波长相比很小（D/L≤0.2）时，波浪场将基本上不受桩柱存在的影响而传播，波浪力和波流力计算均可采用莫里森方程。根据海上风机基础的特点和近海波浪要素，线性波浪理论、stokes五阶波浪理论适用大部分工程计算。
利用线性波理论计算波浪对桩基和墩柱建筑物的作用可采用《海港水文规范》（JTJ213-1998）第8.3节的推荐做法计算作用在桩基上波浪力及波浪力矩；当综合考虑波浪及水流作用时，可利用规范第6.3节计算波浪在水流作用下的变形后再利用上述推荐做法计算作用在桩基上的波流力及波流力矩。
stokes五阶波是以小参数的幂级数表示波浪运动的基本方程，小参数和波长由波高定义式及色散关系建立关系式，参数和波长的计算用最速下降法解非线性方程组求得。作用在桩基上的波浪力及波浪力矩可利用莫里森方程分段求和。
作用于桩基上的水流荷载可按《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）的13节进行计算并综合考虑遮流影响、淹没深度影响、水深影响、桩间横向影响及斜向水流影响等。
（2）冰荷载
我国渤海区域每年都会有不同程度的冰情，其中辽东湾冰情最严重。冰荷载主要分为两种：一种是作用在结构上的最大静冰力；另一种是作用在结构上的交变的冰荷载，而交变的冰荷载可以引起结构的震动。对于受冰荷载影响的宽大结构通常只需要考虑最大冰力，静冰力荷载可根据《中国海海冰条件及应用规定》（Q/HSn3000-2002）及《浅海钢制固定平台设计与建造技术规范》（SY/T4094-95）计算，而对于导管架基础的较窄结构，有必要采用强迫振动模型和自激振动模型进行动冰力分析，导管架结构受冰激振动的频率应避开风机机舱运行的振动频率。
4.2 桩土相互作用
我国《建筑桩基规范》采用线性的“m”法来考虑桩基在承受较大水平荷载作用时桩―土间的横向约束，并采用一个确定的侧摩阻力标准值、端阻力标准值来考虑桩―土间的竖向约束。此方法在分析桩基发生较大水平位移时（超过10mm）误差较大且没有考虑土体变形的非线性特点。推荐采用《海上固定平台规划、设计和推荐作法 工作应力设计法》（SY/T10030-2004）中的“p-y”曲线法来模拟桩―土间的横向相互作用可以更准确的描述基础与地基间的非线性横向约束，采用考虑了桩端位移对侧阻及端阻影响的“t-z”、“Q-z”曲线来模拟地基对桩的非线性竖向约束。
4.3 承载力及变形
（1）承载力计算
对海上风机基础设计可采用设计应力法和允许应力法。前者可根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的规定进行设计计算，是基于建筑可靠度基础上的概率极限状态设计方法，考虑到材料强度的不确定性，以概率的方法确定他们的取值，以经验确定分项系数。而后者可根据《海上固定平台规划、设计和推荐作法 工作应力设计法》（SY/T10030-2004）、《浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范》（SY/T4094-95）及《DESIGN OF OFFSHORE TURBINE STRUCTURE-DNV》进行设计计算，其特点是把钢材可以使用的最大强度，除以一个安全系数，作为结构计算时允许的最大应力，即采用一个定值的安全系数来衡量结构的安全性，其计算简单但不能从定量上度量结构的可靠度，更不能使各类结构的安全度达到同一水平。为保证海上风机基础设计计算的准确性，应分别根据上述四本规范进行设计计算，对比分析结果以得到更准确的数据。
（2）变形控制
海上风机基础结构设计不仅要考虑材料强度问题，还要考虑结构自身的刚度，使结构在保证材料不破坏的前提下不产生影响风机等设备运行的变形。国内外尚没有针对海上风机基础变形控制的统一要求，其沉降及倾斜率控制指标可参考陆上《风力发电机组塔架地基基础设计技术规定》（FD003-2007）》执行，并需要满足设备厂商对基础最小水平刚度、最小抗倾覆的刚度要求。
4.4 动力特性
海上风机基础结构的振动响应分析可利用大型通用型有限元软件Ansys建立桩-土-基础-上部结构的统一分析模型，桩土的相互作用采用前文所述的“p-y”、“t-z”及“Q-z”曲线进行模拟，采用beam188变截面梁单元模拟风机塔架，采用mass21质量块单元模拟塔顶风机机组和叶轮，采用solid45单元模拟混凝土结构，采用beam188环形截面梁模拟管桩，采用combine39模拟桩土相互作用的非线性弹簧和阻尼。对于整个模型的自振分析，使其前10阶振型的频率避开风机的1P与3P频率带，达到“软-刚”（soft-stiff）设计的目的。
4.5 疲劳分析
由于海上风机基础结构在波浪和风机动力循环荷载作用下，管节点处的应力集中现象严重影响了接头的疲劳寿命，管节点的疲劳分析是海上风机基础结构设计的重要环节。
海上风机基础钢结构的疲劳分析推荐采用《海上钢结构疲劳强度分析推荐作法》（SY/T10049-2004）中的方法进行，该方法明确提出了海上风机基础钢结构在空气中及在有阴极保护条件下的管状节点的S-N曲线，而S-N数据是通过对所考虑的焊接细部进行疲劳试验得出的。
4.6 冲刷分析
我国海洋工程较常用的冲刷计算一般采用韩海骞公式和王汝凯公式，前者仅考虑潮流作用引起的冲刷，而后者考虑了波流共同作用。在实际工程应用中可利用《海港水文规范》计算给定波浪水质点的平均水平速度，将其与潮流速度进行叠加，得到合理的波流合成速度后再利用韩海骞公式进行冲刷计算。
由于海洋环境复，冲刷深度计算时应适当留有余度，基桩周围应采取经济有效的防冲刷处理。对海洋水文资料缺乏、海床冲刷、侵蚀严重的区域，必要时应通过水力学模型实验确定冲刷、侵蚀范围和深度，确定相应的防冲刷、防侵蚀措施。
5 海上风机基础差异化设计
5.1 “随机应变”
海上风电场风力发电机组单机容量较大，且同一风电场区域可能采用不同单机容量的风机，即使同一机型不同机位处的水深、岩土地质、海洋环境也不尽相同，若采用统一的风机基础方案，会造成投资浪费或无法实施。风机基础型式应根据不同的设计条件进行差异化设计。
5.2 “因地制宜”
海上风电场范围内工程地质与海洋环境存在一定差异，风机基础结构方案应结合建设条件进行差异化优化设计。
（1）工程地质差异
海床表层土对桩基础的水平约束起控制性作用，影响深度一般为6倍桩径范围。由于风电场区域表层土质可能存在斑块状的差异分布，直接影响到基桩局部冲刷、桩土相互作用的分析，因此在开展风机基础方案设计时应根据岩土勘察报告分块进行基础的差异化设计，优化基桩直径、壁厚及基础结构尺寸等。
（2）海洋环境差异
在渤海区域，冰荷载已成为海上构筑物设计的控制荷载，在大厚度冰荷载的作用下，基础结构需要较大的刚度，其尺寸必将增大，直接影响到工程投资，因此是否受海冰影响成为风电场海上风机基础设计方案差异化设计重点。基础方案设计前应进行详细的海冰调查，确定受海冰影响的风机位数量，分区域确定海冰的厚度、强度等参数，并据此进行基础方案优化设计。
7 总结
海上风电机组基础的优化设计主要包括以下五大步骤：
1、分析海洋水文气象与工程地质勘测报告；
2、拟定的单桩、高桩承台与支柱固定式基础的方案，根据勘测报告建立力学分析模型进行结构整体力学分析；
3、通过整体力学分析并结合国内施工能力与基础方案的工程造价确定基础选型；
4、对确定的基础方案进行灌浆连接、防腐蚀等细部设计；
5、根据不同的建设条件重复上述4个步骤进行基础的差异化设计，最终确定风电场的基础设计方案。