2024近海風電場風機基礎選型設計

近海風電場風機基礎選型設計引言隨著國家能源局《關(guān)于促進非水可再生能源發(fā)電發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》的出臺，2022年起，海上風電的國家補貼將全面退出。“國補”的退出意味著海上風電平價時代正式來臨，海上風電將直面“降本增效”的挑戰(zhàn)。而“30·60”雙碳目標的實現(xiàn)需要新能源產(chǎn)業(yè)提供更多的助力。海上風電作為一種綠色可再生能源，對發(fā)展低碳經(jīng)濟、推動能源轉(zhuǎn)型、減少CO2排放具有重要意義。2022年1月，國家能源局印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，明確提出要大力開發(fā)東南部沿海地區(qū)海上風電，積極推進海上風電規(guī)?；ㄔO。海上風電機組基礎是風電機組的支撐結(jié)構(gòu)，對海上風電場的安全運行起著至關(guān)重要的作用。近年來，隨著我國海上風電的蓬勃發(fā)展，各設計院及許多學者對海上風機基礎的開發(fā)和應用展開了多項研究。黃俊[1]對我國海域風能資源、海洋水文、工程地質(zhì)進行了系統(tǒng)的介紹，提出海上風電機組基礎型式的確定應緊密結(jié)合我國海域特點。張強[2]、曾雨欣等[3]結(jié)合工程實例研究了單樁基礎豎向承載力特性。李聰?shù)萚4]通過對比研究發(fā)現(xiàn)單樁基礎錐段位置會對風機的疲勞荷載產(chǎn)生影響，設計時需要根據(jù)海床地質(zhì)條件選擇合適的樁形及錐段位置。畢明君[5]以實際工程為例，詳細介紹了單樁基礎設計的流程和要點。馬兆榮[6]、徐榮彬等[7]對風機導管架基礎疲勞分析、灌漿分析等關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹。明小燕[8]、李煒等[9]對海上風機三腳架基礎結(jié)構(gòu)及基頻敏感性開展了相關(guān)研究。沈曉雷[10]、彭潛等[11]對海上風電高樁承臺基礎的承載特性及監(jiān)測技術(shù)進行了實例驗證。

熟需要長期的探索，短期內(nèi)主要是通過設計和施工過程的優(yōu)化。從設計方面來說，就是要慎重地選擇和合理地設計海上風電機組基礎結(jié)構(gòu)型式。本文綜合國內(nèi)海上風電場的建設經(jīng)驗，結(jié)合某近海風電場的水文、地質(zhì)條件，不同風機基礎型式的適用水深及優(yōu)缺點，本著設計優(yōu)化的原則對該風電場的風機基礎型式進行了詳細的設計比選，最后綜合結(jié)構(gòu)安全性、施工可行性及工期、工程經(jīng)濟性等方面因素確定了該海上風電場的基礎型式。設計輸入條件海洋水文、地質(zhì)條件某近海風電場中心離岸距離約19.0km，理論水深19.0～23.0，場區(qū)平均海平面高程為0.49國家高程）。設計高水位為3.09m，對應的波高為7.93，周期為11.65；設計低水位為5m，對應的波高為6.60，周期為11.58；50年一遇極端高水位為4.54，對應的波高為8.23，周期為11.66；50?3.856.32m，周期為11.56。海流表面流速為1.081，底部流速為0.514m/s。初步選定單機容量為8.5MW風力發(fā)電機組，輪轂中心高度為130m，塔筒高度為117.04m，塔筒底高程為12.0m。工程場地類別為Ⅳ類，抗震設防烈度為Ⅵ度，特征周期為0.75s，設計地震分組為第二組。場址區(qū)揭露的地層主要為：海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土或粉土夾粉質(zhì)黏土等。土層特性及地質(zhì)參數(shù)如表1所示。表1土層特性及地質(zhì)參數(shù)一覽表Tab.1Listofsoillayercharacteristicsandgeologicalparameters內(nèi)摩海上風電機組重心高，傳遞給風機基礎的水平荷載和傾覆彎矩較大；工程海域海床的地質(zhì)情況、海

土層名稱 層厚/m淤泥質(zhì)粉質(zhì)

重度/(kN·m)

不排水剪切

ε/%

擦角φ/(°)洋水文條件等諸多因素都會對風機基礎產(chǎn)生不利影

黏土夾粉土 1.9 17.2 12 0.055 —響，因此，海上風電機組基礎造價一般較高。陳皓粉土8.018.6200.05023勇等[12]對海上風電成本的構(gòu)成進行了詳細的剖析，粉質(zhì)黏土6.118.2350.045—指出海上風電基礎結(jié)構(gòu)建設的成本是造成海上風電粉土2.718.9250.04528建設總投資遠高于陸上風電的主要原因之一。金長粉質(zhì)黏土14.418.2350.045—營[13]指出，在江浙海域，風機基礎及施工成本占建設粉質(zhì)黏土6.519.0620.035—粉砂10.619.7——37粉質(zhì)黏土18.819.1640.036—粉砂10.619.7——37粉質(zhì)黏土18.819.1640.036—黏質(zhì)粉土20.019.3——291.2 風機荷載廠家提供的作用在塔架底部法蘭面處的風機荷載如表2所示，塔架坐標系如圖1所示。單樁基礎的整機自振頻率限制范圍為0.21~0.30Hz，多樁基礎的整機自振頻率限制范圍為0.24~0.33Hz。表2法蘭面風機荷載標準值（不帶安全系數(shù)）Tab.2Standardloadvalueofwindturbineontheflangesurface(withoutsafetyfactor)

表3海上風電機組基礎適用水深范圍表Tab.3Applicablewaterdepthrangeofoffshorewindturbinefoundation重力式基礎<15m樁承式基礎單樁多腳架導管架高樁承臺重力式基礎<15m樁承式基礎單樁多腳架導管架高樁承臺<30m<30m20~60m<30m浮式基礎≥50m/MN/MN/(MN·m)/(MN·m)正常運行工況單樁基礎/MN/MN/(MN·m)/(MN·m)正常運行工況單樁基礎極端工況1.6782.678?11.143?10.505186.979276.622?1.57914.000正常運行工況1.628?11.100185.878?1.398多樁基礎極端工況2.614?10.500267.53213.556

MM表4常用樁承式海上風機基礎形式的優(yōu)缺點Tab.4AdvantagesanddisadvantagesofcommonlyusedpilesupportedoffshorewindturbinesfoundationMZFFZFMMZFFZFMYFFYFZFFMXFXFYFXF結(jié)構(gòu)傳力模式簡單、加樁徑大，安裝時需要專用的單樁基礎

工制造簡單、運輸安裝工期短結(jié)構(gòu)體系剛度大，海床工期短結(jié)構(gòu)體系剛度大，海床過渡段疲勞問題較難處理；多腳架基礎沖刷對結(jié)構(gòu)剛度影響斜撐位于飛濺區(qū)，不利于基較小礎的防撞設施布設結(jié)構(gòu)整體剛度大，抗傾節(jié)點多，疲勞問題突出；導管架基礎覆能力強，對地質(zhì)條件過渡段結(jié)構(gòu)復雜，建造較要求不高困難施工設備與經(jīng)驗成熟，打樁工作量大，大體積混凝高樁承臺基礎整體剛度大，抗傾覆能土承臺施工周期長，基礎重力強心高、造價高

沉樁設備；受沖刷影響大；整體剛度偏柔圖1塔架坐標系Fig.1Coordinatesystemoftower基礎型式比選基礎結(jié)構(gòu)型式初選海上風電機組基礎型式的選擇主要考慮水深、土層地質(zhì)條件、風機運行要求、施工安裝設備能力、施工工期、工程造價等幾個方面的因素[17]。海上風電風機基礎按照與海床固定方式的不同，分為重力式基礎、樁承式基礎、浮式基礎3類[18]。不同基礎形式適用的水深范圍如表3所示。該近海風電場場地上部土層地基承載力低，物理力學性質(zhì)差，海域理論水深19~23m，同時該風電場擬采用8.5MW大功率風機，風機荷載較大，因此，樁承式基礎更適合該風電場。常用的樁承式海上風電基礎優(yōu)缺點如表4所示。

單樁基礎結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、海上作業(yè)時間短、效率高，是目前使用最為廣泛的一種基礎型式。曾雨欣等[3]通過對大量海上風電項目進行分析發(fā)現(xiàn)，采用單樁基礎的海上風電場約占總量的53%，已建成的海上風機基礎中，75%都是單樁基礎。李志川等[19]指出，單樁基礎在江蘇海域的應用占比高達92%，在廣東海域的應用占比達55%。導管架基礎，是固定式海上風機基礎結(jié)構(gòu)中適用水深最深的一種結(jié)構(gòu)[20]。李志川等[19]指出，東海及南海海域水深較深，導管架基礎的應用占比較高，其中廣東海域占34%，福建海域占15%。高樁承臺基礎承載力高、整體剛度大，抗傾覆能力強，在上海、浙江、福建等海域的應用占比較高，分別為75%、63%、49%[19]。多腳架基礎具有單樁基礎的優(yōu)點，同時結(jié)構(gòu)體系抗傾覆能力強，幾乎不需要進行沖刷防護。但該基礎形式主要受力節(jié)點非常復雜，應力集中現(xiàn)象明顯，過渡段的疲勞問題較難處理。而且，根據(jù)該風電場的水文條件進行方案初步計算分析后發(fā)現(xiàn)，斜撐導管位于飛濺區(qū)，安裝或運維船舶有可能會與其發(fā)生碰撞，容易造成安全隱患。綜上所述，本次設計選擇單樁基礎、導管架基礎、高樁承臺基礎3種基礎型式作為初選基礎方案進行后續(xù)方案設計和比選?；A結(jié)構(gòu)分析計算采用海上風電機組基礎設計軟件FDOW進行，有限元模型中土的非線性特性通過非線性土彈簧來模擬[21-23]。水平方向、豎向及樁端非線性彈簧剛度分別采用考慮循環(huán)荷載的P-Y曲線法、t-z曲線法和Q-z曲線法確定[22-23]。所有計算結(jié)果均應滿足規(guī)程、規(guī)范及風機廠家的要求。單樁基礎方案計算分析單樁基礎采用大直徑鋼管樁，樁頂法蘭與風機塔筒底法蘭通過螺栓連接，附屬構(gòu)件采用集成式套籠結(jié)構(gòu)，待單樁沉樁完成后，整體吊裝安裝于鋼管樁上。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)風機荷載、海洋水文、工程地質(zhì)資料經(jīng)計算分析鋼管樁單樁設計方案為樁徑7.5~8.6m75~90mm，入土深度為70m長105m。結(jié)構(gòu)模型如圖2所示計算結(jié)果如表5所示。圖2單樁基礎計算模型Fig.2Calculationmodelofmonopilefoundation

表5單樁基礎計算結(jié)果匯總表Tab.5Summaryofcalculationresultsofmonopilefoundation項目 最大值/設計值允許值是否滿足要求樁身強度應力UC值0.6241.0是單樁抗壓承載力/MN36.17048.373是泥面處轉(zhuǎn)角/‰4.184.36是沉降/mm16.68100是第一階自振頻率/Hz0.21450.21~0.30是導管架基礎方案計算分析導管架基礎一般由4根鋼管樁支撐在海底，鋼管樁呈正方形均勻布設，導管架腿插入鋼管樁并與鋼管樁之間采用高強灌漿料連接。導管架承受環(huán)境荷載及風機荷載，并將荷載傳遞給4根鋼管樁。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)風機荷載、海洋水文、工程地質(zhì)樁徑3.0m，壁厚為40～50mm，樁中心間距為20.0m，泥面以下樁長為88.0m，總樁長約為94m。主導管管直徑為1.5～2.0m，壁厚為40~65mm；插入段直徑為2.5m，壁厚為75mm。斜撐導管直徑為0.8～1.1m25～40mm，結(jié)構(gòu)計算模型如3所示，計算結(jié)果如表6所示。圖3導管架基礎計算模型Fig.3Calculationmodelofjacketfoundation高樁承臺基礎方案計算分析承臺采用圓柱體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。頂部通過預埋的風機基礎過渡段與風機塔筒相連，底部支撐在鋼管樁上。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)風機荷載、海洋水文、工程地質(zhì)表6導管架基礎計算結(jié)果匯總表Tab.6Summaryofcalculationresultsofjacketfoundation項目 最大值 允許值是否滿足要求桿件應力UC值0.7981.0是樁身強度應力UC值0.5891.0是節(jié)點沖切校核0.8681.0是單樁抗壓承載力/MN24.62725.378是單樁抗拔承載力/MN15.39323.248是基礎頂最大轉(zhuǎn)角/‰2.924.36是最大沉降/mm66.01100是第一階自振頻率/Hz0.24340.24~0.33是資料，經(jīng)計算分析，高樁承臺基礎設計方案為：基礎承臺鋼筋混凝土強度等級為C50，承臺頂高程為8.80m，高為5.6m，直徑為16.60m。承臺底部設8根鋼管樁，在承臺底部沿12.6m直徑的圓周均勻分布。鋼管樁直徑為2.1~3.1m，壁厚為42~38mm，設計樁長為104~114m，斜度為1∶0.2。結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，計算結(jié)果如表7所示。圖4高樁承臺基礎計算模型Fig.4Calculationmodelofhighpilecapfoundation基礎設計方案綜合比選結(jié)構(gòu)安全性根據(jù)本文2.2~2.4節(jié)的分析表明，單樁基礎、導管架基礎、高樁承臺基礎的結(jié)構(gòu)強度、樁基承載力、變形驗算均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的限制要求，整機自振頻率也能滿足現(xiàn)階段風機廠商的要求。因此，從結(jié)構(gòu)安全性的角度考慮，各基礎方案均是可行的。

表7高樁承臺基礎計算結(jié)果匯總表Tab.7Summaryofcalculationresultsofhighpilecapfoundation項目 最大值 允許值是否滿足要求樁身強度應力UC值0.8671.0是承臺柱的沖切/MN26.822481.801是承臺抗剪/MN35.569172.018是鋼管樁的沖切/MN18.580111.222是樁基抗壓承載力/MN24.31526.589是樁基抗拔承載力/MN18.27819.589是基礎傾斜率/‰2.774.36是最大沉降/mm74.3100是第一階自振頻率/Hz0.2420.24~0.33是施工可行性及工期高樁承臺基礎是海岸碼頭和跨海大橋橋墩中的常見結(jié)構(gòu)，施工工藝成熟，大多數(shù)海上施工單位都有能力施工。據(jù)了解，福建省莆田平海灣50MW海上風電項目、莆田南日島4臺樣機工程等都采用了此基礎型式。施工具備可行性，但是高樁承臺基礎樁數(shù)較多，施工工序復雜，上部現(xiàn)澆混凝土承臺養(yǎng)護周期較長，工期為3個方案中最長。導管架基礎借鑒了海洋石油平臺的結(jié)構(gòu)型式，采用先樁法設計，自首次在珠海桂山海上風電場示范項目中應用，國內(nèi)外的應用日漸增多，目前施工技術(shù)已相當成熟，具備施工可行性。但由于導管架基礎節(jié)點數(shù)量多，加工制作工作量大，使得導管架基礎的建造周期相比于單樁基礎長。同時，導管架基礎需要進行水下灌漿，灌漿養(yǎng)護時間不少于7d，然后方可安裝上部風機，工期較長。單樁基礎7.5~8.6m，平均樁長約105m，樁重約1820t。其制作可在國內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)廠、造船廠內(nèi)預制完成，海上運輸通過5000t級甲板駁船即可實現(xiàn)。目前，國內(nèi)近海風電場工程的單樁基礎施工主要采用浮式起重船+輔助工藝定位導向架設施進行施工。根據(jù)鋼管樁樁長、樁重的要求，采用濱舟起1博強2300等起重船配備MHU-3500S液壓沖擊錘或IHCS-3600液壓沖擊錘，可滿足本項目單樁基礎沉樁施工需求。國內(nèi)國信如東350MW項目、中廣核如東150MW項目、中電投100MW項目均采用了單樁基礎方案，施工經(jīng)驗較為成熟。此外，單樁基礎結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，施工工序簡單，施工便捷，工期最短。工程經(jīng)濟性種基礎方案的主要工程量及經(jīng)濟性比較如8所示。經(jīng)投資估算，單樁基礎方案總用鋼量約為1910t，綜合造價約0.249億元；導管架基礎總用鋼量約為225t，綜合造價約0.3122億元；高樁承臺基礎總用鋼量約2470.6t，綜合造價約0.31億元。從工程經(jīng)濟性的角度看，單樁基礎最優(yōu)，導管架基礎次之，高樁承臺基礎經(jīng)濟性最差。

綜合分析高樁承臺基礎雖能滿足結(jié)構(gòu)安全性要求，但是與單樁基礎相比，工程經(jīng)濟性較差，投資較大，樁數(shù)較多，施工工序復雜，施工周期長，因此不推薦采用高樁承臺基礎型式。導管架基礎的剛度和穩(wěn)定性好，具有較高的結(jié)構(gòu)安全性，但與單樁基礎相比，導管架基礎用鋼量較大，工程經(jīng)濟性較差，同時導管架桿件較多，加工制作和焊接工作量大，建造施工周期較長，因此，不推薦采用導管架基礎型式。表83種基礎方案主要工程量及經(jīng)濟性比較（單臺風機）Tab.8Comparisonofmainengineeringquantitiesandeconomiesofthreeschemesforfoundation(singlewindturbine)基礎方案 主要項目 工程量 綜合造價/億元鋼管樁制作DH361820t鋼管樁安裝（海上運輸、安裝）1根單樁基礎附屬結(jié)構(gòu)（包括內(nèi)平臺、外平臺、爬梯、靠船件、電纜護管、欄桿等）制安Q355C/Q235B犧牲陽極塊重量鋁-鋅-銦合金90t0.24910t鋼管樁防腐（大氣