海上風機重力式基礎設計

葉蔥蔥 方孝伍

(福建省電力勘測設計院，福建福州 350001)

海上風機重力式基礎設計

葉蔥蔥 方孝伍

(福建省電力勘測設計院，福建福州 350001)

結合福建漳浦六鰲海上風電場一期項目的地質條件，選取了重力式基礎形式，并通過有限元計算軟件，對該重力式基礎進行了結構計算，指出該基礎形式是海上風機在近海地質情況較好海域的理想基礎類型。

海上風機，重力式基礎，ANSYS，荷載

1 工程概況

本工程為福建漳浦六鰲海上風電場一期項目，風電場位于漳州市漳浦縣六鰲半島東側海域。根據(jù)《福建省海上風電場工程規(guī)劃報告》，福建六鰲海上風電場最終裝機規(guī)模為80萬kW，分期開發(fā)建設，一期工程建設規(guī)模30萬kW，擬安裝60臺5.0 MW的風電機組［1］。推薦機型的葉輪直徑為140 m，輪轂高度90 m，離岸平均距離約5 km。工程用海范圍內(nèi)海底地形變化大，有無人島礁出露，海床的高程(1985國家高程系統(tǒng)，下同)在－5 m～－32 m之間。

本工程抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為第三組。風電場機位分布區(qū)域范圍較廣，覆蓋層和場地土類別差異大，海底地形地貌復雜。參照FD 002—2007風電場工程等級劃分及設計安全標準(試行)，確定本工程的工程等別為I等，結構設計安全等級為一級，工程規(guī)模為大(1)型，機組塔架地基基礎的設計級別為1級;根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范規(guī)定，地基基礎設計等級取為乙級。工程所在區(qū)域年平均氣溫21.2℃。

2 基礎選型

根據(jù)本工程海底地形、工程地質勘探鉆孔和海洋水文觀測相關成果資料分析，風電場不同區(qū)域海底巖面起伏大，地質條件復雜。因此本工程風機基礎設計時需根據(jù)風電機組所在區(qū)域的地形地質特點和水深情況因地制宜，選擇適用于不同水深、不同基巖埋深的風機基礎型式。

從現(xiàn)階段的工程勘探鉆孔揭露情況分析，風電場場區(qū)內(nèi)的6號、7號，12號～15號，20號～23號等10個機位的基巖上覆土層厚度較薄，基巖埋深很淺，若采用樁基礎，需采取穩(wěn)樁措施，施工復雜。因此上述機位推薦采用重力式基礎。地勘資料中，典型鉆孔zk03附近區(qū)域基巖很淺，不適合樁基礎，而表層0.5 m即為強風化花崗巖，承載力和壓縮模量較高，適合采用重力式基礎。因此本文采用該鉆孔揭露的地質情況來設計該機位的重力式基礎。

3 重力式基礎

重力式基礎適用于淺海，依照國外建成經(jīng)驗，一般適合于水深不超過15 m的海域。這種基礎型式的結構主體在陸上預制場澆筑完成后，通過半潛駁運輸?shù)街付êＳ颍部赏ㄟ^定傾高度計算滿足自浮穩(wěn)定要求，采用拖船拖運到機位處下沉安裝，與普通樁基礎施工相比，安裝方便，大大減少海上作業(yè)時間。并且可以在陸上大批量同時預制，加快工程進度，降低基礎總投資。但是重力式基礎對海床表面的地質條件有要求，不適用于承載力及壓縮模量較低的海床面。

重力式基礎一般采用預制圓形鋼筋混凝土沉箱結構，根據(jù)當?shù)夭牧锨闆r，內(nèi)部空腔可以采用砂、碎石、礦渣或者混凝土作為壓艙材料，使基礎有足夠的自重來抵抗風、波浪、水流等環(huán)境荷載以及使用荷載作用，保證基礎的抗水平滑動和抗傾覆穩(wěn)定。基底尺寸通過計算基底脫開面積、地基承載力以及抗滑移、抗傾覆驗算確定。在確定滿足規(guī)范要求的基礎尺寸后，采用ANSYS軟件對風機重力式基礎進行有限元計算分析。

4 結構計算

4.1 結構設計及單元模擬

根據(jù)zk03鉆孔設計的重力式基礎頂高程為12.0 m，基礎總高34 m，海床面高程為－12 m，基礎底高程為－15 m，入土深度3 m。基礎內(nèi)部圓筒為壁厚0.9 m，外徑6.4 m的圓形空腔結構，外部筒體直徑23 m，壁厚0.3 m，內(nèi)外圓筒通過均布的八塊隔板連接，隔板厚度0.3 m，內(nèi)外圓筒之間的空隙利用填沙壓重。基礎底板直徑25 m，厚度0.8 m，基礎整體混凝土用量約2 000 m3。重力式基礎與上部風機塔筒的連接方式采用螺栓連接。

上部風機荷載作用下，基礎筒壁會產(chǎn)生裂縫，在海上氯化物環(huán)境中會導致基礎鋼筋銹蝕，因此在基礎內(nèi)筒內(nèi)采用預應力來避免裂縫產(chǎn)生，內(nèi)筒壁預留孔道埋低松弛預應力鋼絞線。

基礎持力層采用8號砂礫狀強風化花崗巖，地基承載力為420 kPa～500 kPa。采用有限元軟件ANSYS對極端工況下重力式基礎進行計算，計算模型如下:基礎筒體和土體都采用實體單元模擬。土體水平模擬范圍取5倍的筒體直徑150 m，根據(jù)鉆孔資料，微風化花崗巖土層下為不可壓縮巖層，故土體豎向模擬范圍取9 m。重力式基礎模型見圖1，整體結構模型見圖2。

圖1 重力式基礎模型

圖2 整體結構模型

4.2 自振頻率

風荷載和波浪荷載是海上風電機組承受的主要使用和環(huán)境荷載，而這兩種荷載類型均具有明顯的動力特征，導致風電機組產(chǎn)生動力響應。因此研究風機在海洋環(huán)境中風荷載作用下的動力響應特征，使整體系統(tǒng)的固有頻率避開共振范圍，對于保證機組的正常使用具有積極意義［2］。

本階段主要研究風機葉片、機艙、塔筒組成的上部結構與重力式基礎構成的整體結構系統(tǒng)的模態(tài)計算分析。其中風機機艙與葉片簡化為質量點，在ANSYS模型中采用Mass21單元模擬。Mass21是一個具有6個自由度的點元素:即X，Y和Z方向的移動和繞X，Y和Z軸的轉動，每個方向可以具有不同的質量和轉動慣量，可以較真實地反映廠家提供的機艙和葉片質量和轉動慣量對整體結構動力特性的影響。上部風機與下部重力式風機基礎組成的整體系統(tǒng)的模態(tài)分析計算模型和模態(tài)計算結果如圖3所示。

圖3 整體結構模態(tài)計算分析

正常情況下根據(jù)風機廠家要求，風機運行要求系統(tǒng)的固有頻率避開葉片轉動頻率范圍(fr/fox＞1.1或fr/fox＜0.90)，這樣系統(tǒng)才不會發(fā)生共振現(xiàn)象。整體結構的各階振型對應的頻率見表1。

表1 系統(tǒng)自振頻率計算成果

4.3 靜力計算

從有限元軟件ANSYS計算結果來看，基礎結構的變形和應力結果如圖4～圖6所示。

水平位移:基礎的最大水平位移出現(xiàn)在頂部，為90 mm;泥面位置的最大水平位移為19 mm。

豎向位移:基礎整體位移向下，在水平力和彎矩荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉降，最大豎向位移為53.1 mm，小于允許值100 mm，最小豎向位移為5.3 mm。

圖4 結構位移云圖

圖5 結構拉應力云圖

圖6 結構壓應力云圖

不均勻沉降:基礎底板直徑為27 m，基礎產(chǎn)生的不均勻沉降為1.7/1 000，小于4/1 000，滿足規(guī)范要求。

基礎總位移:基礎總位移最大值在基礎的頂部，為100 mm，筒體最大拉應力為6.6 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)外筒的交界處，有限元軟件在截面變化處存在應力集中現(xiàn)象，實際工程中混凝土板的圓弧形過渡，會減小應力的集中。

筒體最大壓應力為27.2 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)外筒的弧形交界處，小于C60混凝土強度設計值27.5 MPa，在預應力鋼筋的作用下，混凝土豎向基本處于受壓狀態(tài)。

基礎結構的變形和應力計算結果如表2所示。

表2 結構計算小結

5 結語

重力式基礎有限元計算結果表明基礎的應力和變形均能滿足規(guī)范要求，在基礎內(nèi)外筒弧形過渡段會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，可以通過配筋解決。

由于本階段風機廠家并未提供允許頻率范圍，因此在下一階段將根據(jù)風機廠家詳細資料進行更細一步的動力計算以滿足結構設計要求。

重力式基礎的計算分析結果表明該基礎型式可以滿足風機在復雜的海洋環(huán)境中抵抗風荷載和波浪荷載的要求，適用作為海上風機在近海地質情況較好的海域的理想基礎類型。

［1］ 朱光華，陳 敏，鄭 濤.福建省海上風電場工程規(guī)劃報告［R］.福州:福建省水利水電勘測設計院，2014.

［2］ 葉蔥蔥，張強林.漳浦六鰲海上風電場一期工程風基礎設計專題報告［R］.福州:福建省電力勘測設計院，2016.

Gravity foundation design for offshore wind turbines

Ye Congcong Fang Xiaowu
(Fujian Electric Power Survey＆Design Institute，F(xiàn)uzhou 350001，China)

Combining with geological conditions of Liuao offshore wind turbine project phaseⅠin Zhangpu of Fujian province，the paper selects gravity-style foundation form.Through applying finite element calculation software，it carries out structural calculation of the gravity-style foundation，and points out that:the above-mentioned foundation form is the ideal foundation form of offshore wind turbine with better geological conditions.

offshore wind turbine，gravity-style foundation，ANSYS，load

TU943

A

1009-6825(2016)35-0087-02

2016-09-27

葉蔥蔥(1983-)，男，碩士，工程師; 方孝伍(1978-)，男，碩士，高級工程師