海上風電基礎研究現狀★

遲 春 廣

(中國人民解放軍92304部隊，海南 三亞　572018)

1　概述

在海上風電場的建設中，海上風電基礎是海上風電重要的組成部分，海上風電基礎的設計費用與安裝成本占總造價20%～30%，基礎在不同工況環境條件下受到了波浪、風、地震、沖擊等各種動力荷載的交互作用，易造成風機疲勞損傷、基礎承載弱化以及上部結構傾斜等問題。因此，在工程設計和安全運營中需要重點關注海上風電基礎的承載特性問題。

2　海上風電基礎

當前海上風電基礎類型主要有：單樁基礎、導管架基礎、筒型基礎、重力式基礎等，其構造如圖1所示。

3　海上風電基礎研究現狀

3.1　海上風電單樁基礎

單樁基礎主要應用于除包含深厚軟弱土層的大多數土質，適用水深10 m～25 m軟基礎，其受力明確，技術成熟，適用范圍廣泛，淺水區地質條件較好時經濟性最優，施工最快。

單樁基礎使用較早，應用廣泛，國內外相繼開展了大量的理論分析、實驗和數值仿真等研究，并形成了相對成熟的一些評價方法。國內外基本上有四種分析計算方法：有限單元法、極限地基反力法、彈性地基反力法和P—Y曲線法。P—Y曲線法用法較為普遍，最早由Mcclelland[1]提出，隨后Matlock(1970)[2]先后提出軟黏土和砂土中水平受荷樁P—Y曲線計算方法，美國API(2000)采用其研究成果，Neil[3]為適應相應基礎與地基的需求后續進行了改進。

近些年國內學者主要研究了動荷載作用下海上風電單樁基礎承載特性。尤漢強和楊敏等[4]對循環荷載作用下海上風電單樁基礎模型進行了簡化分析，研究了土體極限抗力退化和樁土開脫效應對樁基承載力的影響；羅慶[5]通過數值分析，并結合室內試驗的方法，研究了循環荷載在水平向、豎向及雙向耦合作用下的單樁基礎響應，分析了循環頻率和循環次數對樁基礎的影響；楊永鑫等在軟黏土中進行了水平靜載和循環動載的加載試驗，并以雙曲線型P—Y曲線模型對水平靜力與循環動載下樁身彎矩展開模擬與比較，研究發現剛度對計算結果有重要的影響。

3.2　海上風電導管架基礎

導管架基礎適用于較硬的海床，適用水深為20 m～50 m，受環境荷載的作用比較小，整體剛度大，制作和安裝成本較高，傳力較為復雜，施工周期較長。

劉太強[6]利用ANSYS軟件對非線性樁土間作用的分析方法進行模擬，并總結了樁土相互作用荷載的傳遞規律。朱斌等人[7]針對飽和砂土地基中四樁導管架基礎，進行一個離心模型試驗，研究其在沿對角線方向和沿邊長方向的水平靜力作用下，各基樁的樁周土反力差異、變形特性和內力分配。在這個基礎上利用模塊分析樁基承載力的可靠度及Monte Carlo法對樁土系統輸入參數進行隨機抽樣，并給出了實際算例。對樁土作用樁軸力和樁側摩阻力分布、P—S曲線及樁端阻力進行分析。

3.3　海上風電重力式基礎

重力式基礎主要應用于較硬的地基，不適合軟地基及沖刷海床，適用水深30 m以內，由于重力式基礎陸上整體預制，故海上施工工期短，對海床要求較高，且造價較高。

為了研究復合加載條件下重力式基礎的承載特性，霍宏斌[8]利用通用ABAQUS軟件對其進行計算，結果表明隨著彎矩的增大，包絡線會逐漸縮小。李榮敏[9]用一次二階矩法中的驗算點法計算了其基底應力的可靠性、抗傾和抗滑，并將這三種失效模式作為一個串聯體系，應用結構體系可靠度的一種近似方法計算風機基礎的可靠度。通過計算得出結論，其可以滿足工程的安全要求，單個失效模式和結構體系的失效概率都較小，可靠性比較高。對于重力式基礎工頻接地電阻和沖擊接地電阻，周蜜等人[10]討論了基礎結構尺寸、粘土層土壤電阻率、厚度、海水深度以及砂石層土壤電阻率對其影響，并利用軟件系統計算重力式基礎潮間帶海上風電機組接地裝置的沖擊特性參數和工頻特性參數。

3.4　海上風電筒型基礎

海上風電筒型基礎是在吸力錨的基礎上發展起來，由于構造簡單、可重復利用和施工方便等優點，因而逐漸被廣泛關注。筒型基礎在國外應用較早，1994年北海的Europipel6/11-E吸力式導管架平臺是筒型基礎的首次投入使用，我國于1995年在渤海5號平臺中首次應用筒型基礎。

目前，國內外學者通過試驗、理論分析和數值計算對筒型基礎的承載特性，如豎向承載力、水平承載力和變形進行了研究。Andersen,Hansen等[11]對軟黏土中吸力錨進行了野外模型試驗，其試驗成果對筒型基礎的研究提供了相應的數據支持；張宇[12]通過數值分析研究了在豎向靜載作用下，筒型基礎與土的相互作用機理；張興旺[13]通過有限元分析研究了循環荷載作用下分層軟黏土中筒型基礎的轉動中心理論，同時對筒型基礎的水平承載力進行了解析解研究；王建華等[14]通過研究水平循環荷載與豎向靜載對基礎承載力的影響，得出以下結論：基礎的靜承載力大于水平循環承載力，在水平極限承載力計算中，豎向靜載的取值會影響循環荷載的大小與次數。

4　結論與展望

海上風電基礎設計難度較大，涵蓋了結構，巖土，勘探，海工等多個學科，專業跨度較大，設計施工復雜。

海上風機結構,往往高達百米以上，基礎除了承受自重等豎向荷載以外還要承受較大的水平荷載和傾覆力矩，傳統的基礎承載力理論研究主要以豎向承載力，水平承載力，變形為主，不能完全適應海上風電基礎發展需求。

隨著風機功率的增加，基礎尺寸不斷增大，當前國內外對大尺寸基礎的極限承載力、破壞機理、循環軟化效應以及動力特性等問題還缺乏足夠的認識，應將研究重點轉移到大尺寸基礎上。

參考文獻:

[1]MCCLELLAND B,FOCHT J A.Soil modulus for laterally loaded Piles.Transactions,ASCE,1958(123):1071-1074.

[2]MATLOCK H.Correlations for design of laterally loaded piles in soft clay.Proceedings of the II Annual Offshore Technology Conference,Houston,Texas,1970(OTC 1204):577-594.

[3]Murchison J.K.,and O’Neil M.W.Evalution of p-y relationships in cohesionless soils:Analasis and design of pile foundations[C].proceedings of Symposium in conjunction with the ASCE National Convention,San Francisco,Califomia,1984:174-191.

[4]尤漢強,楊敏.循環荷載下海洋風機單樁基礎簡化分析模型[J].巖土工程學報，2010,32(2):13-16.

[5]羅慶.單、雙向循環荷載作用下單樁動力特性研究[D].長沙：中南大學，2012.

[6]劉太強.樁土相互作用影響下導管架鋼樁基礎可靠度分析[D].北京：中國石油大學,2010.

[7]朱斌,李濤,畢明君.海上四樁導管架基礎水平受荷離心模型試驗[J].巖土工程學報,2014,36(10):1822-1830.

[8]霍宏斌,王爾貝,陳銳,等.一種新型重力式海上風機基礎承載特性分析[J].地下空間與工程學報,2013,9(S1):1554-1558.

[9]李榮敏.近海重力式風機基礎選型優化與可靠性研究[D].大連：大連理工大學,2010.

[10]周蜜,樊亞東,鄭鐘楠,等.潮間帶海上風電機組重力式基礎接地特性[J].電網技術,2015,39(11):3320-3326.

[11]Andersen K H,Dyvik R,Schroder K，et al.Field tests of anchors in clay II:predictions andInterpretation[J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1993,119(10):1532-1549.

[12]張宇,王梅,樓志剛.豎向載荷作用下桶形基礎與土相互作用機理研究[J].土木工程學報，2005,38(2):97-101.

[13]張興旺.基于地震荷載作用下風力發電塔地震響應分析[D].天津：天津大學,2012.

[14]王建華,楊海明.軟土中桶型基礎水平循環承載力的模型試驗[J].巖土力學,2008,29(10):2606-2612.