海上單樁風力發電平臺樁土作用探析

杜子榮，朱 烽，尹寶瑞，尚繼飛

(1.海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島， 266520；2. 山東海洋工程裝備研究院有限公司，山東 青島 266520)

風能作為一種清潔的可再生能源，我國一直支持和鼓勵對風能的開發利用。陸地風電在國內風能資源豐富的地區發展迅速，但人們已經注意到陸地風能利用所受到的一些限制，如風電場面積大、噪音大等問題。考慮到海上豐富的風能源和當今技術的進步，近海海域將成為一個迅猛發展的風電市場。隨著中海油渤海海上風力發電示范機組首次海上并網調試成功，我們對風能利用的步伐進一步加快。然而采用廢棄單點作為平臺基礎不能實現風電的大規模商業化，國外成熟的單樁基礎結構給了我們很多啟發[1]。

1 單樁基礎樁土相互作用特點

海上單樁風力發電平臺的樁基礎主要承受來自上部結構的重力、橫向風力、波浪力等作用。由于軸向力的作用，樁不可避免地產生了沉降。由于橫向力的作用，樁要產生產生側向位移，進而發生橫向位移。土的非線性作用非常顯著，需要使用非線彈性理論研究樁土的相互作用[2]。

2 樁土作用的軸向承載力

根據樁的受力特點，受壓樁的軸向承載力由樁身表面摩擦阻力和樁尖的支持力兩部分組成，因此受壓樁的軸向極限承載力可由下式計算：

式中:R——受壓樁的極限承載力；

RS——樁側摩阻力；

RT——樁端總的阻力；

fSi——第i層土的單位面積側摩阻力；

ASi——第i層土以上樁的側接觸面積；

qT——單位面積的樁端阻力；

AT——樁端的毛面積。

3 不同土質的軸向承載力計算公式[3]

3.1 粘性土軸向承載力

fSi的計算采用總應力法，又稱 法：

fsi=αsu

式中： Su——土壤的不排水剪切強度，kPa;

qT的計算采用下列公式

qT=NTSu

式中:Nc=9；

su——土壤的不排水剪切強度，kPa。

3.2 砂土軸向承載力

fSi的計算采用有效應力法：

式中：K——土層側壓力系數，開口樁K=0.8，封閉樁K=1.0；

δ——樁土之間的內摩擦角；

f1——極限單位摩阻力，kPa，取值見表1。

qT的計算采用下列公式

式中：NT——承載力系數，取值見表1；

表1 土壤參數

4 樁土作用的橫向承載力

對于海上風力發電平臺的單樁基礎，由于樁的水平位移較大，樁周土從表層開始屈服，塑性區逐漸向下發展。對塑性區的土體采用極限地基反力法，對彈性區的土體采用彈性地基反力法，利用兩者邊界的連續條件求解，被稱作復合地基反力法(P-y曲線法)。

相對于其它方法，P-y曲線法考慮了各種地基，對靜載荷、動載荷以及循環載荷都適用，已經被DNV-OS-J101采納，是海工樁基設計的標準方法，也是目前對于波浪循環載荷作用下樁基的唯一合理的計算方法。

4.1 軟粘土的P-y曲線

樁側極限土抗力可以由下式計算：

式中:Su為土的不排水剪切強度，kPa;

γ′——為有效土體容重， ；

X——泥面以下的深度；

D——樁徑；

J——無因次常數，推薦采用0.5。

XR為極限水平承載力的轉折點深度，通常認為在XR范圍以內為淺層土，以外為深層土，可由下式估算：

在靜載荷下，

此處yc=2.5εcD，其中εc是不排水剪切試驗在1/2最大應力時出現的應變。

4.2 砂土的P-y曲線

樁側極限土抗力

其中C1，C2，C3以摩擦角φ為參數，可查圖1(a)。

某一給定深度X的砂土的P-y曲線可以表示為

K為初始模量，以摩擦角φ為參數，可查圖1(b)。

圖1 (a)C1，C2，C3與φ的關系 (b)K與φ的關系

5 計算實例

考慮到風況，上部結構選用丹麥Vesas 80風力發電機，如圖2，主要參數如下：

圖2 風力發電示意圖

直徑： 80m

輪轂高度(大約)： 60m

切入風速： 4m/s

額定風速： 15 m/s

切出風速： 25 m/s

塔架重量： 130t

機艙重量： 67t

轉子重量： 37t

風力發電平臺設計壽命20年，海域水深14.4m，采用目前技術比較成熟的單樁結構。單樁由兩段組成，即雙段樁結構(圖3)。基礎段采用Φ4200×75獨立樁(Monopile)結構，材料為16Mn鋼，樁(見圖4)入土深度31m,頂標高2.0m, 過渡段采用Φ4490×75，長為13.3m，底標高-4.3m,頂標高9.0m,與獨立樁重疊6.3m， 環形重疊區域進行灌漿處理。

圖3 雙段樁圖

圖4 單樁尺寸

平臺承受的50年一遇的風、冰、海流及活荷載組合工況見表2。

表2 平臺載荷表

海底不同深度的土層地質資料見表3和表4。

表3 粘土地質資料

表4 砂土地質資料

5.1 軸向承載力計算

根據不同土層的軸向承載力計算公式，可以求得相應的樁側摩阻力見表5。

表5 不同土層的樁側摩阻力

樁端阻力RT=qTAT=9×100×3.14×(42-3.952)/4=281kN；

由此可得受壓樁的軸向極限承載力 R=RS+RT=17783kN;

樁基礎軸向受力G=565×9.8=5537kN,G

軸向承載力滿足要求。

5.2 水平承載力計算

5.2.1 基本假定

(1)支撐結構(包括樁基礎和塔架)是線彈性的，單元節點力和節點位移之間保持線性關系；

(2)土體按照文克爾地基處理，土對樁的作用按照等效集中的非線性彈簧模擬，作用點是樁單元上的節點；

(3)樁末端采用豎向約束，可自由轉動和平移。

5.2.2 有限元建模

塔架采用PIPE16單元，上部結構采用一個質量單元，樁取全長，泥面以下采用PIPE16單元，按照1 m的標準長度劃分。土反力采用COMBIN39彈簧單元等效集中模擬，每個彈簧的F-D實常數分別對應著該土層的P-y曲線，利用Matlab編程繪出不同節點處的P-y曲線，將一系列P-y值輸入到COMBIN39單元自帶的F-D表格，有限元模型見圖5。

圖5 樁土分析的有限元模型

將平臺載荷表中的各載荷加到模型上，可以求得單樁的等效應力圖和橫向位移圖。

圖6 等效應力圖

圖7 結構總位移圖

從等效應力圖可知，樁的最大應力并不在樁的末端，而是在泥面以下約3倍樁徑處，這與海洋油氣工業中所用的等效樁法有較大的不同，但更接近于DNV-OS-J101的推薦作法。最大應力大約為91MPa，滿足強度要求。 從結構總位移圖可知樁在海平面處的位移為126mm，滿足極限狀況下結構的允許位移范圍。

6 風力發電平臺基礎結構的展望

海上風力發電平臺依其結構型式分為單樁、重力式混凝土沉箱、多樁及吸力錨式四種型式。單樁基礎不需要海底的前期處理，制造工藝簡單，但安裝時需要使用專門的風電工程裝備，施工費較高。重力式混凝土沉箱體積大，靠自重使塔架和風機

保持垂直，結構簡單，造價低，但需要海底找平。多樁基礎(多為三角架)樁徑較小，比單樁基礎的海底適用深度要大。吸力錨式基礎通將沉箱中的水抽出以形成負壓，適合于砂性土及軟粘土。

以上所說的基礎結構適用于淺海水域，而在更廣闊的深海水域，風能也更為豐富，基礎結構主要采用浮式結構，目前這種結構型式正處于研究階段，還沒有真正的工程實踐。深海水域可能離岸較遠，發電成本也較高，這就需要我們改進結構型式，以盡可能實現基礎成本控制最低。

[1] OCTOBER.DNV-OS-J101 Design of offshore wind turbine structures[S].2004.

[2] 邢作霞，陳 雷，姚興佳.海上風力發電機組基礎的選擇[J].能源工程,2005(6):34-37.

[3] 張建勇.淺海獨樁平臺有限元分析及合理結構型式研究[D].天津:天津大學，2005.