針對南海區域的三樁（超長樁腿）導管架式海上測風塔基礎設計與施工技術應用

張淇宣

【摘 要】本海上測風塔工程采用了三樁導管架式基礎，是目前國內海上風電插群樁型基礎項目中鋼管樁最長的項目，且鋼管樁設計為斜樁，具有一定的施工難度。本項目以安全、經濟、可靠為原則，從設計階段開始進行綜合計算、比選，選擇了經濟、可行的最優設計方案。在施工階段，通過合理地選擇海上施工船泊設備及相應的施工工藝，選擇最優的施工作業窗口期，確保了整個工程的安全、經濟、可靠。本工程海上測風塔針對南海區域的環境特點，選擇了三樁（超長樁腿）導管架式基礎型式，較附近海域某類似工程四樁導管架式海上測風塔在建安工程總費用節省了220萬元。本文著重對本工程樁基礎部分的結構設計與施工技術情況進行介紹，為類似工程提供參考。

【關鍵詞】海上測風塔；三樁基礎；設計與施工技術

中圖分類號： TU473.1 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.046

0 引言

隨著我國風電事業的不斷發展，海上風電已經成為其中重要的一部分。海上風能資源豐富而且穩定，風資源情況優于陸地，且不涉及土地征用等問題。我國擁有海岸線長約1.8萬公里，風能資源豐富，其中近海風能資源主要集中在東南沿海及其附近島嶼，有效風能密度在300W/m2以上。5-50m水深、70m高度海上風電開發潛力約5億千瓦[1]。我國海上風電具有大規模開發的潛力，特別是水深小于50 m的近海淺水區，更是現階段風電發展的方向。如何樹立安全、經濟的海上測風塔，做好場址內風能資源收集和評估工作，對于項目投資決策和風機布置至關重要。

1 海上測風塔概況

本工程位于南海海域珠江口外某海上風電場中部的位置，水深約25米，場址區域內建設100m高度海上測風塔，收集海上風能資源情況。2014年4月完成工程初步勘察；同年5月完成工程初步設計；2015年10月，全面完成報批報建手續，全面啟動項目測風塔的建設施工工作。2016年6月，全面完成海上測風塔架設，開始進入測風階段工作。

2 海上測風塔審批

本工程同其他海上風電測風塔項目一樣，都必須先征求海事、漁業主管部門和軍隊環境保護部門及地方海洋部門的意見[2]。取得相應批復后，才能建設，主要包括：通航安全許可、水上水下活動許可證、航標許可、航空許可、海域使用及軍方許可等多項行政性審批文件。

3 海上測風塔設計

3.1 測風塔基礎結構形式設計

常見的測風塔基礎型式有單樁基礎、三樁導管架基礎、四樁導管架基礎、高樁承臺基礎、重力式基礎等。結合本工程水文氣象及地質條件和各基礎型式施工造價特點，本工程采用三樁導管架基礎。

3.2 設計荷載與設計工況

海上測風塔設計過程中考慮的荷載主要包括基礎自重，上部塔架荷載、波浪力、水流力、風荷載、冰荷載和地震力等[3]。本工程礎設計考慮的荷載主要有：測風塔自重、平臺自重、測風塔極端風荷載、波浪荷載等。

（1）風荷載計算：根據《建筑結構荷載規范》及《高聳結構設計規范》，風荷載計算采用10m高度50年一遇10min平均最大風速作為極端工作狀況荷載進行設計。

（2）波浪荷載計算：波浪荷載計算采用重現期50年的分方向波浪要素作為極端工況波浪荷載進行設計，并與風荷載進行組合。工程波浪荷載依據《海港水文規范》（JTS145-2-2013）小直徑樁組成的群樁結構進行計算。

（3）海流荷載計算：根據《港口工程荷載規范》（JTS144-1-2010）13.0.1進行水流力標準值計算。

（4）地震荷載：根據《高聳結構設計規范》（GB 50135-2006）及《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），計算，結果顯示，地震作用影響較小。

（5）荷載組合：

標準組合：分項系數均取為1，樁基承載力采用該組合。基本組合：永久荷載對結構不利時，分項系數取1.2，對結構有利時，分項系數取1。風荷載和波浪力按活荷載考慮，分項系數為1.4，其他系數均取為1。樁身承載力、樁穩定性、承臺設計采用基本組合。

3.3 結構受力分析及基礎設計與計算

3.3.1 持力層選擇

根據地質資料及荷載，經初步計算，在樁徑1.5m時，由于-83.2m高程以上各土層地質條件較差，采用鋼平臺時無法提供足夠的抗拔承載力，最終將-83.2m以下的中砂層作為樁端持力層。

3.3.2 樁徑選擇

由于持力層在-83.2m以下的中砂層，該層的側摩阻力為122kPa，增加較短樁長即能得到較大的抗拔承載力。根據初步計算，1.5m樁徑，樁端進入中砂層5m，樁基滿足承載力要求。

3.3.3 結構分析及樁身傾斜度選擇

結構分析采用大型通用有限元程序進行計算，模型桿件采用梁單元進行分析，通過計算分析，結構內力圖見圖1及2。

通過內力分析，腿柱及撐桿在外力作用下均為壓彎構件，對不同的傾斜率進行建模分析發現隨著腿柱傾斜的增大，用鋼量逐漸降低。當傾斜率增大到一定程度時，用鋼量又開始增大，最終選定最優的傾斜率為1：4。

3.3.4 樁身及鋼承臺承載力驗算

采用Midas Soilworks對樁基礎進行建模，分析樁的受力情況；采用Midas Gen建立結構的整體模型。之后采用Midas GTS對土體及上部結構進行了整體建模，經過樁基承載力驗算、樁身內力計算、樁身強度驗算、樁身穩定性驗算，設計滿足要求。

3.4 綜合基礎設計結論

通過上述設計及驗算，本工程測風塔基礎采用三樁導管架承臺方案，樁基礎為 1.5m 直徑鋼管樁，壁厚20mm。樁頂高程 1.5m（85 高程），主風向抗壓樁傾斜 15°，抗拔樁 10°，樁端持力層為中砂層，樁長約 94m，進入持力層約 5m，樁基承載力以抗拔控制。導管架承臺與樁頂采用剛性連接，承臺高度約 8m，與塔連接塔腳頂部高程 10m。塔基跟開度為 8.1m，上下弦桿間距約 7.58m。主要構件包含腿柱、撐桿、弦桿，采用 Q345B 鋼管，腿柱及撐桿直徑分別為 1.2m 和 0.6m，弦桿直徑從 0.4m～0.6m 不等。次要構件包含平板、鋼板格柵、爬梯等輔助構件，材料采用 Q235A。并進行專門的防腐蝕設計、防沖刷設計和靠船、漂浮物防撞設計，保證本次安全，測風塔基礎及導管架部分實物圖如下圖3所示。

4 測風塔施工

本工程選取廣東省長大公路工程有限公司建造的“長大海基”號進行施工。該船總長74.75米，型寬27.00米，型深5.20米，設計吃水2.80米，結構吃水3.50米，樁架高度（距設計水線）100.00米，最大植樁樁徑3200毫米，最大植樁長度85米+水深，最大植樁重200噸，裝有精度為厘米級的GPS定位系統，能精確定位打樁，配備荷蘭進口的IHC S-600液壓打樁錘[4]。本次長94米、直徑1.5米、重量為87噸的斜樁打樁作業也是該船第一次打的最長的鋼管樁。打樁船在定好位置后，沉樁的施工順序及流程如下：

（1）起樁→（2）立樁→（3）插樁→（4）錘擊沉樁→（5）停錘、移船→（6）打樁監測→（7）承臺吊裝→（8）連接段灌漿施工→（9）測風塔底節吊節→（10）測風塔主體安裝→（11）測風設備安裝及調試→（12）接收數據正式測風。

5 與同類型工程的建安工程費用對比

本工程三樁導管架式海上測風塔以安全、經濟、可靠為原則，選擇了最優設計方案。在施工階段，通過合理地選擇海上施工船泊設備及相應的施工工藝，周密地做好了施工的各項工作。本工程三樁導管架式海上測風塔建安工程總費用為564.89萬元，較附近海域某四樁導管架式海上測風塔建安工程總費用的785.5920萬元共節省了220.702萬元。

6 結論

（1）測風塔結構設計充分考慮了海上施工的特點，針對地質條件復雜，軟基層很厚，表層土土質力學性能比較差，持力層埋置較深等特點。計算分析選擇了合理的設計荷載，設計了目前國內海上風電插群樁型基礎項目最長的鋼管樁。通過對不同類型的基礎方案的綜合對比分析，選定采用導管架基礎形式。在不增加樁徑的情況下，通過加勁板保證了結構的整體穩定性。通過對不同傾斜率的樁進行有限元分析，選定了最優的傾斜率。通過多款軟件的對比分析，相互驗證，保證了計算結果的正確性。設計力求結構受力合理、造價經濟、施工方便可行。實踐證明測風塔設計適合該建設海域，方案可行。為今后南海海域海上風電建設提供了很好的參考意義。

（2）由于受海上惡劣環境影響，測風塔施工工期長、難度大。本工程在施工前根據地質情況、工期緊張和氣候變化大的特點，運用海洋氣象臺、本地觀測站等氣象數據，結合長期在該區域作業施工人員及漁民提供的經驗，做好施工窗口期的判斷及把控，基礎施工整體安排及船舶配合經驗為今后的海上風電工程提供了很好的經驗和借鑒意義。

（3）通過設計方案的優化，合理地選擇海上施工設備及相應的施工工藝，施工整體安排及船舶配合的周密組織，施工窗口期的準確判斷及把控。本工程三樁導管架式海上測風塔建安工程總費用為564.89萬元，較附近海域類似工程四樁導管架式海上測風塔建安工程總費用的785.5920萬元共節省了220.702萬元。

【參考文獻】

[1]李俊峰.中國風電發展報告[R].北京：中國環境科學出版社.2012.

[2]國家海洋局.海洋工程建設項目環境影響報告書核準事項服務指南[Z].2016-09-12.

[3]唐東洋，萬慶宇，張蓉，翟鋼軍.鋼質平臺海上測風塔基礎結構強度及穩定性分析[J].船舶工程，2013年05期.

[4]馮章杰.超大型打樁船在海上樁基工程中的應用研究[D].三峽大學，2015.