海上風機重力式基礎承載力校核與沉降分析

趙北辰，張永利

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001； 2.中原工學院建筑工程學院，鄭州 451191)

0 引 言

風能是一種潔凈的自然能源，沒有常規能源(如煤電，油電等)與核電造成環境污染的問題。有關研究表明，風能產生1兆瓦小時的電量可以減少0.8到0.9噸的溫室氣體，相當于煤或其他礦物燃料一年產生的氣體量。在常規能源日益告急和全球生態環境日益惡化的雙重壓力下，風能作為一種極具競爭力的清潔可再生能源點燃了人們開展深入研究的熱情。截止2019年底，中國風電累計裝機容量達到44.7GW，居世界首位。與陸上風電場相比，在海上建風電場不占用陸上土地，受環境制約少，而且海上平均風速高，離岸10km的海上風速比陸上風速高約25%。海上風湍流強度小，具有穩定的主導風向，機組承受的疲勞負荷較低，使得風機壽命更長；風切變小，因而塔架可以較短；海上風能的開發利用不會造成大氣污染和產生任何有害物質，可減少溫室效應氣體的排放，具有環保價值；對于人口比較集中，陸地面積相對較小、瀕臨海洋的國家或地區更適合發展海上風電[1]。近年來，我國在海上風電發展方面也取得了令人矚目的成績，2017年我國海上風電新增裝機從2016年的0.61GW增長到1.17GW，預計在2020年底，我國海上風電裝機將達到5GW。

與陸上相比，海上風電機組必須牢固地固定在海底，其支撐結構 (主要包括塔架、基礎和連接等)必須更加堅固，加之建設和維護工作需要使用專業船只和設備，所以海上風電的投資成本要高于陸上，一般是陸上風電投資成本的2-3倍。在海上風機的安裝成本中，基礎安裝費用約占總成本的30%，而且，風場裝機容量越小，基礎安裝費用所占比例越高；離岸距離越遠，水深越深，基礎安裝費用所占比例也會越高。因此，如何降低基礎安裝費用是當前近海風電場建設所面臨的主要挑戰。目前，海上風機基礎主要有六種類型，即單樁基礎、重力基礎、三腳架基礎、導管架基礎、負壓桶基和懸浮支撐基礎。據統計，全球65%以上的海上風電場采用單樁基礎，其次應用比較多的是重力基礎。單樁基礎的設計、施工技術已受到工程師和研究人員的廣泛關注，而重力基礎的研究則相對比薄弱。基于此，文章以Thornton Bank海上風電場為例，依照中國的相關規范進行了重力基礎的承載力校核和沉降計算，給出了完整的計算方法和流程，并應用Plaxis 3D tunnel程序對重力基礎的沉降進行三維有限元分析，將有限元分析結果與設計計算結果及規范限值與進行了對比，得到了一些有益的結論，可為今后中國海上風機基礎設計提供參考。

1 重力基礎的特點

重力基礎是將細長的鋼管或混凝土支撐結構錨固在一個大體積的方形或圓形混凝土基礎上(或塞滿填充物的鋼殼體上)，如圖1所示，該圖為丹麥Middelgrunden風電場所用的重力基礎形式。在重力基礎周圍做側板圍護，用于約束松軟土層，并將重力荷載傳遞至持力層，改善了水力條件，減少了潛在的沖刷影響，便于基礎灌漿。有時考慮到為減少冰載荷，將可能結冰或可能遭遇浮冰沖擊的位置做成錐形形狀。考慮到沉降和承載力分布的特征，重力基礎通常適用于均質土，但如果水深小于25m，在任何土質條件下都可以應用。在重力基礎施工前需要平整海床，且一定要采取防沖刷措施，重力基礎對海床的沖刷極為敏感，因為沖刷容易引起基礎較大的不均勻沉降。重力基礎設計時要避免基礎和海床間的浮力，這一點是通過施加足夠的自重來維持基礎的穩定的。重力基礎的優點是運輸方便，可以部分安裝好，運至現場后完成整體的組裝，拆卸也很方便。

2 Thornton Bank海上風電場簡介

Thornton Bank海上風電場是比利時第一個海上風電場，也是世界上第一個使用重力式基礎的海上風電場[5-7]。該風電場位于比利時海岸線以北30km處，水深約17-23m，由比利時C-Power集團承建，DEME公司為該項目提供技術支持。總規劃為60臺風電機5兆瓦，共計300兆瓦的裝機容量，總投資額預計超過8.5億歐元，預計年產電量為100GWh，可以滿足60萬人的家用電量。分三期建造，一期安裝6臺Repower風機，已經于2008年9月完工，總投資額約1.5億歐元。一期工程風機輪轂高于海平面94 m，葉輪直徑126m。塔架采用鋼結構，基礎為預應力混凝土重力式基礎，如圖1所示。該基礎為中空預應力混凝土結構，由圓柱形殼體、圓錐殼體和圓盤底座三部分構成。在水深最深位置，重力基礎結構從-27m延伸至+17m，基礎埋入土中3.5m。圓盤底座外徑為23.5m，內徑為8.5m，底座平均厚度為1.265m；圓錐部分從底座向上延伸17m，錐體底部直徑為17m，頂部直徑為6.5m，與風機鋼塔架直徑相匹配；總體上，殼體厚度都是0.5m，如圖2所示。風機設計使用年限為20a，基礎設計使用年限為30a。

圖1 重力基礎

圖2 風機結構示意圖

圖3 重力式基礎示意圖

重力基礎在陸上預制，由重型吊車在海上進行安裝，安置在預先鋪設的碎石層上。混凝土底座結構的重量約為2800-3000t，含鋼量約為200kg/m3。完成底座安裝后，將砂或砂與碎石混合物填入艙體內，填充完成后，重力式基礎底座的總重可達7000t。

4 海洋環境條件與場地地質資料

海洋環境條件如表1所示。海床面參考標高RSBL為-23.5m，基礎底面標高為-27.0m。海床土體參數如表2所示。

表1 海洋環境參數

表2 土體參數

5 地基承載力校核

根據載荷報告，基礎頂面位置處的荷載標準值為：豎向力8991kN，水平力5350 kN，彎矩59259 kN·m。應用SAP2000建立基礎的有限元模型，計算上部結構、環境荷載(風、波浪和海流)及基礎自重所引起的基底反力。基礎模型如圖4所示，不包含底座部分，即從-25.5 m至+17.0 m。經分析可得-25.5 m位置處的合力標準值分別為：豎向力70450 kN，水平力5792 kN和傾覆彎矩292386 kN·m。

(1)

(2)

Pmax=PN+PM

(3)

Pmin=PN-PM

(4)

式中：Nk為荷載標準組合下上部結構傳至底座基礎頂面的豎向荷載，kN；Gk為基礎自重和基礎上的土重，kN；A為基礎底面面積，m2；W為基礎底面的抵抗矩，m3。

(5)

圖4 SAP2000 模型

圖5 環形基礎基底壓力計算示意圖

(6)

Pmax=PN+PM

(7)

Pmin=PN-PM

(8)

式中：Nk為荷載標準組合下上部結構傳至底座基礎頂面的豎向荷載，kN ；Gk為基礎自重和基礎上的土重，kN；A為基礎底面面積，m2；W為基礎底面的抵抗矩，m3。

根據公式(1)-(4)可以計算出：PN=283kPa，PM=233kPa，Pmax=516 kPa，Pmin=50kPa，Pmax=516kPa。進而根據幾何條件，可以求得P1=199 kPa，P2=368kPa。由于公開的文獻中沒有持力層土體的極限承載力數據，文章借鑒《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63-2007)確定地基極限承載力。根據表2，持力層為黏質砂土，地基承載力基本允許值[fa0]=370kPa，經寬度修正后的地基承載力容許值[fa]=430kPa。顯然，地基承載力滿足如下兩式的要求：

PN≤[fa] (5)

Pmax≤1.25[fa] (6)

根據《風電機組地基基礎設計規范》(FD 003-2007) 8.1.4條，在極端荷載工況下，基底允許脫開的面積不超過總面積的25%。以上計算顯示Pmin>0，基礎未出現脫開地基土的情況，滿足此規范的要求[2-5]。

6基礎沉降與傾斜值計算方法

根據《煙囪設計規范》(GB 50051-2013)，環形基礎最終沉降量取C、D兩點(參考圖5)沉降量的平均值。根據第三部分的計算可知，基底壓力分布呈梯形，基礎將發生不均勻沉降[6]。根據《煙囪設計規范》(GB 50051-2013)，基礎傾斜可按如下規定計算：

1)分別計算與基礎最大壓力Pmax及最小壓力Pmin相對應的基礎外邊緣A、B兩點的沉降量SA和SB(參考圖5),基礎的傾斜值mθ可按下式計算：

(7)

式中：r1為環形基礎外徑。

2)計算在梯形荷載作用下的基礎沉降量SA和SB時，可將荷載分為均布荷載和三角形荷載，分別計算其相應的沉降量再進行疊加。

3)計算環形基礎在三角形荷載作用下的傾斜值時，可按半徑r1的圓板在三角形荷載作用下算得的A、B兩點沉降值，減去半徑為r4的圓板在相應的梯形荷載作用下。

表3 環形基礎沉降和傾斜值

算得的A、B兩點的沉降值。

按照上述計算方法得到的基礎沉降量和傾斜值如表3所示：從表3可以看出，環形基礎的沉降量和傾斜值均滿足規范要求。另外，按照風機廠商的要求，風機沉降差控制標準為：總的傾斜率控制在10°，其中安裝誤差控制在0.75°，沉降引起的傾斜控制在0.25°。根據表3的計算結果，沉降引起的傾斜為0.17°，滿足風機上部結構對基礎傾斜的要求。

7 有限元分析

7.1 有限元分析程序簡介

文章采用Plaxis 3D tunnel程序進行有限元分析，該程序是專門用于分析巖土工程變形和穩定性的大型有限元計算程序。巖土工程中需要應用先進的本構模型來模擬土體的非線性及土體與時間相關的性質，該程序提供了摩爾-庫侖、軟土徐變、土的硬化等屈服條件，可供計算時選擇。計算程序可進行變形分析、彈塑性計算、固結分析和修正的網形分析。該程序的特殊功能在于其能通過啟動和撤消單元群的方法來模擬開挖施工過程。概括地說，Plaxis 3D tunnel程序具有如下特點：

1)功能強大，應用范圍廣；

2)用戶界面友好，所有操作都是針對圖形，輸入輸出簡單；

3)自動生成優化的有限元網格，重要部位網格可以細分，以提高計算精度；

4)計算過程中可以動態顯示提示信息。

7.2 有限元建模

下面采用Plaxis 3D tunnel程序進行海上風機重力基礎的建模與力學分析。在應用Plaxis 3D unnel程序進行三維的有限元分析之前，首先建立一個二維的模型，并在此二維模型中定義所有的材料特性和邊界條件。然后，通過指定所有相關的Z坐標(Z平面和薄片)。Plaxis 3D提供了多種本構模型來模擬土的性能，采用眾所周知的摩爾- 庫侖模型。摩爾- 庫侖模型包括五個參數，即彈性模量(E)、泊松比(v)，內聚力(c)，摩擦角(φ)及密砂的剪脹角(ψ)，參考表2-2取值。在Plaxis 3D tunnel中，使用板來模擬重力基礎，將第5部分中計算出的基底壓力施加于此板上面。土體平面尺寸取為94m×94m。由于Plaxis 3D tunnel程序不能直接施加圓環形非均勻分布荷載，因此建模中將圓環形荷載等效為空心方形分布荷載，按照面積等效的原則。換算后的空心方形外邊長為23.5m，內邊長為12m。所建立的三維模型如圖6所示。

7.3 有限元計算結果

按照7.2所述的方法開展有限元計算，部分結果如圖7-9所示。圖7為計算出的總體位移云圖，從圖中可以看出，基礎對周圍土的影響基本呈環狀分布，影響顯著的范圍約為環形基礎外徑的2倍。圖8、9分別為基底中心下剖面土體垂直位移云圖和水平位移云圖。圖8表明，由于基底壓力分布的不均勻性導致了環形基礎發生不均勻沉降。圖9表明，不只是垂直位移是不均勻的，基底兩側土體的水平位移也呈現非對稱分布，其中，基底壓力較大一側外邊緣土體水平位移幅值較大。表4給出了重力基礎控制點的沉降量及總體傾斜，有限元分析結果也證實了該基礎是安全的。與表3對比表明，有限元法計算結果偏小，這也從側面證明了文章給出的計算方法可以用于海上風機重力基礎的設計。

圖6 三維有限元模型 圖7 土體總體變形云圖

表4 環形基礎沉降和傾斜值(有限元法)

8 結 論

以Thornton Bank海上風電場為例，首先依照中國的相關規范及土力學理論給出了承載力校核的計算方法，并進行了計算，結果表明，所設計的重力基礎承載力滿足要求；而后給出了重力基礎沉降和傾斜的計算方法并進行了相關計算，結果表明，其沉降量和傾斜均滿足中國規范要求；最后應用Plaxis 3D tunnel程序對該重力基礎的沉降進行三維有限元分析，與規范法相比，有限元法計算結果偏小，從側面證實了文章所述方法可以用于海上風機重力基礎的設計之中。