巖基海床區高樁承臺基礎沉樁高程偏差對風機基礎性能影響分析

李響亮

(福建省水利水電勘測設計研究院有限公司，福建 福州 350001)

0 引 言

高樁承臺基礎作為國內海上風電場應用最早的基礎形式，已在國內海上風電場工程中得到了大規模的應用，取得了良好的效果。跟單樁基礎、導管架基礎等其他基礎形式相比，高樁承臺基礎地質適應性強，對船機設備能力要求低，國內可利用船機資源多，應用于復雜巖基海床海上風電場時，具備較大的性能和經濟優勢[1]。然而在巖基海床進行高樁承臺基礎設計時，鋼管樁沉樁受地質條件影響，樁端高程存在較大的不確定性，尤其在島礁錯綜復雜的海域，實際樁端高程可能與設計要求存在較大偏差。而樁基作為高樁承臺基礎的重要支撐構件，其沉樁情況對高樁承臺基礎的鋼管樁應力、樁基承載力、基礎動力模態均會產生影響[2]。因海上風機基礎現場施工，工期緊，難度大，實際沉樁與原設計產生偏差后，能否快速對偏差所帶來的基礎性能變化作出判斷，進而開展后續施工工序或在風機基礎設計前即對沉樁的不確定性進行充分考慮，制定好預留措施，均對節約施工設備資源，節省工程投資具有十分重要的意義。

1 建設條件

1.1 風電場概況

工程位于福建省福清市海壇海峽海域，受“臺灣海峽”和“海壇海峽”雙峽管效應影響，場區內風速大，臺風頻繁，形成了國內極端的海洋氣象條件。同時，由于該風電場三面環島，形成了極端的海底地形地貌，場區內島礁發育走向復雜，鋼管樁樁端高程確定十分困難。工程區共計46個機位，基礎形式均采用高樁承臺基礎，其中1臺基礎采用“打鉆打”施工工藝，未涉及沉樁工序和樁端高程偏差，因此本文后續分析中均不含該機位。剩余45臺機位中高樁承臺八樁基礎3臺，六樁基礎42臺。八樁基礎均采用5∶1的斜樁基礎，風機均采用7.0 MW風機機組。六樁基礎中采用8∶1的斜樁基礎13臺，風機均采用7.0 MW風機機組；六樁基礎中采用直樁基礎29臺，其中采用7.0 MW風機機組5臺，采用6.2 MW風機機組24臺。

1.2 風機參數

工程區45臺風機機組中21臺采用7.0 MW風機機組，24臺采用6.2 MW風機機組，風機類型均為IEC IA類，根據風機廠家資料和風電場風機載荷迭代結果，廠家風機機組技術參數如表1所示。

表1 風機機組技術參數

2 樁端高程偏差總結

工程區域內島礁、巖礁、潮汐通道及沖刷槽等各種地質地貌均有發育，海底地形起伏較大。既存在弱風化花崗巖直接揭示，無強風化花崗巖的基巖埋深極淺機位，也存在強風化花崗巖埋深超過40 m，未發現弱風化花崗巖的基巖埋深極深機位。同時，由于同一機位不同地層之間變化劇烈，花崗巖存在風化不均一性，全風化及散體狀強風化巖層中可能夾有弱風化的碎塊石和孤石，碎裂狀強風化巖層中可能夾弱風化的碎塊石和孤石等諸多不利于沉樁施工的情況。工程區具有鮮明的福建海域花崗巖特性，地層復雜多變，給海上風電樁基礎施工帶來較大的難度，設計標高與實際沉樁標高往往并不統一[3]。工程區45臺機位高樁承臺基礎多數存在超高或超打情況，結合實際沉樁資料，對4類不同基礎實際沉樁情況與設計標高偏差最大超高和超打機位進行統計，結果如表2所示。

表2 風電場樁端高程偏差統計結果

根據統計結果，風電場不同基礎類型的鋼管樁實際樁端高程與設計樁端高程均存在偏差，其中最大超高發生在7.0 MW風機高樁承臺六樁直樁基礎，樁基類型為鉆孔摩擦樁，最大超高達到了18.65 m。最大超打發生在7.0 MW風機高樁承臺六樁斜樁基礎，樁基類型為嵌巖樁，最大超打量為1.73 m，根據實際資料復核，上述情況對風機基礎性能均產生了不同程度的影響，已對超出設計標準機位進行了設計變更。

3 邊界條件

3.1 基礎參數

風電場風機基礎均采用高樁承臺基礎。7.0 MW風機基礎采用斜樁和直樁2種樁基形式，八樁基礎鋼管樁斜率5∶1，樁徑2.0 m，壁厚30 mm，六樁基礎鋼管樁斜率8∶1，樁徑2.1 m，壁厚40 mm。2種形式風機基礎承臺直徑均為17.0 m，承臺底高程4.0 m，頂高程8.8 m，高4.8 m，其中，4.0 m高程處斜樁基礎布樁半徑6.0 m，直樁基礎布樁半徑6.3 m。6.2 MW風機基礎采用直樁形式，鋼管樁樁徑2.0 m，壁厚30 mm，基礎承臺直徑16.0 m，承臺底高程4.0 m，頂高程8.8 m，高4.8 m，4.0 m高程處布樁半徑6.0 m。風電場所有基礎鋼管樁入承臺深度1.8 m，鋼管樁與承臺連接件高2.0 m。

風機基礎樁土相互作用采用海上風電基礎設計中被廣泛應用的p-y曲線法[4]，基礎設計時不僅考慮了鋼管樁樁側、樁端和土體之間的相互作用，同時，還考慮了樁的側向水平土抗力和位移的相互作用。風機基礎樁土作用簡化模型如圖1所示。風電場風機基礎鋼管樁持力層為散體狀強風化花崗巖，本文在后續計算分析時，當樁基超高時，將樁端可打入層厚度減小，鋼管樁樁長相應減小；超打時，降低樁端高程，可打入層厚度增加，鋼管樁樁長相應增加。上述調整過程中嵌巖段長度不變。

圖1 樁土作用模型示意

3.2 控制標準

風機基礎鋼管樁應力、樁基承載力、嵌巖樁樁端裂紋大小分別按現行標準《鋼結構設計標準》[5]、《碼頭結構設計規范》[6]、《水運工程混凝土結構設計規范》[7]執行。基礎模態除滿足風機葉輪運行的1P、3P、工程區波浪頻率外，還需要滿足風機廠家對風機基礎頻率的要求。風機基礎頻率判斷區間如圖2所示。圖2中，當風機基礎1階整機頻率位于①、②、③的區間時，可滿足風機廠家要求(本工程廠家要求頻率與葉片3P頻率存在一定交叉，如表1所示，已得到廠家確認，廠家可通過風機轉動策略進行控制，基礎設計應嚴格執行廠家要求頻率)。本工程2種風機機組廠家要求風機1階整機頻率區間分別為0.313～0.338 Hz和0.337～0.379 Hz，頻率區間極其有限，對風機基礎設計的精確性提出了較高要求，現場沉樁所帶來風機整機頻率變動是否滿足廠家要求，存在較大的不確定性。

圖2 風機基礎頻率判斷區間

4 參數影響分析

4.1 實際高程偏差影響分析

根據工程實際沉樁資料，45臺機位中多個機位實際沉樁標高與設計標高存在偏差，風電場4種不同基礎類型中的最大超高和超打情況如表2所示，其中摩擦樁基礎中最大超高為9.65 m，最大超打1.30 m，鉆孔摩擦樁基礎和嵌巖樁基礎中超高最大值為18.65 m，最大超打1.73 m。考慮到巖基海床區域高樁承臺基礎的設計指標主要包括樁基應力、摩擦樁基礎的樁基承載力，嵌巖樁基礎樁端裂紋以及風機基礎整機頻率等[8]，對不同基礎型式實際沉樁條件下風機基礎性能進行計算，所得沉樁偏差對各項技術指標的影響結果如圖3和圖4所示。

圖3 對基礎模態的影響

圖4 對樁基應力和承載力影響

由圖3、4可知，沉樁高程偏差對基礎各項性能均有不同程度的影響。其中，對摩擦樁基礎的樁基承載力和嵌巖樁基礎的樁端裂紋影響程度較大，所統計機位中摩擦樁最大抗拔承載力折減已至51.1%，嵌巖樁最大樁端裂紋增大已至145.8%。較大的實際沉樁偏差將導致樁基所能提供的承載力大幅度下降，此種情況也導致了工程區部分摩擦樁基礎因樁基承載力不足而進行了設計變更。沉樁偏差對嵌巖樁基礎的樁基承載力影響相對較小，但對嵌巖樁樁端的裂紋影響較大，實際工程中較大超高現象將導致樁端裂紋無法滿足規范要求，通常情況下需結合實際情況重新進行嵌巖段配筋。在樁基應力方面，樁端高程偏差對各種基礎樁基應力影響均較小，本工程均位于5%以內。

在風機基礎模態方面，由于不同的風機廠家要求的頻率區間以及給定的區間大小存在差異，不同基礎類型和原設計條件的基礎，情況有所不同，對于原已在頻率要求區間邊界處的機位而言，一定的超高或超打可能導致風機整機頻率無法滿足廠家要求，例如圖3中7.0 MW六樁斜樁基礎最大超高時基礎頻率已超過廠家要求。

4.2 高程偏差敏感性分析

結合上文風電場實際沉樁情況對風機基礎性能的影響分析結果，樁端高程偏差主要對摩擦樁的樁基承載力、嵌巖樁的樁端裂紋以及風機整機模態影響相對較大。為分析樁端高程偏差對上述性能影響程度，結合風電場實際資料進行敏感性分析。

4.2.1 對樁基性能的影響

取風電場摩擦樁基礎和嵌巖基礎各2臺，通過對樁端高程進行調整，對摩擦樁基礎的樁基承載力和嵌巖樁基礎的樁端裂紋進行計算與統計，結果如圖5和圖6所示。

圖5 對摩擦樁樁基承載力的影響

圖6 對嵌巖樁樁端裂紋的影響

由圖5可知，樁端高程偏差對摩擦樁樁基承載力影響較大，其中抗拔承載力折減大于抗壓承載力折減，樁端高程在2 m范圍內變化情況下，無論是抗拔承載力還是抗壓承載力，折減比例已至10%～20%。由圖6可知，樁基存在超打現象時，樁端混凝土裂紋會隨之減小，存在超高現象時，樁端混凝土裂紋隨之增大，隨著樁基入土深度的增加，裂紋的增大有減小趨勢，算例中在樁端高程偏差分別超過2 m和4 m時，樁端裂紋超過規范要求數值，需調整嵌巖段配筋設計。

4.2.2 對基礎模態的影響

取風電場7.0 MW和6.2 MW風機基礎各2臺，通過對鋼管樁樁端高程進行調整，對風機基礎1階整機頻率進行計算與統計，結果如圖7和圖8所示。

圖7 7.0 MW機組敏感性分析

圖8 6.2 MW機組敏感性分析

由圖7、8可知，風機基礎整機頻率隨著鋼管樁入土深度的增大，整機頻率呈增大趨勢。圖7中，7.0 MW風機整機頻率要求區間為0.313～0.338 Hz，原設計整機頻率為0.336 7 Hz的基礎，頻率接近廠家要求頻率上限，當鋼管樁樁端超高2 m后，整機頻率為0.338 4 Hz，超出廠家要求頻率區間。原設計整機頻率為0.321 0 Hz的基礎，頻率位于廠家要求頻率中間，當樁端高程偏差超過±8 m時，風機整機頻率仍滿足要求。圖8中，6.2 MW風機整機頻率要求區間為0.337 0～0.379 0 Hz，2臺基礎原設計整機頻率分別為0.363 2 Hz和0.370 9 Hz，均較接近廠家要求頻率上限，但因廠家要求頻率區間較大，當樁端高程差超過±8 m時，仍在廠家要求范圍內。綜合圖7和圖8計算結果和風電場實際沉樁統計資料，由于巖基海床區，鋼管樁超高現象較超打情況普遍，建議在風機基礎設計時，可將風機基礎一階頻率控制于廠家要求頻率中間且可適當偏下限，以適應后續因鋼管樁超高或超打所導致的風機頻率變化。

5 結論與建議

本文以福建省某巖基海床異常復雜地質條件下實際沉樁資料為出發點，通過分析風電場實際沉樁高程偏差及其帶來的風機基礎性能的變化，得到的結論和建議有

(1)巖基海床區高樁承臺基礎沉樁高程偏差主要影響摩擦樁基礎樁基承載力，嵌巖樁基礎樁端裂紋以及2種基礎的風機整機頻率。對嵌巖樁基礎的樁基承載力和2種基礎的鋼管樁應力影響相對較小。

(2)對摩擦樁基礎而言，在進行風機基礎設計時，應充分考慮風電場摩擦樁基礎的鋼管樁可打入性以及地層變化，對風機基礎鋼管樁采用預留一定長度措施，在盡量節省風機基礎投資的同時，確保基礎的安全。同時，為避免設計變更，基礎設計時應使風機基礎承載力留有一定的安全儲備。

(3)對嵌巖樁基礎而言，在鋼管樁沉樁完成后，應對風電場存在較大超高現象的機位進行樁端裂紋復核。同時，建議基礎設計時，對于地質復雜的機位，裂紋計算應留足安全儲備，以減小設計變更，加快工程建設進度。

(4)在進行風機基礎動力模態設計時，應結合風電場設計資料和廠家要求綜合判斷，對于巖基海床高樁承臺基礎，應盡量使風機整機一階頻率位于廠家要求頻率區間的中間。同時，對于區間頻率要求窄小的風機機組，更應嚴格控制每臺基礎的整機頻率。