海上風電大直徑寬淺筒型基礎結構設計及安全性研究

王宇楠

福建省水利水電勘測設計研究院 福建福州 350000

隨著我國能源結構的不斷調整，海上風能因其巨大的社會和環保效益而被視為能源發展的重點。近年來，國家對海上風電的政策支持力度和資本投入不斷增大，海上風電在國內迅速發展，在《2019年全球海上風電展望報告》中指出，我國海上風電潛力達8323TWh/年，其中淺水海域4691TWh/年，海上風電開發潛力巨大。2019年，中國海上風電新增裝機量占全球的39%，達到創紀錄的2.4GW，同比增長了近51%，中國海上風電累計裝機容量占全球的26%。隨著單機容量的不斷增加，海上風電機組的風輪直徑也在不斷增大。新增裝機的機組平均風輪直徑已由2009年的89米增加到2019年的143米。中國海床的構成特征決定了中國海上風電機組的工程成本將高于歐洲，而中國海域的夏季臺風則對海上風電帶來嚴峻的挑戰，這就需要海上風電機組有更高的可靠性和更低的成本。由于海上風能資源豐富，而且不占用陸上耕地，遠離居住區，噪聲污染小，使其成為各國競相開發的資源。[1]海上風電建設的難度要遠遠大于陸地發電的建設，但是它有著不可替代的優勢，所以海上風電建設是非常有必要的。在海上風電建設中經歷了理論可行性研究階段、對風險和障礙進行分析研究和對抗階段、實驗性風電場建立等階段，如今歐洲的許多國家都已經建立了一定規模的海上發電場，我國的沿海領域有著巨大的開發前景，如今我國的海上發電廠建設也已經提上了議程。

鑒于海上風電技術的不斷完善，海上風電場建設中常出現各種技術問題，這對我國的研究給予了較大空間，尤其在海上風電機組基礎設計和施工這方面，筒型基礎逐漸顯示出承載力高、穩定性優、制作施工方便、可以拖航等優點，在海上風電具備廣闊的應用前景。為此，本文綜述了國內外海上風電大直徑寬淺筒型基礎結構設計應用現狀及面臨的問題，對后期筒型結構基礎的優化提供參考。

一、國內外海上風電基礎結構形式

目前，國內外海上風電基礎結構應用形式主要包括重力式基礎、樁式基礎、漂浮式基礎、沉箱式基礎等結構形式，我們在本文討論的筒型基礎結構也屬于沉箱基礎結構的一種。我們之所以會選擇筒型基礎結構來進行研究和討論，是由于我國大多數海域都處于初級建設的階段，因此還有許多問題需要進一步探索和解決，海上條件要比陸上條件惡劣得多，采用筒型基礎結構可以對抗海上惡劣因素，同時還可以在保障安全的前提下，較大程度上節約成本。

二、筒型基礎結構的應用現狀及問題

近年來，我們加大了海域資源開發程度，在開發過程中筒型基礎結構發揮了不可替代、獨具優勢的作用，該基礎形式自從應用以來就得到了相關行業和部門的重視，同時專家和學者也在對這一基礎結構做進一步的研究和開發。筒型基礎是一種倒扣筒狀結構形式，利用負壓下沉原理使筒體下沉至泥面，在一定程度上還可以起到加固地基土體的作用，這種基礎結合樁基和重力基礎的特點，還具有制作迅速、施工便捷、可重復利用等特點。

從目前的階段來看，相關人員主要對小直徑筒機的一些特性進行研究，在大直徑寬淺筒型機構方面的研究還需要進一步加強。筒型基礎在海上風電方面的研究僅有幾年的時間，因此無論是在技術上還是在經驗上都需要進行全面而細致的開發和研究。在海上風電的建設中基礎結構往往擔負著承載大彎矩負荷的功能，所以其作用是相當重要的，在基礎結構建設中需要大直徑寬淺筒，但是從目前的情況來看，僅有我國個別項目及丹麥的一家電廠利用大直徑寬淺筒機成功地組建了發電機組，成功案例罕見。但隨著時間的流逝和技術的提高，成功案例將會越來越多。

從目前來看，我們較多地采用極限平衡法、極限分析法、有限元法等方法來進行筒型基礎承載力的計算。

(一)極限平衡法

極限平衡法指的是在一定的屈服條件下，利用力矩和應用力之間的平衡公式進行計算，通過計算來得出基礎結構在含有一定待定參數的情況下的極限荷載表達方式以及安全系數，并在此基礎上對關鍵數據進行極值求解。

如滑動面法、梅耶霍夫公式、漢森公式等都屬于極限平衡公式，可以有效地計算出筒型基礎承載力數據。目前，筒型基礎不同失效模式、不同基礎形式情況下仍舊沒有規范的計算方法可以使用。

(二)極限分析法

所謂的極限分析法有另外一個名稱叫作極限反法，這一分析方法認為抗傾覆力矩是由筒頂蓋下垂直反力來承擔的，并能夠在一定程度上影響水平承載力。經過有限元解驗證分析和離心機模型試驗，我們證明了該分析方法是具有非常大的可行性的，與實際受力狀態是相符合的。在進行基礎的筒型基礎設計時，需要對筒型基礎的承載力進行計算，根據過去的經驗我們認為極限分析法能夠有效地計算出筒型基礎的承載力，能夠對筒型基礎參數計算起到優化的作用。

(三)有限單元法

計算筒型基礎承載力是一項非常復雜的事情，如果我們能夠善用有限單元法來解決這一問題，那么我們就能夠化復雜為簡單。有限單元法的理念是把一整個系統或整體細分為若干個小的單元，這些單元彼此之間具有邏輯關系，但是也能各自獨立。有限單元法能夠對各種幾何圖形進行模擬，通過這種方式可以幫助我們解決求解區域的求解問題。有限單元法也有其一定的約束性，那就是在當今網絡與數據技術的支持下，我們只能利用有限單元法求出求解區域的近似值，而無法計算出非常精準的數值，因此，我們在采用該方法進行計算時需要根據實際情況來決定是否合理，如果需要計算精確數值，那么就不適用有限單元法，如果僅僅需要近似數值，我們就可以使用有限單元法來解決。

如果我們想通過有限單元法計算出較為精確的數值，那么我們就需要更為精確的先決條件，例如在一定程度上增加組成單元的數目，使單元范圍進一步縮小化，使先決條件進一步得到收斂，只有這樣我們所計算出來的近似值才能更接近精確值，總之在有限單元法計算方面我們還需要進行持續的研究和改進。

三、筒型結構基礎設計現狀及其存在的問題

大直徑寬淺式筒型基礎是適應海上風電特征荷載作用的新型基礎型式。筒型基礎的直徑、入土深度、頂蓋及側壁厚度是控制其抗彎能力的重要技術參數。[2]在筒型基礎結構設計過程中，由于海域地質條件有所不同、筒型機器的破壞模式也有所差異，因此，我們在計算筒型基礎結構的負荷力及穩定性計算時就要使用不同的公式，目前，還沒有一種通用的公式能夠解決不同條件下筒型基礎承載力和穩定性的數據計算。在筒型基礎承載力、安全性等數據的計算公式方面既沒有相關權威文獻資料更不具備行業規范。在大直徑寬淺筒型基礎設計方面更是缺乏突破性，在這種情況下，大直徑寬淺筒型基礎結構成為不被推薦的基礎結構之一。

筒型基礎結構的豎向承受力、抗傾能力、筒型基礎結構水平及地基的沉降狀況都是決定筒型基礎結構安全性的重要因素。在過去的研究過程中，我們發現以上對筒基安全性起到決定性因素的四項重要因素都屬于筒基承載能力的計算考核指標范圍之內，由此可以看出，筒基承載力的計算與筒基的安全系數緊密相關。目前我們對筒基承載能力的研究還處于一個比較初級的階段，主要研究范圍為筒基靜力穩定性推導驗證，在筒基承載力計算安全系數確認方面還有很長的路要走，還有很大的上升空間。目前我國對于動荷載下筒基承載力數據方面的研究可以說是少之又少，相關學者通過多年的研究，目前只是對小直徑筒基循環荷載下的承載力計算進行了初步的實驗驗證研究，取得了一定的初步成果。海上風電的工作過程中上部的塔架結構在風荷載動力下進行持續不斷地重復擺動作業，在這種情況下基礎結構需要循環承受往復荷載。基于此，我們要分析出筒型基礎結構的安全性就需要對筒基的靜力極限荷載進行計算和驗證，也需要對動力荷載進行計算和驗證，只有這樣我們才能對筒基的安全性有一個正確的判斷。

通過上文可以看出，目前為止，我們在筒型基礎結構設計方面沒有相應規范和文獻資料的支持，不過可以肯定的是筒型基礎結構設計中幾何尺寸數據的確定可以通過筒基承載計算公式來決定。由此可以得出結論，我們可以將筒型基礎的承載力計算方式進行科學合理的簡化，而簡化后計算公式可以為該公式的推廣帶來很大的便利。筒型基礎結構的安全性與地基情況、作用荷載及幾何尺寸數據等因素息息相關。在計算筒型基礎結構的靜力負荷數據、動力荷載數據及耦合荷載數據及其安全性時，我們可以采用有限單元法和模型試驗相結合的方式。海上風電發展前景廣闊，海上風機基礎結構的經濟性、安全性與穩定性成為當今的研究重點。筒型基礎以其自身優勢展現出作為海上風電基礎的很大發展空間。[3]

四、海上風電筒型基礎結構的設計方法

(一)荷載組合的設計

我們在設計海上風電基礎結構時要考慮到最不利的因素，按照同時作用于筒基結構和塔架的靜力、動力最大負荷來進行荷載組合的設計。同時，海域條件不同，我們也要采用不同的方式來對荷載組合進行合理設計。

我們在進行筒型荷載組合時要考慮到靜力負荷、動力負荷、耦合負荷等各個方面的因素，在筒型荷載組合的設計過程中我們還要充分考慮到環境荷載的因素，例如以下幾點內容。

(1)在環境條件較為適中的工作環境中對靜力荷載及動力荷載進行組合設計；

(2)在環境條件較為極端的情況下對靜力荷載及動力荷載進行組合設計；

(3)在存在地震可能的環境條件下對靜力荷載、動力荷載和地震荷載進行組合設計。

在進行筒型基礎結構設計的時候，我們要充分地考慮到工作條件的不同。例如對極端風暴荷載、極端冰、工作風荷載、工作波流條件、極端波流條件等經歷荷載的組合條件等因素，進行全面充分的考慮。雖然地震工況是一種概率性和偶然性因素，但其一旦發生會造成重大的損失，在設計過程中我們還是要對其進行充分地考慮。在波浪荷載和海流荷載的計算中，我們需要對海流和波浪分別造成的水質點運動速度矢量以及在兩者共同作用下所造成的水質點運動速度矢量等因素進行考慮。我們可以按照偽靜力的方式來對波浪荷載的作用進行處理，也就是對波浪的動力效應進行忽略，不再計算中增加其數值，在結構中作用單一設計波。

(二)海上風電筒的基礎設計方式

筒型基礎結構具有成本低、能夠重復利用且施工方便的特點，為了能使其早日在海上風電系統中得到應用，我們應當加快對其進行研究和開發。在設計過程中，我們需要對海上環境的多種因素進行考慮，因為這些因素會在極大程度上影響到筒基的安全性。其環境因素包括冰、海流、波浪、風等因素。同時我們還要將由以上因素引起的循環荷載力量換算為在極端危險條件下，與之等效的靜力極限荷載，在基礎與塔筒相互連接的作業平臺上進行施加。以基礎承載為依據將筒型基礎結構的尺寸進行計算和設計，對局部傳力進行調試，以期在地基中安全傳入上述所有荷載。在筒型基礎結構的設計過程中，我們需要用到大量的公式進行計算，為了提高效率，我們會將復雜的公式進行簡化，使其能夠貼合實際，在安全性計算中得到應用。較常使用的計算方法包括：筒基承載力計算、抗壓計算、抗傾計算、抗拔計算、抗滑驗算等。

(三)大直徑寬淺筒型基礎結構設計說明

考慮到我國海域環境條件的特殊性，我們研究發現大直徑寬淺筒基較為適合被引用，但是目前世界范圍內對大直徑寬淺筒基的研究較少，沒有取得顯著成果。在筒基建設中裝風機單機的容量在不斷地增大，這種情況下，筒基的單筒直徑也需要隨之增大，此趨勢已經非常明顯。現階段我們已經設計出了直徑為30米的大直徑筒基，大直徑寬淺筒基能否發揮出其應有的功能，與其入泥筒中內筒和外筒之間的傳力系統設計以及頂蓋部位的綜合設計有著很大的關系，如果系統相關設計不到位，那么其基礎承載力就達不到標準要求，在這種情況下基礎結構很有可能會造成破壞，所以我們在進行設計工作的時候，務必要慎重考慮相關問題。

假設以純鋼筒作為基礎，那么主要關注支撐截面及承力梁的設計；如果基礎為鋼混組合機構的情況下，我們就要對上部結構進行斜塔筒或直塔筒設計，并對傳力銅梁進行簡化設計，例如設計為兩邊鉸支撐。

結語

總而言之，我國海上風電筒型結構基礎建設尚處于初級起步階段，未來的路還很長。進行海上風電建設，安全是我們第一考慮要素，因此在筒型基礎結構的設計和建設過程中，我們需要對海上環境進行全面的分析，要對筒基的承載荷載能力進行嚴密的計算，以期能夠使海上風電筒基建設最大程度上適應環境和開發環境資源。利用海上資源進行發電是未來的主要研究和建設趨勢之一，而筒基建設是實現該項目的關鍵因素，因此我們要對筒基設計進行進一步研究和探索。基于大直徑寬淺筒基礎結構的優勢，我們尤其要加強對該筒基的設計和建設研究。