基于臺風-浪時間歷程荷載的風機-吸力筒導管架基礎耦合分析研究

黎鵬飛，王志明，慕　仝，繩結竑，易建軍，嚴華剛

基于臺風-浪時間歷程荷載的風機-吸力筒導管架基礎耦合分析研究

黎鵬飛，王志明，慕仝，繩結竑，易建軍，嚴華剛

（中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

吸力筒導管架基礎是一種經濟高效的新型海上風電風機基礎形式，由于國內、外尚缺乏專門的規范、標準用于指導吸力筒基礎設計，尚無法在國內推廣應用。本文通過研究風機-風電機組塔筒-導管架-筒體基礎作用機理，建立了一套廣東區域的臺風-浪時序荷載模型，開發了基于臺風-浪時間歷程荷載的風電機組-塔筒-風機基礎一體化設計方法及耦合分析模型。該關鍵技術可用于評價長期動荷載作用下基礎的承載力及累積變形，可為國內吸力筒基礎設計提供參考。

吸力筒導管架基礎；臺風；浪；耦合分析

吸力筒導管架基礎是一種新型的海上風電風機機組基礎形式，優點在于可替代嵌巖樁，可以節省鋼用量，節省費用，采用負壓施工，無需額外穩樁平臺，施工速度快，可作為海上風電機組一種經濟高效的基礎形式，具有較好的產業化前景。

歐洲在吸力筒巖土工程設計方法方面提出了最新的研究成果[1]，2015—2018年，歐洲的德國Borkum Rffrund 1&2項目、英國Aberdeen項目已建成小批量的海風吸力筒基礎項目。由于我國海風主要開發區域如廣東、福建、江蘇沿海的極端工況如臺風頻繁，特別是臺風-浪作用、長期風機運行下的動循環載荷對吸力筒基礎這種埋深淺的基礎類型，對其承載力、疲勞、沉降等的不利影響和后果將遠大于通過深長樁承載的常規固定式基礎。并且中國近岸海洋巖土有較厚淤泥及淤泥質土等軟弱土層，對于吸力筒承載力有較大影響。鑒于中國廠址地基及環境荷載與歐洲有較大差異，國內、外尚缺乏專門的規范、標準用于指導吸力筒基礎設計，歐洲吸力筒成果不能直接采用，尚缺少適用于國內廠址巖土、環境特點的吸力筒基礎的關鍵分析技術。

為解決上述問題，本文開展了廣東區域臺風-浪時序荷載模型構建、風電機組-塔筒-吸力筒基礎一體化設計方法、分析模型研究，并提供了工程案例，可為國內吸力筒基礎設計提供參考。

1 廣東區域臺風-浪時序荷載模型構建

歐洲地區海上風電項目設計一般采用挪威船級社規范DNVGL，其中DNVGL-RP-C212[2]建議采用行業內廣泛使用的挪威巖土所（NGI）循環累積方法，DNV-GL 規范沒有進一步明確具體內容。德國專屬經濟區（EEZ）近海區域的監管機構 Bundesanstalt für Seeschifffahrt und Hydrographie（BSH）負責批準在 EEZ 內建造的建筑物。它要求設計遵循現行的德國國家標準和法規。BSH 標準以歐標（Eurocode）和相應的國家附件（National Annexes，NA）為基礎，巖土設計遵循 DIN EN 1997/NA-1：2010-12。BSH No.7005[3]標準在這方面更具體，并建議根據對應于50年重現期的35 h風潮事件來評估土體的循環弱化效應。近年來BSH建議的35 h設計風暴潮譜已成為歐洲地區海上風電項目采用的設計要求。中國海風主要開發區域如廣東、福建、江蘇沿海臺風頻繁，同歐洲近海區域颶風有一定區別，不能直接引用歐洲規范。

本文借鑒了歐洲的相關經驗，建立一套模擬廣東區域目標風場的臺風模型，可提取該時間過程的臺風風速、臺風波浪和風浪夾角等設計關鍵參數及風浪時序荷載曲線，可作為風電機組-塔筒-吸力筒基礎耦合分析中荷載一體化計算的設計輸入。

具體模擬及分析過程如下：

（1）統計目標風場歷史臺風數據，以吸力筒位置為中心一定范圍內的臺風開展分析，確定5年、10年、50年一遇的等效臺風工況。具體如下：

1）選取影響該海域最強2次臺風過程，獲取其臺風路徑及其參數。

2）選取臺風最低中心氣壓0年極值接近5年、10年、50年一遇的臺風中心最低氣壓值的臺風過程，獲取其臺風路徑及其參數。

3）建立臺風浪計算數值模型，并對模型進行檢驗率定。

4）計算該海域最強2次臺風、強度相當于5年、10年、50年一遇的臺風對應極端風速引起的吸力筒位置風速和波浪過程。

（2）開展目標風場臺風歷史評估

目標風場臺風歷史評估是通過研究登陸目標機位海域200 km范圍沿岸的熱帶氣旋，評估對吸力筒海域影響最大的超強臺風過程，基于歷史記錄年限以吸力筒位置為中心400 km半徑范圍內的臺風最低氣壓樣本序列，計算其-Ⅲ分布，確定對應5年一遇、10年一遇和50年一遇極端風速的等效臺風過程。

（3）構建風場和波浪數值模型

數值模型采用第三代近岸海浪數值計算模式SWAN模型和改進的Jelesnianski（杰氏）經驗臺風公式計算的臺風風場，配置三角網格的設計，來進行臺風浪的計算，以獲得吸力筒位置處各臺風過程的風場和波浪過程，并利用波浪浮標對模型結果進行了驗證。浮標站實測波高和模擬波高吻合較好，該模型可以準確的反映波浪的變化趨勢（見圖1～圖3）。

圖1　波浪模擬計算區域及網格分布

圖2 某臺風路徑

圖3　浮標實測有效波高與模型結果對比

2 風電機組-塔筒-吸力筒基礎一體化設計方法

目前國內海上風電風機基礎結構設計普遍采用的分離迭代法，整個結構體系被人為割裂為風機及塔筒、與風機塔筒底法蘭連接的下部基礎2個獨立結果，僅通過塔筒底部荷載進行傳導。計算分析時風機廠家無法準確模擬下部基礎及土動力性能，設計院僅能通過接口形式獲取上部結構荷載等效荷載進行基礎結構計算，并且雙方在模擬環境荷載過程中無法做到耦合，造成了分離式設計方法在力學機理上存在缺陷。目前采取的設計方法是將風機塔筒底部的極限荷載包絡值直接與下部基礎的風和波浪荷載疊加，在很大程度上高估了結構的極值響應，而對疲勞分析采用風機塔筒底部的疲勞荷載損傷和下部基礎波浪疲勞損傷簡單疊加的方法與損傷和應力幅的非線性關系不符，從而導致很大的不確定性及結果的失真性。然而，一體化設計采用整體統一的模型進行分析，可以有效解決分離式設計極值響應偏大和疲勞損傷不確定的問題，為支持結構和地基基礎的合理設計及優化設計提供了準確的實施路徑。

本設計提出的吸力筒導管架基礎采用的風電機組-塔筒-吸力筒基礎耦合分析一體化設計一體化設計方法為：

（1）采用海上風電風機-塔筒-風機基礎一體化耦合分析模型；

（2）巖土參數通過精細化勘察及高級土工試驗獲得，并建立了基于廣東海洋成層土動循環本構模型，通過基于承載能力極限工況（ULS）、正常使用極限工況（SLS）以及疲勞極限工況（FLS）下的考慮筒-土相互作用的等效線性剛度矩陣作為約束邊界；

（3）荷載施加采用臺風-波浪時序荷載模擬極端風浪工況、正常運行工況風-波浪時序荷載等荷載；

（4）分析計算采用耦合計算方式，開展整體計算，計算載荷按結構關鍵作用節點提取，作為結構、巖土輸入數據開展相關分析工作。

海上風電風機-塔筒-風機基礎一體化分析流程圖如圖4所示。

圖4　海上風電機組-塔筒-風機基礎一體化分析流程圖

3 海上風電風機-塔筒-吸力筒基礎耦合分析模型

本文提出的風電風機-塔筒-吸力筒耦合分析模型（見圖5），采用BLADED軟件建立風機-塔筒-風機基礎耦合分析模型，用于一體化計算分析的荷載計算。海上風電機組-塔筒-吸力筒筒耦合分析模型通過建立風機機組（包括葉片、轉子、機艙）塔筒、基礎支撐結構形成一個整體仿真計算結構體系，可模在各種風機載荷、環境荷載、巖土條件下的系統狀態，同時可計算各種荷載條件下的系統響應，提供基礎計算相關的荷載結果。

計算中通過該模型施加臺風-波浪耦合時間歷程荷載及運行狀態下的計算中計入臺風-波浪耦合時間歷程荷載、正常運行工況風-波浪時序荷載，能夠準確模擬環境荷載的加載過程，用于開展海上風電風機-塔筒-吸力筒基礎耦合分析。

圖5　風電機組-塔筒-吸力筒基礎耦合分析模型

4 基于臺風-浪時間歷程荷載吸力筒導管架基礎-風機耦合分析案例

本文方法已應用于廣東某海上風電項目的吸力筒基礎科研工程化示范，如圖6所示。研發的吸力筒導管架基礎為三筒吸力筒筒導管架基礎，主體結構總重1 717 t。導管架根開28 m，高49.8 m，單筒直徑13.5 m，筒高13.3 m。該類型吸力筒導管架基礎的適用與近海深、淺水海域，且地質條件宜為砂性土或軟粘土。

采用臺風-浪時間歷程荷載吸力筒導管架基礎-風機耦合分析方法設計，具體分析如下。

圖6　廣東某海上風電項目的吸力筒基礎

4.1　目標風場臺風歷史評估及風與波浪過程模擬

本文研究了1949—2019年年間，登陸吸力筒位置海域200 km范圍沿岸的熱帶氣旋共有155個，發生于5—11月期間，其中超強臺風3個，強臺風14個，臺風40個，強熱帶風暴40個，熱帶風暴34個，熱帶低壓27個，平均一年約2.2次。以50年一遇臺風模型為例，通過評估對吸力筒海域影響最大的3次超強臺風過程，構建了吸力筒海域發生的最強臺風6903號臺風過程對應極端風速下產生的風與波浪過程及荷載要素。

圖7　50年一遇臺風浪時序荷載要素圖

根據臺風時序荷載模擬模型建立臺風-浪流時間歷程關鍵參數，根據荷載分析要求同步生成風荷載種子時程荷載，并考慮同步施加對應時間歷程的波浪荷載，進行加載計算。包括：

（1）50年一遇的等效臺風工況荷載，用于ULS工況計算；

（2） 10年一遇、5年一遇的等效臺風工況荷載，用于SLS工況計算；

（3）對應多年平均風速的正常發電工況荷載，用于SLS工況、FLS工況計算。

4.2　海風風電機組風機-吸力筒導管架基礎耦合分析

基于廣東海域目標機位的海域特性，選取典型土體如淤泥質粘土、砂土等、成層特點，結合先進勘察及實驗策劃（區域物探+原位CPTu+鉆孔+土工實驗），開展土性能試驗研究，獲取土物理力學參數，特別是考慮長期循序作用效應、極端工況如臺風等。現場采用先進的原位CPTu試驗，結合船基T-bar貫入測試。土樣采集專用工具，減少擾動。開展專項室內土力學試驗，包括：三軸壓縮試驗、動三軸剪切試驗、T-bar循環貫入試驗、直剪試驗及其他土體基本物理力學性質的試驗。研究場址淺層海床土（泥面以下0～30 m深度）的土體基本性質及力學參數。針對廣東海域特點，研究三種典型場地土類型：均質軟黏土（強度低、含水率較高）、正常固結黏土、上軟下硬雙層黏土，開展針對吸力筒基礎設計的土體參數研究。根據巖土工程設計要點，構建循環應力-應變-循環次數關系云圖的本構模型。通過風電機組-塔筒-吸力筒基礎耦合分析模型開展一體化設計及巖土工程設計、基礎結構計算分析。基礎結構計算采用國家現行的行標規范進行設計[4]。

本文巖土工程設計采用了基于循環土試驗參數的吸力筒基礎計算方法。本方法基于巖土勘察試驗，通過孔壓靜力觸探試驗（CPTu）和室內土工試驗得到各關鍵地層的相應土參數，進而構建巖土的本構關系，再通過巖土本構關系開展筒結構設計。該方法源自挪威巖土所（Norwegian Geotechnical Institute）開發的基于循環應力-應變-循環次數本構模型的循環累積方法的巖土工程設計方法[1]。該方法將土體的循環應力歷史簡化為個恒定振幅的循環荷載包，并按照振幅大小從小到大進行排列，每個荷載包具有相同循環剪切應力（）和對應的循環次數（eq），用于模擬土體單元在特定荷載事件期間將經歷的應力歷史。例如：單一風暴潮事件；正常運行工況，跟隨風暴潮或緊急停機；幾場接連發生的風暴潮；任何其他風和波浪載荷條件或特殊操作條件導致可能影響土體特性的主要循環載荷。該方法已在歐洲海上風電項目吸力筒基礎設計上得到應用。

（1）承載能力極限工況（ULS）計算

將臺風歷程按照風速分為若干個階段，每個階段以10 min平均風速，有效波高（s）和波浪周期（）作為輸入參數，插入對應最大波高（max）作為約束波，在最大下壓荷載和最大上拔荷載情況分別進行時域分析，可以得到每個階段的時程荷載包。得到各階段的荷載包后，可以統計臺風周期內各個荷載區間的次數。根據粘土的累積應變或沙土的累積孔隙水壓力計算整個臺風時程的最大荷載等效循環次數（eq）。根據eq和循環應變和平均應變的比值，從循環應力-應變-循環次數關系云圖中提取土壤的循環不排水抗剪強度，進而得到等效狀態下的總應力-總應變曲線，作為ULS承載能力分析的輸入。采用有限元分析進行ULS承載力計算。

（2）正常使用極限工況（SLS）計算

SLS部分的分析與ULS承載力分析類似，通過等效循環次數eq以及循環應變和平均應變的比值，可以從等勢線圖中得到土體的應力-應變曲線，并進行結構計算。開展長期運行循環荷載導致的塑形變形計算。

（3）疲勞極限工況（FLS）計算

在疲勞計算時，可以對風速進行統計，通過考慮風機在不同風速下運行時間的比例計算累積疲勞損傷。對于不同的風速水平的基礎剛度，都應通過該風速下先的基礎荷載進行計算。基礎荷載和基礎剛度之間存在一個迭代的過程。基礎荷載的本質是循環荷載，包括平均荷載和循環荷載，是一個正弦形式的周期荷載。在結構振動的過程中，結構的基礎剛度是循環剛度，即循環荷載-位移循環所隱含的峰值剛度來模擬（見圖8～圖11）。

圖8　目標機位粘土循環應力-應變-循環次數關系云圖

圖950年一遇臺風工況的臺風、波浪荷載時程示意圖

Fig.9 Schematic diagram of typhoon and wave load time history under 50 year exceedance probability typhoon condition

圖10　基于臺風-波浪時序荷載模型風電機組-塔筒-風機基礎一體化耦合分析

圖11　基礎導管架結構受力分析、吸力筒筒體結構受力分析示意圖

5 結論

本文通過研究風電機組風機-塔筒-導管架-基礎筒體作用機理，建立了一套吸力筒導管架基礎分析技術。具體如下：

（1）建立了一套廣東區域的臺風-浪時序荷載模型；

（2）開發了基于臺風-浪時間歷程荷載的海上風電風機-塔筒-風機基礎一體化設計方法及耦合分析模型。

該方法可用于評價長期動荷載作用下基礎的累積變形及承載力特性等吸力筒關鍵指標。該技術可用于分析極端環境荷載（臺風工況）下、正常運行荷載下吸力筒基礎結構的性能狀態，分析結果更加準確，填補了國內技術空白。可為國內吸力筒基礎設計提供參考。

針對吸力筒基礎技術的后續研究建議如下：

（1）開展吸力筒基礎在國內不同海域場址條件下的適應性研究。通過建立海上風電巖土工程精準勘察技術體系、不同海域典型土體的巖土本構模型、國內不同海域臺風風浪耦合模型，開展總體設計及適用性研究。編制針對吸力筒基礎設計的標準規范。

（2）對吸力筒基礎沉貫過程和運維時期進行實時監測，包括構件應力、土體狀態、結構振動、變形、外部環境荷載等。根據監測數據對吸力筒的設計進行后評估，通過健康監測及評估為風機基礎運維提供支持。

［1］ Sturm，Hendrik. Design Aspects of Suction Caissons for Offshore Wind Turbine Foundations［C］. Proceedings of TC 209 Workshop-19th ICSMGE，Seoul 20 September 2017 Foundation design of offshore wind structures, 2017:45-63.

［2］ Offshore soil mechanics and geotechnical engineering: DNVGL-RP-C212［R］. 2017.

［3］ Minimum requirements concerning the constructive design of offshore structures within the Exclusive Economic Zone（EEZ）：BSH no．7005［R］. Germany，2015.

［4］ 海上風電場工程風電機組基礎設計規范：NB/T 10105—2018［S］. 2019.

Tubular Jacket Suction Bucket with Wind Generator Coupling Analysis based on Typhoon and Wave Time History Loads

LI Pengfei，WANG Zhiming，MU Tong，SHENG Jiehong，YI Jianjun，YAN Huagang

（China Nuclear Power Design Co.，Ltd.，Shenzhen of Guangdong Prov. 518072，China）

Tubular jacket suction bucket is a new type of offshore wind turbine foundation as an economic and efficient foundation.There are still no special specifications and standards at China and abroad to guide the foundation design of suction foundation.At present，the application and promotion of suction tube foundation are not being carried out in China.By studying the action mechanism of wind turbine-wind turbine tower-jacket foundation，this paper establish a set of typhoon-wave time history loads model，develop the integrated design method and coupling analysis model of wind turbine-tower- foundation based on the typhoon-wave time history loads，as the key technologies for evaluating the cumulative deformation and bearing capacity of foundation under long-term dynamic load. The paper can provide reference for the design of suction bucket foundation in China.

Tubular jacket suction bucket foundation；Typhoon；Wave；Coupling analysis

TK83

A

0258-0918（2022）02-0246-09

2021-11-25

黎鵬飛（1979—），男，湖南邵陽人，研究員級高級工程師，碩士，現從事海上風電結構設計及研究