外海風電超大型鋼管樁基礎設計

佟永錄

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

隨著國民經濟的快速發展，城市化進程的加快，在用地愈發緊張的密集型城市周邊，開發大型海上風力發電項目已成為一種發展趨勢[1]。我國海上風力資源豐富，隨著國家擴大海洋開發的規模，海上風電施工項目逐漸增多，項目離岸也越來越遠，隨之而來的對于海上風電超大型鋼管樁基礎優化設計也就越發緊迫。

2 工程背景

遼寧莊河市擁有2 900 km2海域面積，有多處三面環山、一面臨水的地理位置，海上風力資源豐富。作為風機基礎主要承載力樁基，超大直徑鋼管樁隨著水深、地質變化對基礎設計提出更高要求。本文依托華能大連市莊河海上風電場址Ⅳ1(350 MW)項目進行超大型鋼管樁基礎設計，場址中心離岸距離約35.2 km，水深約26～34 m，根據建設條件、風資源情況和風電機組大型化發展趨勢，擬安裝25臺6.2 MW、26臺7.5 MW風電機組。

3 外海風電超大型鋼管樁基礎設計

3.1 鋼管樁基礎結構設計

3.1.1 鋼管樁基礎總體結構

華能大連市莊河海上風電場址Ⅳ1(350 MW)項目共計51臺單樁基礎，為非嵌巖單樁鋼管樁結構，鋼管樁樁頂設有法蘭盤與風機塔筒連接。環樁頂周邊布置有靠船構件、上下爬梯、運維平臺、外加電流設備等附屬構件。

單樁基礎結構型式:

(1)25臺6.2 MW級風機基礎，單樁直徑6.5～7.5 m，樁長約76～84.5 m，壁厚70～100 mm，主體用鋼量1 056.33～1 266.66 t。

(2)26臺7.5 MW級風機基礎，單樁直徑7.5～8.4 m，樁長約80.5～87 m，壁厚75～100 mm，主體用鋼量1 321.98～1 519.55 t。

單樁基礎的防腐采用海工重防腐涂層＋外加電流保護系統的聯合防腐蝕方案，基礎防沖刷采用拋石保護的方法，如圖1所示。

圖1 單樁基礎總體結構

3.1.2 基礎頂高程確定

根據《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》(NB/T 10105—2018)第3.2.6條，風電機組基礎平臺底高程的確定應計入50年重現期潮位和波浪的影響，其平臺底高程應符合式(1):

式中，HW為極端高潮位，取3.46 m；Hb為極端高潮位，取最大波高10.73 m；Δ為安全加高，可取0.5～1.5 m，本項目取1.39 m[2]。

T＝3.46＋2/3×10.73＋1.39＝12 m

故單樁基礎頂高程取＋12.0 m。

3.1.3 各工況風機基礎適應能力分析

(1)7.5 MW風機單樁基礎設計

單樁直徑7.5～8.4 m、壁厚75～100 mm的鋼管樁定位于海底，承受波浪、海流荷載及風機塔架傳遞的風荷載和風機荷載[3]，平均樁長約83.0 m，入土深度約41.0 m，樁端進入粉砂層，樁底平均高程約-71.0 m，樁頂高程為＋12.0 m。樁頂與風機塔筒通過法蘭系統進行連接，樁周采用拋石作防沖刷物。

單樁基礎結構計算采用SACS有限元軟件，如圖2所示，風機單樁基礎總荷載計算值如表1所示，風機單樁結構計算(海浪工況)如表2所示，風機單樁結構計算(海冰工況)如表3所示。

表1 風機單樁基礎總荷載計算值匯總

表2 風機單樁基礎結構計算結果(波浪工況)

表3 風機單樁基礎結構計算結果(海冰工況)

圖2 風機單樁基礎計算模型、應力工況UC圖

計算結果表明，單樁基礎結構方案滿足結構設計和規范要求。

(2)7.5 MW整機動力模態計算

采用海洋工程計算軟件SACS對風電機組及風電機組基礎組成的整體系統進行模態分析[4]，對照風機廠家提供的葉片轉動、塔筒自振頻率以及波浪頻率以避免系統發生共振的可能性。通過模態分析，評價基礎結構設計是否滿足海上風電機組動力特性的設計要求[5]。在進行模型計算時，由于單樁基礎整機振動頻率為最柔工況控制，因此采用50年一遇極端高水位＋校核最大波高＋極限工況腐蝕余量＋10 cm海生物＋5 m沖刷的計算邊界條件[6]，如圖3所示，風機單樁基礎＋結構自振頻率/周期計算如表4所示。

表4 風機單樁基礎＋結構自振頻率/周期計算成果

圖3 風機單樁基礎振型

單樁整機允許頻率范圍為0.22～0.26 Hz。以上計算結果表明，系統一階自振頻率0.245～0.246 Hz，說明系統能避開葉片轉動頻率范圍，系統不會發生共振現象，結構設計滿足要求。

3.1.4 單樁基礎沉樁分析

打樁是海上風電基礎設計的關鍵技術環節之一，在樁基設計階段進行可打入性校核是保證順利打樁的重要技術手段。可打入性分析通過已知的錘樁土系統所有參數對沉樁能力進行預判，預估打樁時貫入度和錘擊數的關系。

典型機位鋼管樁樁徑7.5～8.4 m，樁長87 m，泥面標高-31.4 m，樁底標高-75.0 m，樁底入泥43.6 m，采用GRLWEAP波動方程分析程序對基礎鋼管樁進行可打性分析[7]，初選的打樁錘 IHC S3000 kJ，單樁打樁線性分析如圖4所示，單樁打樁數據結果分析如圖5所示。

圖4 單樁打樁線性分析

圖5 單樁打樁數據結果分析

根據結果表明采用IHC S-3000 kJ液壓錘打樁能夠完成本工程的沉樁工作，樁自沉20 m，總錘擊數2 078擊，樁身最大拉應力為59.42 MPa，樁身最大壓應力為116.05 MPa[8]。

3.1.5 單樁基礎疲勞驗算

考慮到單樁基礎樁體變截面及變壁厚處存在應力集中現象，在外部環境荷載作用下，上述位置的應力集中現象將影響結構的疲勞強度，需進行疲勞分析。單樁基礎除考慮環境產生的疲勞損傷外，還需考慮打樁疲勞累積損傷[9]。

根據《Design of offshore wind turbine structures》(DNV-OS-J101)第J200.201條，考慮到目前國內相關大型鋼結構制作的工藝水平，從結構安全角度考慮，本工程鋼結構的疲勞分析S-N曲線數學表示形式為式(2):

式中，N為疲勞壽命；log10a為與log10N軸的交點；m為S-N曲線中的負切線斜率；Δσ為應力范圍；tref為參考壁厚；t為裂縫厚度，當tref＜ t時，tref＝t；k為厚度指數。

根據《Fatigue design of offshore steel structures》(DNVGL-RP-0005)第2.1條，本工程節點部位均處于海水中并且為焊接節點，S-N曲線采用C1曲線。

Miner線性累積損傷理論認為:構件在應力水平Si下，經受ni次循環時的損傷Di＝ni/Ni。若在M個應力水平Si下，各經受ni次循環，則可定義其總損傷為式(3):

式中，Dc為特征累積疲勞損傷；nc，i為通過特征長期應力范圍分布獲得的第i區段的應力循環次數；Nc，i為通過特征S-N曲線獲得的第i區段的失效應力的循環次數；DFF為設計疲勞因子，取決于結構或者組件對于結構完整性的重要性或是檢查維修的方便性，取為3。

單樁基礎結構關鍵部位壽命計算結果如表5所示。

表5 單樁基礎結構關鍵部位壽命計算結果

從整體計算結果來看，單樁基礎鋼管樁疲勞損傷小于1，單樁基礎結構疲勞壽命為29.9年，大于風電場風機設計壽命(25年)，說明單樁基礎結構滿足疲勞設計要求[10]。

3.2 鋼管樁基礎防沖刷設計

3.2.1 樁基局部沖刷成因

海上潮流和波浪使風電單樁基礎前方會形成一個馬蹄渦，在背流處形成渦流(卡門渦街)，兩側流線也會收縮；這增加了水流對底床的剪切應力，提高了水流挾沙能力。底床若是易受侵蝕的，風機基礎會形成沖刷坑，進而影響基礎的穩定性[11]。樁周流場如圖6所示。

圖6 樁周流場示意

3.2.2 樁基防沖刷方案

樁周一定范圍內采用拋石防沖刷保護方案，施工順序為單樁基礎沉樁→拋填反濾層→拋填護面層。樁周3 m范圍內，護面層拋石采用帶網兜包覆的石料進行防沖保護，網兜繩索采用聚丙烯繩索編織，單兜承重8 t以上，海洋環境中使用壽命30年以上。其余區域拋石采用網兜兜送，網兜作為臨時施工措施，典型基樁防沖刷見前面圖1所示。

3.3 鋼管樁基礎防腐蝕設計

3.3.1 腐蝕余量計算

采用涂層或陰極保護時，鋼結構不同部位的單面腐蝕裕量根據《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》計算，如表6所示。

表6 單樁基礎腐蝕裕量計算結果

3.3.2 基礎結構防腐方案

參照國內外港口工程、海洋工程防腐蝕設計經驗，結合場址區域水環境特點[12]，本工程采用的風機基礎結構防腐蝕方案如表7所示。

表7 單樁基礎防腐方案

4 結束語

目前我國能源革命和海洋戰略的推進正展現出迅猛的發展勢頭。我國沿海地區亟需開工建設一批風電項目。本文以大連市莊河海上風電場Ⅳ1(350 MW)項目風機基礎為依托，結合清潔能源海上風能開發特點，采用SACS有限元軟件對單樁基礎結構進行設計優化，通過疲勞驗算、防沖刷、防腐蝕等一系列技術研究，確保整個工程結構穩定，滿足工程需求。本工程趕上2021年海上風電“搶裝潮”，實現2021年12月29日全容量并網發電，選擇施工快捷的單樁基礎設計極其重要。同時外海超大型鋼管樁基礎設計開發出了海上風電超大直徑鋼管樁施工關鍵技術，并通過工程應用驗證，為我國能源結構轉型做出一定貢獻。