海上风电场项目单桩基础设计后评估分析

　　摘 要：在收集项目可研、初步设计和施工图设计方案、目标及依据的基础上，结合江苏某地海上风电场示范项目现场运行实际情况，对比分析风电机组单桩基础实际运行与设计方案存在的偏差以及原因，给出设计后评估分析和优化方案。分析结果表明，风机基础设计基本满足相关规范要求，单桩基础的桩径、壁厚以及桩长有一定的优化空间;单桩整机频率满足允许范围 0.28~0.35Hz 的要求;单桩基础和风机底节塔筒采用无过渡段法兰连接方式可大幅度提高施工效率。

　　本文源自熊必康; 江海涛; 冀昊， 水力发电 发表时间：2021-06-30

　　关键词：海上风电;单桩基础;设计;后评估;优化

　　0 引 言

　　随着全球气候变化日益严峻，开发海上风能资源已成为全球沿海国家的共识。2019 年全球海上风电新增装机超过 6 GW，单年新增装机创历史新高[1]。中国、英国与德国成为全球海上风电产业发展较快国家。截至 2019 年底，我国海上风电累计核准项目装机容量 3 123 万 kW，海上风电并网容量居全球第 3。

　　近些年国内学者对欧洲和中国海上风电的发展有所关注[2-4]，并且我国海上风电产业也取得了阶段性成果，但仍面临着海上风电相关标准体系不够完善，海上风电机组研发和设计、海上风电机组基础设计和施工关键技术不够成熟等问题。根据国家能源局和国家海洋局关于印发《海上风电开发建设管理暂行办法》的通知，新建项目投产一年后，由有资质的咨询机构对项目进行后评估。通过对已建成并网的海上风电场工程开展后评估，总结项目投资、建设和运行中存在的问题和取得的经验，提出优化建议，评估结果可为其他海上风电项目开发及设计提供借鉴和指导。

　　江苏某海上风电场示范项目位于江苏东侧黄海海域，总装机容量 150 MW，于 2016 年投入运行。该项目水深超过 10 m，离岸超过 10 km，采用单桩基础，同时建设了海上升压站，是我国较早建设的典型海上风电场。开展海上风电场项目后评估，对促进我国海上风电建设，提高我国海上风电设计、施工安装和运维技术水平，完善海上风电相关技术标准体系，指导未来“十四五”海上风电场建设具有重要意义。

　　1 项目概况

　　海上风电场项目位于江苏省东侧黄海海域，离岸约 25 km，泥面高程在-3.3～-14.6 m 之间(1985 国家高程基准)，风电场形状呈四边形，涉海面积为 26.2 km2，海域使用期限 25 年。风电场配套建设一座 110 kV 海上升压站及一座陆上集控中心。场区风功率密度等级为 3 级，风能资源较丰富;风电场场区属于热带气旋影响区域，应要求风电机组具备有效的抗台风性能。本工程所在海域受正规半日潮影响，实测最高潮位 3.41 m，最低潮位-3.44 m，平均海平面 0.01 m;工程采用的设计高水位为 2.67 m，设计低水位为-2.51 m，极端高水位为 5.13 m，极端低水位为-4.12 m。在本水域全年波高 Hs 为 0.5~1.0 m 的浪发生频率全年最高，其次为小于 0.5 m 的浪，海域波浪较大。全年中较大的波浪在秋季、冬季发生较多。根据水文测验资料统计，工程海域潮流特征为：大潮 14 条垂线的涨、落潮平均流速均为 0.53 m/s;中潮涨、落潮平均流速分别为 0.47 m/s 和 0.50 m/s，小潮涨、落潮平均流速分别为 0.33 m/s 和 0.35 m/s;海域大潮流速明显大于中、小潮流速，涨潮流速稍微小于落潮流速，各垂线的流速相差较小。风电场工程海域受两大潮波系统辐合的影响程度较大，潮流动力相对复杂，且潮汐通道相互串通，水道之间存在着频繁的水沙交换，侵蚀和堆积的过程仍不断发生;风机基础局部冲刷坑深度范围为 6.79～8.54 m，冲刷坑最大直径范围为 14.42～17.32 m。

　　2 单桩基础设计后评价

　　本工程共 38 个机位，均采用无过渡段连接的单桩基础，典型设计方案如图 1 所示，单桩基础直径为 5.5~6.2m。典型设计方案如图 1 所示。本文从单桩主体结构安全、整体动力特性、单桩基础连接方案等对原设计方案进行全面评价。

　　2.1 单桩主体结构分析评价

　　2.1.1 单桩静力分析评价

　　基础结构计算中首先确定极端工况和正常运行工况下风机荷载和环境荷载的最不利组合，验算桩基的竖向承载力和桩身结构强度与稳定性，基础泥面处的位移、沉降和基础刚度等。

　　采用 7 号机位钻孔的地质资料，施工图阶段中单桩底部直径为 6.2 m(初步设计方案为 6.4 m)，塔筒底部法兰盘高程为+14.0 m，本机位原始泥面高程为-12.3 m，考虑约 6 m 的冲刷深度，即冲刷后的泥面高程约为-18.3 m。从泥面到平台部分分为 2 段：下段为变径段，泥面(高程-12.3 m)处直径 6.2 m 到变径段顶部(高程+2 m)直径 5.5 m，壁厚 70 mm;上段为直段，顶部(高程+14 m)钢管直径 5.5 m，壁厚 70 m。钢管桩入土桩径 6.2 m，入土总长约 55.7 m，泥面以下壁厚 55～70 mm。

　　计算时的泥面高程均按天然泥面冲刷后的高程。结构计算时，管壁厚度按腐蚀后的厚度采用，单桩基础采用通用海工有限元软件计算分析。单桩基础有限元计算模型如图 2 所示，桩身结构强度计算结果如图 3 所示，主要计算结果汇总见表 1。计算结果表明该方案满足结构设计相关要求。

　　从计算结果分析，单桩基础各项指标均满足规范要求。从目前的结果来看，风电机组基础形式选择合理，充分考虑了风电场的实际的地址条件，能够满足相关的要求。此项目桩基的最大 UC 值为 0.407，符合设计要求，桩径、壁厚还有一定的优化空间。

　　2.1.2 单桩基础主体结构施工图评价

　　本工程的 7 号风机机位单桩基础采用无过渡单桩结构，钢管桩采用 DH36 及 DH36-Z35 型钢材，钢材的质量应符合《船舶及海洋工程用结构钢》[5]和《低合金高强度结构钢》[6]等相关标准的规定，建议图纸中说明单桩主体结构钢板应采取正火一级探伤板。建议图纸中说明每个机位的施工工艺，例如采用直接打入或“打-钻-打...”方式，并说明首次的停锤标准等进行指导施工。

　　2.2 整机动力模态分析评价

　　2.2.1 整机动力模态分析

　　初设阶段以有限元法对风电机组基础及风电机组组成的整体系统，即叶片+轮毂+机舱+塔架+基础+地基系统进行模态计算分析，如图 4 所示，计算整体系统的多阶模态，对照厂家提供的叶片转动、塔筒自振频率以及波浪频率以确定发生系统发生共振的可能性。通过模态分析，评价基础结构设计是否满足海上风电机组动力特性的设计要求。风机轮毂中心距离基础顶约 73.16 m，即轮毂高度约 87 m。为提高整机频率，使得风机整机频率位于 0.28~0.35 Hz 内，将风机塔筒刚度增大，最终确定风机塔筒底部直径为 5.5 m，所有基础结构的整机频率汇总见表 2。根据计算结果可知，风电场整机频率控制在 0.294~0.31 Hz 范围内，满足设计要求。

　　2.2.2 整机动力模态分析评价

　　本工程风机厂家给出的结构整机频率允许范围为 0.28~0.35 Hz。考虑到风机运行期间，海床的整体运移、基础冲刷、海生物的附着程度、风机的运行工况、钢结构的腐蚀程度等均将影响风机整机频率，因此对风电场区范围内风机整机进行不同工况的频率校核工作。本工程采用 SACS 软件对单桩基础进行频率分析，计算得到 7 号机单桩整机频率的前 3 阶固有频率如表 3 所示，对应的振型如图 5 所示。设计基础+塔筒+整机整体一阶自振频率为 0.297 392 Hz，满足厂家对频率的要求。原设计方案 7 号机位整机频率为初步设计阶段计算结果，基础直径为 6.5 m，本次计算以最终施工图参考资料为准计算。

　　2.3 单桩基础连接方案评价

　　本工程的单桩基础不同连接方案确定为浅水区几台风机基础单桩以取消过渡段型式，深水区单桩基础以灌浆连接方案。通过以下相应有限元分析，法兰连接式单桩基础与灌浆连接式单桩基础得到的应力结果良好，满足设计要求。

　　2.3.1 灌浆连接设计方案评价

　　2.3.1.1 灌浆材料

　　本工程钢管桩结构中，钢管桩与主导管插入段的连接通过灌浆连接，即在桩内侧与主导管插入段外侧之间的环形空间灌浆。该连接节点将受到结构自重、环境荷载和风机荷载等传递给桩基，是非常重要的过渡节点，必须保证更高的安全性。单桩基础结构所采用的灌浆材料主要为高强水泥基灌浆材料以及高强灌浆材料，高强水泥基灌浆材料主要性能指标应满足《水泥基灌浆材料应用技术规范》[7]的要求。

　　灌浆节点处受力形式复杂，存在轴向力与扭矩、弯矩与剪力等交叉作用。灌浆体通过与接触体的粘结力和摩擦力来提供竖向支撑力，当设置抗剪键时，通过抗剪键的承担作用来提供支撑力。灌浆材料除了满足各项强度要求外，同时需要满足基础疲劳设计使用年限的要求。

　　2.3.1.2 灌浆体强度计算

　　灌浆体的强度决定了主导管与桩基连接节点的强度，应确保灌浆体的强度满足承载能力极限状态的要求。灌浆体所受到的荷载为由极端工况下波浪荷载、水流力、基础风荷载、撞击力和自重等荷载传递到主导管与桩基连接处的作用力。各主控环境荷载重现期为 50 年，荷载组合形式为基本组合。

　　根据 DNVGL-ST-0126《Support structures for wind turbines》[8]要求，带剪力键灌浆段承载能力满足 FV1Shk ,d  FV1Shkcap,d ， pnom,d 1.5MPa。灌浆体的强度验算内容应根据节点受力模式来计算。在轴向力、弯矩、扭矩作用下，灌浆体竖向承载力计算结果如表 4 所示。

　　建立数值分析模型来模拟主导管、桩基和灌浆体，计算模型如图 6 所示。

　　如图 7 所示，在设计荷载作用下，灌浆体材料的屈雷斯卡(Tresca)应力最大值为未超过其抗压强度设计值，建议采用强度≥120 MPa 的灌浆料。

　　本工程设计计算按照灌浆长度 9 m，并预留 1 m 的灌浆长度，灌浆段总设计长度为 10 m。在欧洲多按照 1.5D+2 的经验，+2 是指灌浆段上、下部各预留 1 m 作为局部脱开、灌浆封堵或端部质量较差等因素的裕量，此灌浆长度富裕度较大，可适当减少灌浆强度，建议取值 6~8 m。因为灌浆节点为非常关键节点，根据有限元分析建议灌浆节点的灌浆体的厚度考虑 100~150 mm 为宜。

　　2.3.2 法兰连接设计方案评价

　　单桩基础优点是结构简单、施工快捷、性价比高。钢管桩打桩垂直度可达到 1%以内，而上部风机因正常运行的需要，对基础水平度要求控制在 1%左右，故一般通过设置过渡段进行二次调平，过渡段与钢管桩之间通过高强灌浆材料连接。由于国外部分海上风机的单桩基础灌浆料与过渡段之间出现脱空与竖向移位，存在一定的安全隐患。根据本工程竣工图提供的图纸，本工程采用采用的是结构简单、施工快捷、性价比高的无过渡段单桩式海上风机基础结构，取消灌浆连接过渡段，单桩式的钢管桩和与之相连接的风机底节塔筒采用法兰连接，钢管桩的顶部设有基础顶部法兰，而在风机底节塔筒的底部设有底节塔筒法兰，且两法兰通过螺栓和螺母相连接。此种连接方式可节省工程费用，连接牢固，消除灌浆料失效的风险，此种连接方式也是目前海上风电项目单桩基础型式连接的主导的连接方式，就目前的已有的风机运行来看，效果良好，已具备较好的实际工程施工的应用经验。本工程施工图阶段已经取消灌浆连接过渡段，钢管桩和风机底节塔筒的连接方式已经采用无过渡段法兰连接方式，此方案设计合理，可大幅度提高施工效率。

　　3 结 论

　　本次后评价根据初设报告的相关的资料以及施工图阶段的图纸进行分析评价，通过对原有设计采用规范、设计计算结果与现行规范以及计算方法进行比较，可得如下结论：

　　(1)通过计算分析，单桩桩径、壁厚以及桩长还有一定的优化空间;另外建议图纸中说明每个机位的施工工艺，并说明首次的停锤标准等进行指导施工。

　　(2)单桩整机频率满足风机厂家给出的结构整机频率允许范围 0.28~0.35 Hz 之内。

　　(3)取消灌浆连接过渡段，钢管桩和风机底节塔筒的连接方式采用无过渡段法兰连接方式，此连接方案可大幅度提高施工效率，且效果良好。