我国海上风机基础形式及荷载计算问题探讨

董小兵，韩彦宝，李 雪， 杨 丽

(1. 国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西 西安 710065；

2. 北京木联能软件技术有限公司，北京 100096)

我国海上风机基础形式及荷载计算问题探讨

董小兵1，韩彦宝2，李 雪2， 杨 丽2

(1. 国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西 西安 710065；

2. 北京木联能软件技术有限公司，北京 100096)

针对我国目前海上风电基础发展现状及海域地质情况，提出目前适用于我国海域的几类风机基础形式，并以单桩基础为例说明基础设计中存在的问题和注意的地方。对海上基础设计研究做了一些探索。

海上风电场；桩基础；冲刷计算；荷载计算。

1 概述

2009年9月4日，我国东海大桥海上风电场首批3台3MW国产机组正式并网发电，标志着我国海上风力发电产业稳稳走出了第一步。

海上风电场有着陆上风电场不可比拟的优势：海上风力资源丰富，风速大而且稳定，同容量装机，海上要比陆上风力发电量大50%以上；海上风电场大都建设在沿海地区，那里经济发达，用电量大，电网建设足够坚强，利于并网且距离上接近负荷中心；另外，海上发电不占用陆地土地资源，所以不涉及土地征用等问题。因此，海上风力发电成为近年来国际风电产业发展的新潮流和大方向，而且欧洲许多国家的海上风电产业已相当成熟。

随着陆上风电的开发能力日渐成熟，以及高质量的陆上风能资源逐步开发完成，我国的海上风电将逐渐从实验阶段进入规模化开发阶段。然而存在的问题也随之而来，目前海上风电项目海域使用论证获得许可、通过海域环评、通航安全论证的周期一般需要2年以上。

除政策衔接问题外，海上风电场建设成本高也是是制约海上风电产业发展的主要因素之一。其中风机基础结构所占成本比重高达15%～25%。因此，研究并探索合理而又低成本的风力机基础结构已成为海上风电技术中的研究热点。另外，与陆上基础相比，海上风机基础还受到波浪、水流、海冰等海洋环境荷载的作用，基础结构的受力更加复杂，如何选择合理的荷载计算方法也是一个亟待解决的问题。

2 我国海上风电基础形式探索

目前，我国东海大桥海上风电场选用的是高承台桩基础形式，而国外海上风电场采用的多是单桩和三角架基础形式。我国设计和施工人员则是先打下8根钢管桩，再在钢管桩的顶部浇注成一个混凝土承台，来满足高耸风机承载、抗拔、水平移位的需要。相关机组的顺利投产为我国海上风电地基基础选型提供了新的选择。

然而，高承台桩基础材料耗材大、施工周期长、总造价高，尤其是钢筋混凝土承台位于风浪区内，承受的浪力较大，且由于本场区的上部淤泥质地层较厚，承台高出持力层约20m，结构受力条件极为不利，承台和桩结合处需要特别加固；之所以选择此类基础形式，是因为我国国内对该类基础形式的施工方法和施工经验比较成熟，又是首次进行海上风机基础设计，从安全稳妥角度考虑是可行的。若采用低桩承台桩方案，虽可以避免风浪区，但是需要进行水下作业，施工难度也很大。所以海上基础选择承台桩方案有待实践检验。

从文献[4]对我国海域从北到南沿海底地质情况的介绍可以看出，我国大多海域不适合建重力式和负压桶基础，桩基础比较适合我国大多海域的地质条件。国内各高校和科研单位对海上基础形式选择及结构计算方面做了一系列有益的探文献[6～7]经过专业系统的研究表明，在水深5m～20m以内的海域内，单桩基础具有三角桩、承台桩基础无法比拟的成本优势，而且单桩施工工期短，对周围环境影响小。

2012年8月13日，经过两个多小时、3000多下液压冲击锤的敲击，龙源电力海上建设团队将50多米长、5m直径、几百吨重的单桩基础打入了地下40多米的位置，最终将垂直度误差率控制在了2‰以内(二期的误差控制率为1‰)达到世界先进水平，标志着我国自主掌握了大规模开发海上风电的基础核心技术。

在 10m以下水深，重力式基础造价较低，然而海上施工存在很大的不确定性，考虑到重力式基础在软弱地基上的稳定性不易保证以及我国海域的实际情况，一般不建议选用。除非海床地质条件特别好的情况，可以考虑使用。

在水深20m～30m得海域内，可以考虑三角桩基础或四角桩基础。30m～50m海域内可以选择导管架基础，相关设计理论可以参考海洋石油平台的设计理论及相关规范。尽管目前许多新型的基础形式在国外已有使用或研发，如张力腿结构、三浮体结构、Sapr结构等。但是出于安全和技术角度考虑，在我国的应用还是需要一段时间的探索。

3 基础计算中存在的问题

我们以单桩基础为研究对象，分析基础设计中存在的问题。相关问题的探讨对三角桩基础和多桩基础也有一定的借鉴作用。

3.1 桩顶和上部结构连接处应力计算

目前，国外海上风电单桩基础普遍采用“单桩+过渡段”的方案。单桩顶部与上部结构一般为灌浆连接，属于承受弯矩和剪力共同作用的连接构件，对于这类大直径环状结构的应力计算，目前规范中还没有合适的计算方法。大直径钢管桩灌浆连接处的疲劳验算，不仅要考虑风荷载的疲劳作用，还得考虑波浪水流荷载的疲劳效应，目前规范中也没有相关的计算方法。然而，为降低施工成本，龙源电力施工团队摸索出一套无过渡段单桩工艺，不仅节省了施工成本，也简化了相关的计算问题。

3.2 桩内力计算问题

桩内力变形计算，我们选取《建筑桩基技术规范》JGJ94－2008中的m法与港口工程荷载规范JGJ254－98中的m法进行比较分析。

某海上单桩基础，内径4.755m，外径4.8m，基础法兰到海底自然泥面处距离为15m。在水平力1171.7kN，弯矩43562.97kNm的作用下，用以上两种方法计算的泥面处桩水平位移和桩身最大弯矩为：0.0381m，47181.19kNm (JGJ94－2008)；0.0189m，45909.57kNm(JGJ254－98)。可以看出两者计算的桩身最大弯矩相差不是很大，但水平位移前者大约是后者的2倍。所以在单桩基础初步设计时可以考虑用港口工程荷载规范中的m法进行初步设计，这样的计算结果也是偏保守的。

目前对于承受较大水平力和弯矩作用的桩基大多推荐使用p－y曲线法，但现有规范只分别建立了粘土、砂土的p－y曲线，对于粘土和砂土混合分层的情形如何处理没有给出一个具体的计算方法。另外p－y曲线需要现场试桩，在选取原状粘土的不排水抗剪强度Cu值时有一定的争议，Cu的大小对p值的影响较大，而且p－y曲线理论计算过程比较繁琐，只能通过电算实现，可操作性差。所以我们可以考虑使用JGJ254－98中的m法进行初步计算。

3.3 水平承载力控制

对于桩承受的水平力和弯矩可以根据土体的承载力和桩的承载力来进行相关的复核，我们主要考虑桩身水平变位及转角问题。

由于海水风机基础受力情况比陆上基础更复杂，在海流、波浪和海风反复作用下，泥面处泥面线以下很深的一段淤泥层基本是不产生抗力作用的，这样的话，如何选择合适的泥面线作为位移控制标准需要专门的研究。操作平台的水平变位也需要控制在合理的范围。

陆上风机规定FD003－2007中对桩基基础的转角问题没有做特别的规定，但对于海上桩基础，特别是单桩基础，转角问题应该给予考虑，转角太大的话直威胁到基础与塔筒连接处的结构抗剪能力，进而影响结构的稳定性。

3.4 船舶撞击计算问题

在有船舶行驶的海域，风机基础设计时要考虑正常荷载工况下的船舶撞击基础时基础的稳定性验算，撞击荷载的计算可以参考港口工程荷载规范JTS144－1－2010。同时也要考虑结构受撞击后是否有局部变形(国内这方面的计算还没有相关的理论)，进而影响整体的稳定性。特别是对单桩基础而言，对撞击和倾斜比较敏感。

4 荷载计算问题

4.1 波浪荷载计算

波浪荷载的设计可以参考海港水文规范JTJ213－1998中的相关规定进行。对于单桩基础，可以采用中推荐的Morison公式计算。该方法计算过程相对简单明了，有关参数方便确定，可操作性强。

4.2 海冰荷载计算

桩柱基础受到的冰荷载一般只考虑水平荷载和竖向荷载两种情形，而且以水平荷载为主，竖向荷载可作为次要荷载参与计算。计算直立桩柱水平静冰压力的公式各国各类规范中都有相关的规定，文献[19]对这方面做了详细的比较分析，有一定的参考价值。我国港口工程荷载规范中对冰荷载的计算做了详细的说明，初步设计时可以参考其中的理论进行相关荷载计算。

4.3 冲刷问题

海上风机基础设计前，首先要勘测拟建基础地区的海床活动情况，海床活动对基础冲刷的影响非常大，应该尽量避免在海床活动频繁区域选建风机基础，或者在建前需要对基础做一定的防冲刷处理措施。对于单桩基础，由波浪作用引起的冲刷，在桩基泥面处桩前产生马蹄涡、桩后产生尾涡。马蹄涡和尾涡主要受Keulegan－Carpenter(KC)影响，按下式计算：

式中：T为波周期；D为桩外径；h为水深；H为波高。

桩基础进行初步冲刷设计时，可以采用以上计算方法判断是否产生波浪冲刷，对形成冲刷的根据冲刷程度采取相应的保护措施。然而，由于实际海流情况比较复杂，具体怎么计算更能真实反应实际冲刷情况，还需要相关的实验研究。可以在以建的或拟建的基础在海底泥面处安装冲刷检测装置，收集冲刷资料，便于后续的分析研究。

5 总结

虽然在政府的有力推动下，我国海上风电表现出极强的发展势头，但毕竟发展时间短，海上风资源、水文、地质等基础数据不完善，海上风电场设计、施工、运行维护及相关装备研制等环节的关键技术薄弱，风电标准、检测和认证体系不完善，这些技术问题严重阻碍了我国海上风电的快速发展。

[1]Milborrow D．Off－shore wind rises to the challenge．Wind Power 2003，(4)．

[2]习宋础，刘汉中．海上风力发电场开发现状及发展趋势[J]．太阳能学报，2006，(2)．

[3]易跃春．中国海上风电规划进程介绍及展望[J]．电器工业，2013，(7)．

[4]黄维平，刘建军，赵战华．海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J]．海洋工程，2009，5(27)．

[5]杨锋，邢占清，等．近海风机基础型式结构研究[J]．水利水电技术，2009，(9)．

[6]段郧峰，冉红玉，李凤丽．海山风电场风机基础的选型设计[J]．水利与建筑工程学报，2010，2(8)．

[7]尚景宏．海上风力基础结构设计选型研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010．

[8]黄维平，尚景宏，王建丰．国外海上风力发电机组基础结构现状[C]//中国可再生能源学会海洋能专业委员会第一届学术讨论会文集，2008．

[9]张霞．近海风电场桩式风机基础结构优化研究[D]．大连：大连理工大学．2010．

[10]吴芳和．近海风机基础结构选型优化与疲劳分析[D]．大连：大连理工大学，2009．

[11]郑主平，吴启仁．响水风电场风机基础不均匀沉降原因及处理方法[J]．水利水电技术，2009，9(40)．

[12]黄立维，杨锋，等．海上风机桩基础与导管架的灌浆连接[J]．水利水电技术，2009，9(40)．

[13]JGJ 94－2008，建筑桩基规范[S]．

[14]JGJ254－98，港口工程桩基规范[S]．

[15]FD003－2007，风电机组地基基础设计规定[S]．

[16]JTS 144－1－2010，港口工程荷载规范[S]．

[17]JTJ213－1998，海港水文规范[S]．

[18]卢鹏，李志军．现行规范中计算桩柱冰荷载的比较[J]．冰川冻土，2003，25(S2)．

Discussion on Load Calculation and Wind Machine Foundation Form at Sea China

DONG Xiao-bing1, HAN Yan-bao2, LI Xue2, YANG Li2
(1. Shanxi Electric Power Corporation Economic Research Institute, Xi'an 710065, China；
2. Beijing Millennium Software Technology Co., Ltd., Beijing 100096, China)

In view of the present development situation of offshore wind power base and sea geological situation in china, put forward currently applied in China Sea several basic forms, and the single pile foundation as an example to illustrate the basic problems in the design and the attention of the local. Design and research for the foundation of the sea made a few exploration.

offshore wind farm; pile foundation; scour calculation; load calculation.

TM614

A

1671-9913(2014)03-0077-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.016

2014-03-13

董小兵(1981- )，男，陕西麟游人，编辑，从事杂志编辑工作。