针对南海区域的三桩（超长桩腿）导管架式海上测风塔基础设计与施工技术应用

张淇宣

【摘 要】本海上测风塔工程采用了三桩导管架式基础，是目前国内海上风电插群桩型基础项目中钢管桩最长的项目，且钢管桩设计为斜桩，具有一定的施工难度。本项目以安全、经济、可靠为原则，从设计阶段开始进行综合计算、比选，选择了经济、可行的最优设计方案。在施工阶段，通过合理地选择海上施工船泊设备及相应的施工工艺，选择最优的施工作业窗口期，确保了整个工程的安全、经济、可靠。本工程海上测风塔针对南海区域的环境特点，选择了三桩（超长桩腿）导管架式基础型式，较附近海域某类似工程四桩导管架式海上测风塔在建安工程总费用节省了220万元。本文着重对本工程桩基础部分的结构设计与施工技术情况进行介绍，为类似工程提供参考。

【关键词】海上测风塔；三桩基础；设计与施工技术

中图分类号： TU473.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.046

0 引言

随着我国风电事业的不断发展，海上风电已经成为其中重要的一部分。海上风能资源丰富而且稳定，风资源情况优于陆地，且不涉及土地征用等问题。我国拥有海岸线长约1.8万公里，风能资源丰富，其中近海风能资源主要集中在东南沿海及其附近岛屿，有效风能密度在300W/m2以上。5-50m水深、70m高度海上风电开发潜力约5亿千瓦[1]。我国海上风电具有大规模开发的潜力，特别是水深小于50 m的近海浅水区，更是现阶段风电发展的方向。如何树立安全、经济的海上测风塔，做好场址内风能资源收集和评估工作，对于项目投资决策和风机布置至关重要。

1 海上测风塔概况

本工程位于南海海域珠江口外某海上风电场中部的位置，水深约25米，场址区域内建设100m高度海上测风塔，收集海上风能资源情况。2014年4月完成工程初步勘察；同年5月完成工程初步设计；2015年10月，全面完成报批报建手续，全面启动项目测风塔的建设施工工作。2016年6月，全面完成海上测风塔架设，开始进入测风阶段工作。

2 海上测风塔审批

本工程同其他海上风电测风塔项目一样，都必须先征求海事、渔业主管部门和军队环境保护部门及地方海洋部门的意见[2]。取得相应批复后，才能建设，主要包括：通航安全许可、水上水下活动许可证、航标许可、航空许可、海域使用及军方许可等多项行政性审批文件。

3 海上测风塔设计

3.1 测风塔基础结构形式设计

常见的测风塔基础型式有单桩基础、三桩导管架基础、四桩导管架基础、高桩承台基础、重力式基础等。结合本工程水文气象及地质条件和各基础型式施工造价特点，本工程采用三桩导管架基础。

3.2 设计荷载与设计工况

海上测风塔设计过程中考虑的荷载主要包括基础自重，上部塔架荷载、波浪力、水流力、风荷载、冰荷载和地震力等[3]。本工程础设计考虑的荷载主要有：测风塔自重、平台自重、测风塔极端风荷载、波浪荷载等。

（1）风荷载计算：根据《建筑结构荷载规范》及《高耸结构设计规范》，风荷载计算采用10m高度50年一遇10min平均最大风速作为极端工作状况荷载进行设计。

（2）波浪荷载计算：波浪荷载计算采用重现期50年的分方向波浪要素作为极端工况波浪荷载进行设计，并与风荷载进行组合。工程波浪荷载依据《海港水文规范》（JTS145-2-2013）小直径桩组成的群桩结构进行计算。

（3）海流荷载计算：根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）13.0.1进行水流力标准值计算。

（4）地震荷载：根据《高耸结构设计规范》（GB 50135-2006）及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），计算，结果显示，地震作用影响较小。

（5）荷载组合：

标准组合：分项系数均取为1，桩基承载力采用该组合。基本组合：永久荷载对结构不利时，分项系数取1.2，对结构有利时，分项系数取1。风荷载和波浪力按活荷载考虑，分项系数为1.4，其他系数均取为1。桩身承载力、桩稳定性、承台设计采用基本组合。

3.3 结构受力分析及基础设计与计算

3.3.1 持力层选择

根据地质资料及荷载，经初步计算，在桩径1.5m时，由于-83.2m高程以上各土层地质条件较差，采用钢平台时无法提供足够的抗拔承载力，最终将-83.2m以下的中砂层作为桩端持力层。

3.3.2 桩径选择

由于持力层在-83.2m以下的中砂层，该层的侧摩阻力为122kPa，增加较短桩长即能得到较大的抗拔承载力。根据初步计算，1.5m桩径，桩端进入中砂层5m，桩基满足承载力要求。

3.3.3 结构分析及桩身倾斜度选择

结构分析采用大型通用有限元程序进行计算，模型杆件采用梁单元进行分析，通过计算分析，结构内力图见图1及2。

通过内力分析，腿柱及撑杆在外力作用下均为压弯构件，对不同的倾斜率进行建模分析发现随着腿柱倾斜的增大，用钢量逐渐降低。当倾斜率增大到一定程度时，用钢量又开始增大，最终选定最优的倾斜率为1：4。

3.3.4 桩身及钢承台承载力验算

采用Midas Soilworks对桩基础进行建模，分析桩的受力情况；采用Midas Gen建立结构的整体模型。之后采用Midas GTS对土体及上部结构进行了整体建模，经过桩基承载力验算、桩身内力计算、桩身强度验算、桩身稳定性验算，设计满足要求。

3.4 综合基础设计结论

通过上述设计及验算，本工程测风塔基础采用三桩导管架承臺方案，桩基础为 1.5m 直径钢管桩，壁厚20mm。桩顶高程 1.5m（85 高程），主风向抗压桩倾斜 15°，抗拔桩 10°，桩端持力层为中砂层，桩长约 94m，进入持力层约 5m，桩基承载力以抗拔控制。导管架承台与桩顶采用刚性连接，承台高度约 8m，与塔连接塔脚顶部高程 10m。塔基跟开度为 8.1m，上下弦杆间距约 7.58m。主要构件包含腿柱、撑杆、弦杆，采用 Q345B 钢管，腿柱及撑杆直径分别为 1.2m 和 0.6m，弦杆直径从 0.4m～0.6m 不等。次要构件包含平板、钢板格栅、爬梯等辅助构件，材料采用 Q235A。并进行专门的防腐蚀设计、防冲刷设计和靠船、漂浮物防撞设计，保证本次安全，测风塔基础及导管架部分实物图如下图3所示。

4 测风塔施工

本工程选取广东省长大公路工程有限公司建造的“长大海基”号进行施工。该船总长74.75米，型宽27.00米，型深5.20米，设计吃水2.80米，结构吃水3.50米，桩架高度（距设计水线）100.00米，最大植桩桩径3200毫米，最大植桩长度85米+水深，最大植桩重200吨，装有精度为厘米级的GPS定位系统，能精确定位打桩，配备荷兰进口的IHC S-600液压打桩锤[4]。本次长94米、直径1.5米、重量为87吨的斜桩打桩作业也是该船第一次打的最长的钢管桩。打桩船在定好位置后，沉桩的施工顺序及流程如下：

（1）起桩→（2）立桩→（3）插桩→（4）锤击沉桩→（5）停锤、移船→（6）打桩监测→（7）承台吊装→（8）连接段灌浆施工→（9）测风塔底節吊节→（10）测风塔主体安装→（11）测风设备安装及调试→（12）接收数据正式测风。

5 与同类型工程的建安工程费用对比

本工程三桩导管架式海上测风塔以安全、经济、可靠为原则，选择了最优设计方案。在施工阶段，通过合理地选择海上施工船泊设备及相应的施工工艺，周密地做好了施工的各项工作。本工程三桩导管架式海上测风塔建安工程总费用为564.89万元，较附近海域某四桩导管架式海上测风塔建安工程总费用的785.5920万元共节省了220.702万元。

6 结论

（1）测风塔结构设计充分考虑了海上施工的特点，针对地质条件复杂，软基层很厚，表层土土质力学性能比较差，持力层埋置较深等特点。计算分析选择了合理的设计荷载，设计了目前国内海上风电插群桩型基础项目最长的钢管桩。通过对不同类型的基础方案的综合对比分析，选定采用导管架基础形式。在不增加桩径的情况下，通过加劲板保证了结构的整体稳定性。通过对不同倾斜率的桩进行有限元分析，选定了最优的倾斜率。通过多款软件的对比分析，相互验证，保证了计算结果的正确性。设计力求结构受力合理、造价经济、施工方便可行。实践证明测风塔设计适合该建设海域，方案可行。为今后南海海域海上风电建设提供了很好的参考意义。

（2）由于受海上恶劣环境影响，测风塔施工工期长、难度大。本工程在施工前根据地质情况、工期紧张和气候变化大的特点，运用海洋气象台、本地观测站等气象数据，结合长期在该区域作业施工人员及渔民提供的经验，做好施工窗口期的判断及把控，基础施工整体安排及船舶配合经验为今后的海上风电工程提供了很好的经验和借鉴意义。

（3）通过设计方案的优化，合理地选择海上施工设备及相应的施工工艺，施工整体安排及船舶配合的周密组织，施工窗口期的准确判断及把控。本工程三桩导管架式海上测风塔建安工程总费用为564.89万元，较附近海域类似工程四桩导管架式海上测风塔建安工程总费用的785.5920万元共节省了220.702万元。

【参考文献】

[1]李俊峰.中国风电发展报告[R].北京：中国环境科学出版社.2012.

[2]国家海洋局.海洋工程建设项目环境影响报告书核准事项服务指南[Z].2016-09-12.

[3]唐东洋，万庆宇，张蓉，翟钢军.钢质平台海上测风塔基础结构强度及稳定性分析[J].船舶工程，2013年05期.

[4]冯章杰.超大型打桩船在海上桩基工程中的应用研究[D].三峡大学，2015.