单桩基础抗冰锥设置引起波浪载荷增幅研究

田会元，高俊松，刘建平

(1.中国长江三峡集团有限公司上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；2.中国三峡新能源(集团)股份有限公司东北分公司，辽宁 庄河 116400)

近20年来，随着全球能源、资源和环境问题的突出，风能越来越受到世界各国的高度重视，并在各国的共同努力下成为当前世界范围内发展速度最快的可再生能源之一。中国海上风能资源丰富,核准在建海上风电项目稳步推进，装机规模不断扩大。如图1我国海上风电历年装机容量统计图所示，截止到2019年底，中国海上风电累计装机约600万kW[1]。

作为我国唯一的高纬度寒区海域，渤海及黄海北部海域是我国领海海域中风能储备密度最大的区域。然而，海冰在寒区是一个必然现象，巨大的海冰荷载会对结构的安全及生产带来很大的危害[2]。寒区海洋环境复杂多变，海上风电基础受到多种载荷的作用，冰载荷及波浪载荷同时成为海洋结构物的控制载荷。

图1 我国海上风电历年装机容量(来源CWEA)

在工程设计中，抗冰结构在重冰区的石油平台导管架上得到大量应用，而在海上风电基础设计中的应用较少，同时两者的承载形式和特点存在一定的差异，海上风电机组基础结构的水平荷载和倾覆力矩远远大于海洋石油平台,而竖向荷载小于海洋石油平台。目前，我国北方海上风电基础抗冰结构设计尚处于尝试阶段，主要借鉴海洋石油平台的设计经验，专门针对海上风电基础的抗冰结构研究还不够成熟，有待于进一步深入研究设计出适合我国海上风电的抗冰结构。

目前，海洋石油平台和海上风电领域常用的抗冰措施是在桩身潮差范围内加装锥体结构，图2为带冰锥的海上风电单桩基础，冰与锥体在相互作用时能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，从而使得海冰作用在结构上的载荷大幅度降低[3]。然而在无冰期，由于冰锥的存在，加大了基础的水线面面积，波浪载荷急剧增加，同样威胁着海上风电机组的安全。

图2 带冰锥的海上风电单桩基础

本文以海上风机单桩基础为研究对象，采用SACS数值计算软件，分析了由于设置抗冰锥结构引起的波浪力增加幅度，以期为寒区单桩基础抗冰锥结构的设计提供工程指导及参考。

1 抗冰锥设计准则

1.1 冰与结构的相互作用

当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物危害最大的破坏来自于冰排整体移动所产生的挤压作用力以及冰排穿越结构物时引起的振动。如果结构物强度不够，则在此过程中会被冰排破坏；如果结构物强度很大，则冰排被其切割后破碎通过，引起结构物强烈的振动。通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型主要包括：挤压、压屈、剪切、弯曲破坏。

工程中一般安装抗冰锥体结构以提高结构的抗冰性能，这是由于海冰与直立结构作用以挤压破碎为主，与锥体结构作用以弯曲破坏为主，而海冰的抗压强度远远大于其弯曲强度(渤海海冰的挤压强度一般为弯曲强度的2～3倍)[4]，因此锥体结构具有降低冰载荷的作用。

1.2 抗冰锥角建议值

由于海上风电基础结构在制造、安装和维护上的成本耗费较高，因此抗冰锥结构参数的设计需在有效提高抗冰性能的同时尽量降低经济成本。

相关研究成果表明：当锥角小于70°时海冰的破碎模式主要为弯曲破坏，而当锥角大于 70°时海冰破坏模式则主要为挤压破碎[5]。冰锥高程由特征水位决定，因此对于特定的工程场址冰锥高程范围相对固定。当锥角较小时，锥面较平缓，冰载荷降低效果明显，但水线面面积增长幅度较大引起波浪载荷急剧增加；反之，当锥角较大时，锥面较陡峭，波浪力增加幅度不大，但抗冰效果不明显。如何设置合理的冰锥角，在冰荷载减小与波浪载荷增加的矛盾中寻找制衡点，成为抗冰锥结构设计的关键参数。我国渤海海域海洋石油平台工程实践经验较为丰富，海上石油单桩平台广泛50°～65°锥角的抗冰锥[6]。

1.3 冰蚀区高程

按照《海洋石油工程设计指南》[7]冰磨蚀区按下式计算：

冰蚀区上界：WHAT+0.1H+Δ

冰蚀区下界：WLAT-0.9H-Δ

式中：WHAT为冬季最高天文潮；WLAT为冬季最低天文潮；H为冰厚；Δ为施工和测量误差，建议值0.5 m。

根据所算冰蚀区的上下界范围，考虑冰排一定的爬高，基于我国寒区某工程海洋水文参数，抗冰锥的设置高程取：-3.5～4.0 m之间。

2 抗冰锥设置引起波浪载荷增幅研究

2.1 计算模型

考虑到目前各大整机厂家主推的塔筒直径介于5.5～7.0 m，结合本文1.2中抗冰锥角工程建议值50°～65°，计算尺寸如表1所示。寒区某工程中，50年一遇设计波要素的波长范围介于90～100 m，由表1可知带冰锥结构的锥体最大直径为13.54 m，锥径与波长之比小于0.2，属于小尺度结构，本文采用基于莫里森方程的SACS海洋工程结构分析软件计算结构波浪力。图3从左至右依次为直立桩、50°锥角及65°锥角SACS数值计算模型。

表1 计算模型尺寸表

图3 数值计算模型示意图

考虑冰锥与钢管桩灌浆连接施工工艺，抗冰锥套筒高程在冰蚀区上下界的基础上向外延伸0.5 m，同时抗冰锥套筒与钢管桩中间考虑100 mm灌浆料厚度。

2.2 计算结果

表2和表3抗冰锥角工程建议值及目前国内整机厂家主推塔筒直径范围内设置冰锥前后波浪力增幅与冰力减幅统计结果，直立桩径5.5～7.0 m时对应的波浪力范围为1 783.6～2 856.6 kN，有冰锥波浪力有明显增幅。

表2 设置冰锥前后波浪力增幅结果表

针对某一特定工程，在固定潮差条件下，需同时改变锥体角度和最大直径以满足锥体能覆盖在整个潮差范围内。由表2可知，在冰锥高程固定的条件下，不同直立桩径的抗冰锥对应的最大直径随着锥角的减小而增大，故波浪力增幅也随着锥角的减小而增加。

锥角为50°时，波浪力增幅为47.5%～62.6%，冰力减幅为80.4%～82.0%；锥角为55°时，波浪力增幅为39.0%～50.9%，冰力减幅为76.96%～78.76%；锥角为60°时，波浪力增幅为31.8%～41.2%，冰力减幅为72.52%～74.62%；锥角为65°时，波浪力增幅为25.6%～32.9%，冰力减幅为62.55%～65.4%。对于特定工程项目，当冰蚀区潮差、塔筒直径及抗冰锥角确定后，可通过查询表2和表3初步估算由于冰锥的设置引起的波浪力增幅及冰力减幅值。

表3 设置冰锥前后冰力减幅结果表

图4为不同桩径及锥角对应的波浪力增幅，波浪力增幅随着直立桩径的减小而增大。同一锥角及冰锥高程条件下，抗冰锥最大直径与直立桩径的差值是相同的。经表1计算可知，直立桩径越小，抗冰锥的最大直径与直立桩径的比值越大，对应的波浪力增幅越明显。

由图4可知，锥角较大时，由于抗冰锥最大直径与直立桩径的差值较小，故波浪力增幅随直径变化较平缓；锥角较小时，冰锥最大直径与直立桩径的差值较大，波浪力增幅随直径变化较陡峭。

图4 不同桩径及锥角对应的波浪力增幅

3 结 语

本文基于目前整机厂家主推的塔筒直径参数(5.5～7.0 m)并结合抗冰锥角工程建议值范围(50°～65°)，计算了单桩基础不同桩径及锥角结构由于设置抗冰锥引起的波浪力增幅，计算结果表明：

1)直立桩径为5.5～7.0m单桩基础对应的波浪力范围为1 783.6～2 856.6 kN。

2)波浪力增幅也随着锥角的减小而增加：锥角为50°时，波浪力增幅为47.5%～62.6%；锥角为55°时，波浪力增幅为39.0%～50.9；锥角为60°时，波浪力增幅为31.8%～41.2%；锥角为65°时，波浪力增幅为25.6%～32.9%。