冲刷深度对海上风电复合筒型基础结构安全性的影响分析

2021-12-14沈侃敏郇彩云

水力发电 2021年9期

李涛，沈侃敏，郇彩云，俞剑

(1.浙江省深远海风电技术研究重点实验室，浙江杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；3.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

0 引言

海上风力发电机组复合筒型基础是一种通过抽出筒内水和气形成的内外压差使筒体插入海床的海上风机基础结构，由预应力混凝土过渡段、混凝土底板和宽浅型钢筒体组成，具有自重大、入土浅的特点。复合筒型基础下部宽浅型钢筒体插入海床土体，提供承载力，钢筒体直径一般为30～36 m；上部预应力混凝土过渡段部分和混凝土底板浸入海水中，承受海流、波浪、海生物生长等长期海洋环境作用；预应力混凝土过渡段顶部通过高强螺栓与风机塔筒相连。复合筒型基础的施工包括陆上建造、风机吊装调试、整机运输、一步式安装4个主要工序。筒型基础在基地工厂完成陆上建造；检验合格并具备下水条件后，采用龙门吊将筒型基础吊入港池中，接着将筒型基础绑扎在运输安装船上；船筒绑扎完成后在码头前进行风机吊装以及整机调试；通过运输安装船将复合筒型基础和风电机组(整机)运输至风电场安装位置；最后筒型基础在整机自重以及负压的作用下插入海床中，完成整机一步式安装。

海上风电常用的桩基础陆上制造简单，但海上施工工序较多，需要在海上依次进行沉桩、附属构件安装和风机吊装。复合筒型基础可以进行海上整机一步式安装，基础建造、风机吊装与整机调试等均在陆上完成。相对于桩基础而言，复合筒型基础及一步式安装技术可降低单台风机基础建造成本以及缩短建设周期，具有安全、高效、经济、环保等优势。目前复合筒型基础已成功运用于实际工程项目，三峡响水近海风电场项目已建成2台3 MW风机复合筒型基础，筒径为30 m，筒高为12 m。三峡新能源江苏大丰海上风电项目已建成11台3.3 MW和2台6.45 MW风机复合筒型基础，筒径为32～36 m，筒高为10～13 m。

复合筒型基础施工完成后，会在海中形成阻水结构物，引起基础周围海流的流速增大和流向改变。这些改变将打破基础周围泥沙原有的平衡状态，形成冲刷坑。复合筒型基础属于浅基础，冲刷对基础结构安全性有较大的影响。因此有必要研究冲刷深度对复合筒形基础结构安全性的影响分析。

由于复合筒型基础为海上风电工程中较为新型的基础型式，目前，国内外仅有少量学者研究了复合筒型基础的局部冲刷特性。史忠强[1]通过开展复合筒型基础局部冲刷模型试验，同时利用有限元软件建立三维数值水槽，研究了复合筒型基础的三维水流特性及基础周围切应力分布规律。研究表明，往复流下筒型基础后方冲刷最为严重，形成2个基本对称的冲刷坑，现场最大冲刷深度为2.8 m；基础周围床面最大切应力位于复合筒型基础的后方，前方的床面切应力最小，两侧次之。于通顺等[2]针对某工程实例建设了冲刷试验场地，通过开展1∶20、1∶40、1∶70三种比尺的复合筒型基础冲刷室内模型试验，分析了基础周围冲刷坑范围、深度，给出了实际工程复合筒型基础最大冲刷深度为3.5 m，并明确了单向流作用下复合筒型基础周围地基局部冲刷特性。陆罗观等[3]研究了单侧地基土体受冲刷后筒型基础的竖向承载力变化，并引进冲刷率概念。冲刷率Sd=(Df1-Df2)/Df1，其中，Df1、Df2分别为未受冲刷侧和受冲刷侧筒型基础的埋深。研究表明，随着冲刷率增大，筒型基础的竖向承载力出现不同程度下降，当冲刷率为0.8时，即单侧冲刷深度为6.4 m时，筒型基础的竖向承载力下降3.28%。

在海上风电工程基础设计时，通常需要分析环境荷载作用下的基础变形、极限抗倾覆承载力和结构应力。为了避免机组运行时发生共振，还需分析整机结构(包括地基、基础、塔筒以及风电机组)的固有频率。然而目前已有研究成果中尚未见报道关于冲刷深度对复合筒型基础的变形、结构应力、整机固有频率等的影响。因为，本文通过开展数值模拟，研究冲刷深度对复合筒型基础结构安全性的影响，包括对基础变形和结构应力、基础极限抗倾覆承载力、整机固有频率的影响，为海上风电复合筒型基础工程设计提供参考。

1 数值模拟

本文研究的复合筒型基础模型如图1所示，模型由预应力混凝土过渡段、混凝土底板和钢筒体组成。模型尺寸为某工程复合筒型基础的原型尺寸，钢筒体筒径36 m、筒高10 m；混凝土底板结构为梁板结构，高1.5 m、直径36 m；预应力混凝土过渡段为薄壁结构，高24.5 m、直径7.6～24 m、壁厚600～850 mm。复合筒型基础静力加载模型如图2所示，弯矩荷载施加在基础顶部。为了避免边界效应，地基模型直径为6倍筒径，深度为6倍筒高，地基底面施加固定约束，侧面施加法向和径向位移约束。

图1 复合筒型基础结构

图2 复合筒型基础静力加载数值模型

数值模拟土体为粉质粘土，土体不排水抗剪强度Su=40 kPa，饱和容重为18.4 kN/m3，弹性模量为14 MPa，泊松比取0.49。土体采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型，土体与基础之间设置接触，摩擦系数取0.3，法向采用硬接触。钢筒体采用线弹性本构模型，钢筒体密度为7 850 kg/m3，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.27。预应力混凝土过渡段和混凝土底板采用线弹性本构模型，混凝土密度为2 500 kg/m3，弹性模量为36 GPa，泊松比取0.2。

为分析整机结构固有频率，需建立整机模型，如图3所示。机舱与塔筒的参数采用某实际工程数据，风电机组容量为6.45 MW，风机轮毂高度为106.5 m。机舱、法兰以及附件质量以质量点的形式建立在模型中；塔筒为钢结构，本构模型与钢筒体相同。

图3 整机结构模型

2 数值模拟结果分析

2.1 冲刷深度对基础变形的影响

在风和波浪等环境荷载作用下风电机组基础将发生变形，若基础变形过大则会影响风电机组的正常服役性能甚至导致其失效破坏。NB/T 10105—2018《海上风电场工程风电机组基础设计规范》中要求基础顶位置整个运行期内循环累积总倾角不应超过0.50°[4]。施工误差一般要求控制在0.25°以内。因此，环境荷载作用下基础顶转角不应超过0.25°，基础变形是工程设计中重点关注的方面。

在基础顶部施加弯矩荷载M，本文分别计算了冲刷深度ds为0、1、2、3、4 m时基础顶的变形，其中冲刷深度ds是指基础周围冲刷的土体厚度，数值模型如图4所示。不同冲刷深度下，基础顶M-θ曲线如图5所示，由图5可知，随着冲刷深度的增大，在相同外界荷载作用下，基础顶转角也随之增大，且外界荷载越大，不同冲刷深度之间的基础顶转角相差越大，说明基础变形对冲刷深度越敏感。

图4 不同冲刷深度下复合筒型基础数值模型

图5 不同冲刷深度下基础顶的M- θ曲线

当基础顶所受弯矩M=389×106N·m时，不同冲刷深度下的基础顶转角如图6所示。由图6可知，基础顶转角随冲刷深度的增大基本呈线性增加，当冲刷深度为4 m时，相对于未冲刷时，基础顶转角增加11.7%。此外，冲刷深度的增加将使基础的阻水面积增加，引起基础所受的波流荷载增加，进而使基础顶转角进一步增加，本文研究未考虑此部分的影响。

图6 不同冲刷深度下的基础顶转角

2.2 冲刷深度对基础抗倾覆承载力的影响

浅基础抗倾覆承载力是工程设计中重点计算内容之一。由图5可知，基础顶M-θ散点连线呈双曲线形式，可采用式(1)拟合不同冲刷深度下的M-θ曲线，即

(1)

式中，a、b为常数，其中a为基础的极限抗倾覆承载力Mu。

结合图6，通过拟合得到的极限抗倾覆承载力如图7所示，由图7可知，随着冲刷深度的增加，极限抗倾覆承载力逐渐下降。当冲刷深度为4 m时，基础极限抗倾覆承载力降低23.2%。

图7 不同冲刷深度下的极限抗倾覆承载力

2.3 冲刷深度对筒体结构应力的影响

经数值模拟计算，当未冲刷且基础顶所受弯矩M=389×106N·m时，筒体结构上最大Mises应力为114.5 MPa，如图8所示。不同冲刷深度下的筒体结构应力如图9所示。由图9可知，随着冲刷深度的增加，筒体结构最大应力逐渐增大，且趋于平稳。当冲刷深度为4 m时，筒体结构最大应力由114.5 MPa增加至118.7 MPa，仅增加3.7%。因此，相比于基础变形和极限抗倾覆承载力，筒体结构应力受冲刷深度的影响较小。

图8 筒体结构应力云图(M=389×106 N·m)

图9 不同冲刷深度下的筒体结构最大应力

2.4 冲刷深度对整机结构固有频率的影响

为了避免风电机组全寿命周期发生共振，应建立包含风电机组、塔筒、基础和地基的整体模型(整机结构模型)，计算分析整机结构的固有频率，使其远离控制性动力荷载的主频。当基础未冲刷时，整机结构的第一阶模态和第二阶模态如图10所示。在实际工程中结构的第一阶、第二阶固有频率是影响安全的主要因素[5]，故本文主要关注第一阶固有频率。通过计算获得不同冲刷深度下的整机结构第一阶固有频率，如图11所示。由图11可知，随着冲刷深度的增加，整机结构的第一阶固有频率逐渐降低，且降低幅度逐渐增大。当冲刷深度为4 m时，第一阶固有频率降低1.9%。由此可见，复合筒型基础的整机结构固有频率受冲刷深度影响相对较小。