海上风机单桩基础桩形影响因素分析

2022-03-26冷平王娟娟

中国科技纵横 2022年3期

冷平王娟娟

（中国广核新能源控股有限公司，北京 100071）

0.引言

按照工程实践，国内设计单位对单桩基础选型、结构疲劳进行分析，大直径单桩建造厂，生产能力持续提升，可卷制最大桩径为9m，壁厚为100mm，单桩出运能力为2000t。针对设计标准，单桩基础安装与运行期间，受到荷载变形影响，永久倾斜度小于0.5°。单桩建造与施工技术进步，沉桩精度控制在3/1000内，为深水厂址放宽单桩你面转角限制，提供有利条件。

1.工程概况

1.1 海洋水文条件

工程海区，海平面平均高程0.5m，低水位为-1.55m。按照勘察结果可知，泥面高程为-25.06m～-29.17m，平潮水深为25.58m～29.75m。常浪向为东南向，浪向分布在东-南方位支架，海流主流方向为西南西。工程海区域风向为东北、东南风，夏季主导风为偏南风，秋季以东北风为主，春季以东南风为主。场址内部水深明显，表层土为淤泥质土。

1.2 工程地质

风电场场区，距离岸边20km，面积广阔，无礁石、岛屿分布，水下地形平坦，为海积地貌。按照区域地质、钻孔资料，风电场地层存在较多覆盖层，厚度由北向南逐渐增加。分析勘探钻孔数据可知，场址内地层情况复杂度高，土层级配差，整体规律性不足。

1.3 风机概况

海上风电场，发电机组单机额定容量为5.5MW，钢制锥筒式塔架，叶片长度为75.5m，叶轮直径为156.728m，轮毂中心标高100.2m，设计寿命为23年。风机切入速度为每秒3m，切出速度为每秒25m，额定风速为每秒9m。风轮转速范围为4.212.33rpm。叶片、轮毂、机舱总质量为434t，中心位于塔筒法兰以上3.184m，塔筒轴线向轮毂方向5m。

2.优化单桩结构设计

2.1 整体布设

按照场内极端高水位、波高信息，明确平台底高程，深入分析外平台梁高，明确基础顶法兰高程，深入分析海区施工条件，施工窗口比较少，需要应用外平台爬梯，高度集成底层圈梁短套笼，沉桩后吊装焊接到桩体，电缆从桩体与泥面靠近位置开孔，锚固沉降后，吊装内平台[1]。

2.2 桩形设计

海上单桩风机设计，分析地质参数与桩形影响，将风机作为基础结构进行约束，计算极端荷载、疲劳荷载，实现荷载迭代闭环。

单桩基础设计，以泥下关键点位移、整机频率为控制变量，桩顶到泥面部分壁厚、直径分布，会极大影响风机荷载、波浪荷载、桩体变形等，与地基刚度、叶片质量、塔筒结构，配置为整机。针对机位地质参数，单桩地基刚度，会受到入土桩长、泥下桩径、壁厚分布影响。通常情况下，水深、水文、地质条件差异不大时，为了优化塔筒机电设备布设、基础构件设计，必须确保基础顶法兰直径与高程一致，塔筒壁厚分布均匀。基础设计中，遵循不同机位地质条件，选择最佳桩形参数组合，确保桩体变形、整体频率满足要求，整体工程量最优化。基础顶法兰与桩身段外径为7.4m，与塔筒底部直径一致。桩身刚度，利用桩径与壁厚调整，改变整机频率。桩径改变有助于频率调整，桩径变化会改变环境荷载，对桩体变形指标造成影响。与固定外径基础顶法兰相互连接，在地基土上获得承载力，泥下桩径大于顶部桩径。使用锥段连接不同外径。桩径是各机位不同你下桩径，工程水深比较大，波浪荷载会影响整机荷载。锥段位置比较靠下，水面波浪作用桩径小，能够降低波浪力，有助于减少疲劳荷载，与泥下桩变形量相关。当壁厚分布条件相同时，报能够使整机频率降低。观察可知，锥段位置对频率、变形因素具备反作用力。根据特定地质条件，能够计算出最优解[2]。

高锥段形桩顶高程6m，假设桩径为8.4m，锥底高程-10m。桩径变化时，调整锥底，维持锥段斜度不变，统一套笼型号，实现批量化制造。套笼底部支撑牛腿，应当设置在锥段上，锥段底部低于-2m，因此桩径应当大于8m。中锥段桩形顶高-2m，锥底高-15m；低锥段桩形顶高-9.6m，锥底高-25m。桩径变化时，锥段高程不变，桩径大于7.5m。

3.桩形对疲劳荷载的影响

在计算风机荷载时，风机厂家计算输入，一般为基础结构图、泥面刚度矩阵，针对确定机位，调整桩形参数，改变泥面桩形与刚度矩阵，同时，改变部分桩形，促使波浪荷载变化，从而影响疲劳荷载[3-4]。

3.1 调整桩形参数

明确地质条件后，针对壁厚分布、泥下桩径、入土桩长，对桩身泥面刚度、泥面进行约束，机位应用高锥段桩形式，泥面刚度在自由度分量中。泥面刚度矩阵为对称方阵（6×6），根据风机厂家评估，在水中桩形影响下，刚度矩阵能够增加主对角线元素，减小位移、转角耦合项，对疲劳荷载的作用较强，影响明显。

原最优解，对应泥下桩体，需要采用中等壁厚，即第二组壁厚。当壁厚恒定时，调整泥下桩径、入桩长。入土桩长不足60m时，刚度矩阵不会受到桩长影响。入土桩长大于60m时，桩端持力层，从原有软塑黏土中，转变为密实中砂层，桩径与壁厚矩阵增加。

为风机厂家计算的荷载方向。疲劳荷载评估，主要应用等效疲劳荷载。应力循环次数为1E+08。项目侧向波浪，会极大影响单桩基础疲劳荷载。疲劳荷载性侧向弯矩影响大，可以当作疲劳荷载评估量。原最优解桩径8.4m，入土深度50m，计算疲劳荷载幅为53175kN/m，超出塔筒承受疲劳极限。

按照风机厂家估算可知，当水中桩形不变化，则机位矩阵降低到1.42E+7kN/rad，疲劳荷载满足标准。分析可知，只调整桩径，将桩径缩小至8.1m，然而桩径为8.1m，整机一阶频率0.263Hz，无法满足风机厂家0.264Hz要求，所以即使改变桩径，也不能降低疲劳荷载。注重壁厚调整，调整刚度矩阵。

3.2 调整锥段位置

调整桩径、壁厚、桩长，保持单桩整体在设计可行范围内不可行。分析锥段位置对波浪荷载的影响，不改变桩形状态下，下移锥段，重新计算疲劳荷载。锥段位置调整之后，整机一阶频率降低，但是满足0.265Hz要求。泥下桩形参数不便，上部受到波浪力影响后，参数减小。泥面刚度为割线刚度，按照曲线形态，会增加泥面刚度。低锥段桩形，对应泥面刚度，主对角线元素与刚度矩阵增加，不同自由度间转角耦合减小，然而对应元素量值小，所以刚度矩阵变化对荷载计算影响小。风机荷载计算，疲劳荷载幅为36685kN/m，小于高锥段方案，且塔筒处于可承受范围内。

在本文研究中，在应用35台单桩基础中，有7台对基础钢料量期初最优解，获得桩径8.5m以上高锥段桩形，高锥段基础钢料量，明显小于低锥段，深水大，单桩基础疲劳荷载，高度敏感水中桩形。高锥段方案中，疲劳荷载比低锥段高，塔筒经过疲劳验算之后，注重焊缝磨平处理，延长疲劳寿命，避免影响整体经济性。由于泥面刚度会影响疲劳荷载，因此在选择最优桩形时，基础钢料量最优解，即处于高锥段桩时，机位最优解设定为低锥段。

4.浅层土性质对最优桩形影响

高锥段桩形，因桩基大部分延伸高度高，能够提升整机刚度。低锥段水面附近桩径小，能够降低桩体波浪力影响，桩身变形多分布在水中部位，减少泥面转角。在机位特定地质条件下，最优桩形可以满足频率与变形指标要求，反映机位地质特征的桩形要求。浅层土，能够决定单桩基础变形与刚度。所以，按照机位最优桩形分组，定量统计分析浅层土性质。机位分析时，入土桩长在45m以上，针对浅层土分析范围，划分为冲刷坑底部至原始泥面下45m[5]。

4.1 分析变量定义

单桩基础设计中，注重水平刚度控制，通过曲线方式，可以表达出桩土间侧向位移、反力关系。针对曲线问题，定义砂土、黏土计算方法，尽管侧向位移相同，但桩长反力相差明显。将土层划分为砂土与黏土统计，定义砂土层厚度变量。

定义黏土层厚度变量：

单桩设计为直接打入桩，桩端进入强风化岩中，针对全风化岩，计算模拟设定为黏土，对于强风化岩，以砂土为计算模拟。在曲线计算中，内摩擦角为砂土参数，不排水抗剪强度为黏土参数。土层较浅时，则桩体侧向刚度会产生明显影响，定义砂土内摩擦角、深度底部比例矩：

黏土不排水条件下，定义抗剪强度，分析深比例矩：

4.2 统计结果与分析

将机位地质参数，按照最优解，以高锥段、中锥段、低锥段统计，桩形对应相应的机位数量、平均层厚比、主体钢料量、平均比例矩，如表1所示。

表1 浅层土性质与最佳桩形

在表1中，高锥段桩径小于8.1m，桩体波浪荷载，会引发疲劳影响，高锥段桩形应用，只关注砂土比例、内摩擦角问题，以小桩径机位为主。针对该类机位地质，桩体泥下位移约束效果显著，提升锥段位置，确保整机一阶频率前提下，能够有效缩小桩径，对基础钢料量予以控制。针对高锥段桩形，平均桩径为8.0m。

中锥段桩形，可以应用到高砂土比例、内摩擦角适宜情况下，黏土不排水抗剪强度。机位砂土与黏土搭配均衡，对泥下桩基约束能力佳，利用中锥段能够平衡桩体变形、频率需求，掌握3种锥段位置的最小钢料量。中锥段机位桩径为8m，最大为8.6m。按照水中桩形设计，中锥段桩径斜度大，锥顶位置应力集中系数大。当桩径比较大时，疲劳校核影响大。锥顶高程-2m，减小水面波浪荷载作用。机位风机疲劳荷载，控制在塔筒、基础极限范围内。低锥段桩形，可以应用到高黏土比例，砂土内摩擦角、黏土不排水抗剪强度低机位，该类机位地质比较差，无法有效约束桩体变形，为了满足风机厂家要求整机一阶频率，只能增加桩径。桩形水中部分刚度为3种桩形最低。基础顶法兰位置变形，传输到泥面位置比例小。当锥顶高程足够低时，能够降低波浪荷载、桩体受力、疲劳荷载水平，属于软土地基最佳选择。低锥段机位，平均桩径8.6m，平均基础钢料量为3种桩形最大。