海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计及安全性研究

王宇楠

福建省水利水电勘测设计研究院 福建福州 350000

随着我国能源结构的不断调整，海上风能因其巨大的社会和环保效益而被视为能源发展的重点。近年来，国家对海上风电的政策支持力度和资本投入不断增大，海上风电在国内迅速发展，在《2019年全球海上风电展望报告》中指出，我国海上风电潜力达8323TWh/年，其中浅水海域4691TWh/年，海上风电开发潜力巨大。2019年，中国海上风电新增装机量占全球的39%，达到创纪录的2.4GW，同比增长了近51%，中国海上风电累计装机容量占全球的26%。随着单机容量的不断增加，海上风电机组的风轮直径也在不断增大。新增装机的机组平均风轮直径已由2009年的89米增加到2019年的143米。中国海床的构成特征决定了中国海上风电机组的工程成本将高于欧洲，而中国海域的夏季台风则对海上风电带来严峻的挑战，这就需要海上风电机组有更高的可靠性和更低的成本。由于海上风能资源丰富，而且不占用陆上耕地，远离居住区，噪声污染小，使其成为各国竞相开发的资源。[1]海上风电建设的难度要远远大于陆地发电的建设，但是它有着不可替代的优势，所以海上风电建设是非常有必要的。在海上风电建设中经历了理论可行性研究阶段、对风险和障碍进行分析研究和对抗阶段、实验性风电场建立等阶段，如今欧洲的许多国家都已经建立了一定规模的海上发电场，我国的沿海领域有着巨大的开发前景，如今我国的海上发电厂建设也已经提上了议程。

鉴于海上风电技术的不断完善，海上风电场建设中常出现各种技术问题，这对我国的研究给予了较大空间，尤其在海上风电机组基础设计和施工这方面，筒型基础逐渐显示出承载力高、稳定性优、制作施工方便、可以拖航等优点，在海上风电具备广阔的应用前景。为此，本文综述了国内外海上风电大直径宽浅筒型基础结构设计应用现状及面临的问题，对后期筒型结构基础的优化提供参考。

一、国内外海上风电基础结构形式

目前，国内外海上风电基础结构应用形式主要包括重力式基础、桩式基础、漂浮式基础、沉箱式基础等结构形式，我们在本文讨论的筒型基础结构也属于沉箱基础结构的一种。我们之所以会选择筒型基础结构来进行研究和讨论，是由于我国大多数海域都处于初级建设的阶段，因此还有许多问题需要进一步探索和解决，海上条件要比陆上条件恶劣得多，采用筒型基础结构可以对抗海上恶劣因素，同时还可以在保障安全的前提下，较大程度上节约成本。

二、筒型基础结构的应用现状及问题

近年来，我们加大了海域资源开发程度，在开发过程中筒型基础结构发挥了不可替代、独具优势的作用，该基础形式自从应用以来就得到了相关行业和部门的重视，同时专家和学者也在对这一基础结构做进一步的研究和开发。筒型基础是一种倒扣筒状结构形式，利用负压下沉原理使筒体下沉至泥面，在一定程度上还可以起到加固地基土体的作用，这种基础结合桩基和重力基础的特点，还具有制作迅速、施工便捷、可重复利用等特点。

从目前的阶段来看，相关人员主要对小直径筒机的一些特性进行研究，在大直径宽浅筒型机构方面的研究还需要进一步加强。筒型基础在海上风电方面的研究仅有几年的时间，因此无论是在技术上还是在经验上都需要进行全面而细致的开发和研究。在海上风电的建设中基础结构往往担负着承载大弯矩负荷的功能，所以其作用是相当重要的，在基础结构建设中需要大直径宽浅筒，但是从目前的情况来看，仅有我国个别项目及丹麦的一家电厂利用大直径宽浅筒机成功地组建了发电机组，成功案例罕见。但随着时间的流逝和技术的提高，成功案例将会越来越多。

从目前来看，我们较多地采用极限平衡法、极限分析法、有限元法等方法来进行筒型基础承载力的计算。

(一)极限平衡法

极限平衡法指的是在一定的屈服条件下，利用力矩和应用力之间的平衡公式进行计算，通过计算来得出基础结构在含有一定待定参数的情况下的极限荷载表达方式以及安全系数，并在此基础上对关键数据进行极值求解。

如滑动面法、梅耶霍夫公式、汉森公式等都属于极限平衡公式，可以有效地计算出筒型基础承载力数据。目前，筒型基础不同失效模式、不同基础形式情况下仍旧没有规范的计算方法可以使用。

(二)极限分析法

所谓的极限分析法有另外一个名称叫作极限反法，这一分析方法认为抗倾覆力矩是由筒顶盖下垂直反力来承担的，并能够在一定程度上影响水平承载力。经过有限元解验证分析和离心机模型试验，我们证明了该分析方法是具有非常大的可行性的，与实际受力状态是相符合的。在进行基础的筒型基础设计时，需要对筒型基础的承载力进行计算，根据过去的经验我们认为极限分析法能够有效地计算出筒型基础的承载力，能够对筒型基础参数计算起到优化的作用。

(三)有限单元法

计算筒型基础承载力是一项非常复杂的事情，如果我们能够善用有限单元法来解决这一问题，那么我们就能够化复杂为简单。有限单元法的理念是把一整个系统或整体细分为若干个小的单元，这些单元彼此之间具有逻辑关系，但是也能各自独立。有限单元法能够对各种几何图形进行模拟，通过这种方式可以帮助我们解决求解区域的求解问题。有限单元法也有其一定的约束性，那就是在当今网络与数据技术的支持下，我们只能利用有限单元法求出求解区域的近似值，而无法计算出非常精准的数值，因此，我们在采用该方法进行计算时需要根据实际情况来决定是否合理，如果需要计算精确数值，那么就不适用有限单元法，如果仅仅需要近似数值，我们就可以使用有限单元法来解决。

如果我们想通过有限单元法计算出较为精确的数值，那么我们就需要更为精确的先决条件，例如在一定程度上增加组成单元的数目，使单元范围进一步缩小化，使先决条件进一步得到收敛，只有这样我们所计算出来的近似值才能更接近精确值，总之在有限单元法计算方面我们还需要进行持续的研究和改进。

三、筒型结构基础设计现状及其存在的问题

大直径宽浅式筒型基础是适应海上风电特征荷载作用的新型基础型式。筒型基础的直径、入土深度、顶盖及侧壁厚度是控制其抗弯能力的重要技术参数。[2]在筒型基础结构设计过程中，由于海域地质条件有所不同、筒型机器的破坏模式也有所差异，因此，我们在计算筒型基础结构的负荷力及稳定性计算时就要使用不同的公式，目前，还没有一种通用的公式能够解决不同条件下筒型基础承载力和稳定性的数据计算。在筒型基础承载力、安全性等数据的计算公式方面既没有相关权威文献资料更不具备行业规范。在大直径宽浅筒型基础设计方面更是缺乏突破性，在这种情况下，大直径宽浅筒型基础结构成为不被推荐的基础结构之一。

筒型基础结构的竖向承受力、抗倾能力、筒型基础结构水平及地基的沉降状况都是决定筒型基础结构安全性的重要因素。在过去的研究过程中，我们发现以上对筒基安全性起到决定性因素的四项重要因素都属于筒基承载能力的计算考核指标范围之内，由此可以看出，筒基承载力的计算与筒基的安全系数紧密相关。目前我们对筒基承载能力的研究还处于一个比较初级的阶段，主要研究范围为筒基静力稳定性推导验证，在筒基承载力计算安全系数确认方面还有很长的路要走，还有很大的上升空间。目前我国对于动荷载下筒基承载力数据方面的研究可以说是少之又少，相关学者通过多年的研究，目前只是对小直径筒基循环荷载下的承载力计算进行了初步的实验验证研究，取得了一定的初步成果。海上风电的工作过程中上部的塔架结构在风荷载动力下进行持续不断地重复摆动作业，在这种情况下基础结构需要循环承受往复荷载。基于此，我们要分析出筒型基础结构的安全性就需要对筒基的静力极限荷载进行计算和验证，也需要对动力荷载进行计算和验证，只有这样我们才能对筒基的安全性有一个正确的判断。

通过上文可以看出，目前为止，我们在筒型基础结构设计方面没有相应规范和文献资料的支持，不过可以肯定的是筒型基础结构设计中几何尺寸数据的确定可以通过筒基承载计算公式来决定。由此可以得出结论，我们可以将筒型基础的承载力计算方式进行科学合理的简化，而简化后计算公式可以为该公式的推广带来很大的便利。筒型基础结构的安全性与地基情况、作用荷载及几何尺寸数据等因素息息相关。在计算筒型基础结构的静力负荷数据、动力荷载数据及耦合荷载数据及其安全性时，我们可以采用有限单元法和模型试验相结合的方式。海上风电发展前景广阔，海上风机基础结构的经济性、安全性与稳定性成为当今的研究重点。筒型基础以其自身优势展现出作为海上风电基础的很大发展空间。[3]

四、海上风电筒型基础结构的设计方法

(一)荷载组合的设计

我们在设计海上风电基础结构时要考虑到最不利的因素，按照同时作用于筒基结构和塔架的静力、动力最大负荷来进行荷载组合的设计。同时，海域条件不同，我们也要采用不同的方式来对荷载组合进行合理设计。

我们在进行筒型荷载组合时要考虑到静力负荷、动力负荷、耦合负荷等各个方面的因素，在筒型荷载组合的设计过程中我们还要充分考虑到环境荷载的因素，例如以下几点内容。

(1)在环境条件较为适中的工作环境中对静力荷载及动力荷载进行组合设计；

(2)在环境条件较为极端的情况下对静力荷载及动力荷载进行组合设计；

(3)在存在地震可能的环境条件下对静力荷载、动力荷载和地震荷载进行组合设计。

在进行筒型基础结构设计的时候，我们要充分地考虑到工作条件的不同。例如对极端风暴荷载、极端冰、工作风荷载、工作波流条件、极端波流条件等经历荷载的组合条件等因素，进行全面充分的考虑。虽然地震工况是一种概率性和偶然性因素，但其一旦发生会造成重大的损失，在设计过程中我们还是要对其进行充分地考虑。在波浪荷载和海流荷载的计算中，我们需要对海流和波浪分别造成的水质点运动速度矢量以及在两者共同作用下所造成的水质点运动速度矢量等因素进行考虑。我们可以按照伪静力的方式来对波浪荷载的作用进行处理，也就是对波浪的动力效应进行忽略，不再计算中增加其数值，在结构中作用单一设计波。

(二)海上风电筒的基础设计方式

筒型基础结构具有成本低、能够重复利用且施工方便的特点，为了能使其早日在海上风电系统中得到应用，我们应当加快对其进行研究和开发。在设计过程中，我们需要对海上环境的多种因素进行考虑，因为这些因素会在极大程度上影响到筒基的安全性。其环境因素包括冰、海流、波浪、风等因素。同时我们还要将由以上因素引起的循环荷载力量换算为在极端危险条件下，与之等效的静力极限荷载，在基础与塔筒相互连接的作业平台上进行施加。以基础承载为依据将筒型基础结构的尺寸进行计算和设计，对局部传力进行调试，以期在地基中安全传入上述所有荷载。在筒型基础结构的设计过程中，我们需要用到大量的公式进行计算，为了提高效率，我们会将复杂的公式进行简化，使其能够贴合实际，在安全性计算中得到应用。较常使用的计算方法包括：筒基承载力计算、抗压计算、抗倾计算、抗拔计算、抗滑验算等。

(三)大直径宽浅筒型基础结构设计说明

考虑到我国海域环境条件的特殊性，我们研究发现大直径宽浅筒基较为适合被引用，但是目前世界范围内对大直径宽浅筒基的研究较少，没有取得显著成果。在筒基建设中装风机单机的容量在不断地增大，这种情况下，筒基的单筒直径也需要随之增大，此趋势已经非常明显。现阶段我们已经设计出了直径为30米的大直径筒基，大直径宽浅筒基能否发挥出其应有的功能，与其入泥筒中内筒和外筒之间的传力系统设计以及顶盖部位的综合设计有着很大的关系，如果系统相关设计不到位，那么其基础承载力就达不到标准要求，在这种情况下基础结构很有可能会造成破坏，所以我们在进行设计工作的时候，务必要慎重考虑相关问题。

假设以纯钢筒作为基础，那么主要关注支撑截面及承力梁的设计；如果基础为钢混组合机构的情况下，我们就要对上部结构进行斜塔筒或直塔筒设计，并对传力铜梁进行简化设计，例如设计为两边铰支撑。

结语

总而言之，我国海上风电筒型结构基础建设尚处于初级起步阶段，未来的路还很长。进行海上风电建设，安全是我们第一考虑要素，因此在筒型基础结构的设计和建设过程中，我们需要对海上环境进行全面的分析，要对筒基的承载荷载能力进行严密的计算，以期能够使海上风电筒基建设最大程度上适应环境和开发环境资源。利用海上资源进行发电是未来的主要研究和建设趋势之一，而筒基建设是实现该项目的关键因素，因此我们要对筒基设计进行进一步研究和探索。基于大直径宽浅筒基础结构的优势，我们尤其要加强对该筒基的设计和建设研究。