海上固定式风机吸力桶基础适应性研究

李 虎，陈 实，岳 琦，王 懿，顾雨晨

［1.湛江南海西部石油勘察设计有限公司，广东 湛江 524057；2.中国石油大学（北京），北京102200］

0 引言

在“碳达峰”与“碳中和”的战略背景下，我国正在提倡清洁可再生能源技术，海上风电节省了土地资源，有很大的开发利用空间，开发利用海上风电已经成为未来绿色电力产业发展的必然趋势，国内外众多高校和企业已投身于海上风电技术的研究之中。据统计，我国可开发的风能资源预计在7.5×108kW以上[1]，具有商业化、规模化的发展潜力。

吸力桶基础是一种垂直向下插入土体并在端部与土体留有一定空间，用来产生压差的桶形结构[2]，顶部带有裙壁增加稳定性，上部封闭，下部开口，与海底土壤接触，海上风机通过利用吸力桶桶体，自重下沉、负压插入海床，利用桶体内外压差锚固在海床上，起到稳定的效果。与单桩风机基础相比，吸力桶基础免去了打桩的过程，负压安装更加便捷，减少了安装过程中的噪声，对工作人员的工作环境有所改善，同时减少了安装资金的投入，缩短了安装周期。海上风机在结构上具有高耸的特点，所以在工作过程中会受到多种环境的共同作用，这些荷载大多作用在风机上并顺着塔架结构向下传递至吸力桶等基础结构，经分析，海上风机在运行过程中的主控荷载是其所受的水平荷载。吸力桶式风机基础2002年首次在丹麦的海洋工程中使用，德国和中国分别在2005年和2010年设计了吸力桶式海上风机样机[3-5]。

目前学者研究的内容主要包括对其安装过程的分析和承载特性的分析，研究方法主要是物理实验和数值模拟，其中基础结构的侧向承载性能是其设计的主要关注点，另外，在水平荷载的作用下风机基础和土体存在相互作用，研究方法有m法，以及本文用到的P-S曲线法和基于ABAQUS软件的有限元法。李大勇等[6]通过数值模拟的方法，研究了砂土地基中吸力桶基础的承载特性，并结合实际工程进行了对比分析，发现随着水平荷载的持续作用，作用在吸力桶风机基础上的力最终会通过裙壁和桶体传递到土体中，使其产生塑性变形。

上述对吸力桶基础的研究主要关于结构与安装，而对于基础在水平荷载的作用下，结合桩土相互作用检验土体承载力的研究较少[7-8]。在实际工程的应用中，风机基础的失效往往不是结构失效问题，而是与桩基接触的土体发生了挤压破坏从而失去了稳定性。因此，本文重点研究桩土相互作用下吸力桶结构的水平极限承载力，并分析在计算承载力的过程中桶身受到的应力与弯矩分布情况。结合工程中经常使用的3种兆瓦级别的风机，计算出每种级别的风机适用的最小吸力桶桶身，计算结果为海上风电场的设计与应用提供了一定的参考。

1 有限元模型建立

本文以目前作为海上风电主力的5 MW风机为例开展有限元模拟，设置吸力桶基础直径为16 m，高15 m。在建立模型的过程中，如果土体的深度和高度过小，会影响计算精度，所以将土体直径设置为至少128 m，高度为至少45 m。

在有限元模型中沿着y轴负方向施加重力荷载，沿着x轴正方向施加位移荷载。有限元模型中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，在不排水条件下，取摩擦角为25°，膨胀角为0.1°，泊松比v=0.25，建立网格属性为C3D8R（八节点六面体）有限元模型，这种网格属性对位移的求解相对精确，并且在网格受到荷载作用发生扭曲的情况下对精度的影响较小。吸力桶基础结构采用线弹性本构模型，弹性模量E=2.1 GPa，泊松比v=0.3，接触面分别为桶体内外侧与土体和桶体下边缘与土体。在将土体和基础装配起来分析之前，需要先结合土体形状计算出地应力大小，再将计算结果赋予承载力计算有限元模型。土壤水平承载力与桶体横向位移的关系计算根据向模型加载位移荷载后得到。当曲线斜率接近零时的荷载可以确定为吸力基础结构在该土壤条件下的土体极限承载力。为了使研究具有广泛性，本文选用砂土和黏土两种土质参数分别进行分析。

2 计算结果分析

2.1 吸力桶基础水平极限承载力分析

风机基础的水平极限承载力求解方法为：向基础耦合点添加位移荷载，得到荷载-位移（P-S）曲线，根据水平位移对应的水平荷载拐点值求得水平极限承载力，计算曲线如图1所示。

图1 黏土/砂土地基下吸力桶基础P-S曲线

由图1可知，在黏土地基下，当吸力桶顶部耦合点产生了12.2 cm的水平位移后，其水平极限承载力为4290 kN。在砂土地基下，吸力桶基础P-S曲线的拐点出现在水平位移为10.4 cm时，此位置对应的基础水平极限承载力为1862 kN。此时土体已经屈服，观察等效塑性变形云图，吸力桶已将上部土体破坏，破坏深度约为5.8 m，从而荷载反方向土体与桶体发生分离，水平分离长度约12.3 cm。

2.2 吸力桶结构分析

采用位移控制法设置吸力桶水平位移u分别为3 cm、6 cm、9 cm和12.2 cm四个分析步。

根据吸力桶桶体的应力分布图可以看出，应力以桶底边和桶顶下76 cm处两侧为中心不断发展扩大，并且随着位移的增加，挤压土体一侧的吸力桶顶部两侧受力相较于桶底部越来越明显，逐渐成为受力最大的部位。吸力桶达到极限水平位移时，桶体最大应力为36.41 MPa。桶侧底部上方1.5～7.6 m处应力较小，最小应力出现在桶侧底部上方3.8 m处，约为7.51 MPa。

为了更全面展示吸力桶整体的应力变化，在后处理中沿着吸力桶受挤压方向建立路径，其Mises应力路径设置如图2a所示，对应的Mises应力分布如图2b所示，其中图2b中的角度表示的是图2a中两条路径与x轴的夹角。如图2可知，无论哪条路径，当泥面下深度为0.8 m左右时，应力达到最大值，同时桶体受到挤压作用产生的弯矩也最大，在上述位置之后应力逐渐变小，而后在桶底2 m范围内应力再次明显增大，因此，海床面以下5.3 m和桶底2 m这段区域在设计时需要考虑较多因素。

图2 不同提取路径的应力对比

2.3 土体变形分析

由于土体的强度比吸力桶的强度低，在受到位移荷载后土体先发生塑性屈服，桶内水平正向土体发生屈服，随着桶顶水平位移增大，桶体挤压侧表面土体发生屈服，桶顶水平位移达到计算的极限值时，海床以下5.8 m均处于塑性破坏区域。

受到桶体挤压的海床面水平位移云图如图3所示，几乎2/3的区域发生水平位移，并且呈反射状，可见土体的塑性破坏也呈放射状分布，在距离桶体圆心3.4 m的区域内，土体位移随径向减小。

图3 受到桶体挤压的海床面水平位移云图

2.4 不同土质下吸力基础适应性分析

为探讨不同级别的吸力桶式风机基础所需要的最小桶深深度，本节分别在黏土和砂土两种土体环境的地基下，对3 MW、5 MW和10 MW风机分别在桶深10 m、15 m和20 m结构参数下预计进行18组承载力分析。由于3 MW的风机基础在桶深10 m的条件下已满足承载力要求，为减少计算量，增大桶深的计算不再进行。对于10 MW的风机基础，在两种土体环境下，只有在桶深达到20 m的条件下能达到承载力的要求。通过计算可以看出，3 MW的风机需要10 m的桶深就足够；5 MW的风机基础至少需要15 m的桶深；10 MW的风机使用20 m深的吸力桶才相对安全。由于海上设施安装制造过程烦琐，成本较高，在计算后确定各兆瓦级别的风机适用吸力桶结构可以在初期设计阶段降低成本。综上所述，吸力桶基础适应性的本质区别在于不同兆瓦级风机水平荷载、弯矩和上部风机结构的重力不同。

3 结语

本文基于海上风机单桩/吸力桶基础有限元模型开展基础水平极限承载力、桶体变形及土体变形研究，得到以下可以在设计中参考借鉴的结论。

（1）通过向吸力桶桶顶耦合点施加位移荷载得到的P-S曲线计算出5 MW风机吸力桶基础的水平极限承载力为4290 kN，基础桶顶水平位移为12.2 cm。

（2）分析吸力桶桶身弯矩和应力分布，综合得出桶体易发生破坏区域为海床面以下5.3 m至桶底2 m的范围内。

（3）随着桶体顶部施加的位移载荷越来越大，相对于桶体强度更低的土体受到挤压作用，产生的塑性屈服分布延径向呈放射状分布，分布形状为半圆形，随着泥面深度的增加，距吸力桶中心相同半径处的水平位移逐渐减小。

（4）本文评估了3种兆瓦级别的风机对吸力基础的适应性要求，为吸力基础选型工程应用提供了参考依据。