張淇宣

【摘 要】本海上測(cè)風(fēng)塔工程采用了三樁導(dǎo)管架式基礎(chǔ)，是目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電插群樁型基礎(chǔ)項(xiàng)目中鋼管樁最長(zhǎng)的項(xiàng)目，且鋼管樁設(shè)計(jì)為斜樁，具有一定的施工難度。本項(xiàng)目以安全、經(jīng)濟(jì)、可靠為原則，從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始進(jìn)行綜合計(jì)算、比選，選擇了經(jīng)濟(jì)、可行的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在施工階段，通過(guò)合理地選擇海上施工船泊設(shè)備及相應(yīng)的施工工藝，選擇最優(yōu)的施工作業(yè)窗口期，確保了整個(gè)工程的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。本工程海上測(cè)風(fēng)塔針對(duì)南海區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)，選擇了三樁（超長(zhǎng)樁腿）導(dǎo)管架式基礎(chǔ)型式，較附近海域某類似工程四樁導(dǎo)管架式海上測(cè)風(fēng)塔在建安工程總費(fèi)用節(jié)省了220萬(wàn)元。本文著重對(duì)本工程樁基礎(chǔ)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)情況進(jìn)行介紹，為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】海上測(cè)風(fēng)塔；三樁基礎(chǔ)；設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

中圖分類號(hào)： TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0103-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.046

0 引言

隨著我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的不斷發(fā)展，海上風(fēng)電已經(jīng)成為其中重要的一部分。海上風(fēng)能資源豐富而且穩(wěn)定，風(fēng)資源情況優(yōu)于陸地，且不涉及土地征用等問(wèn)題。我國(guó)擁有海岸線長(zhǎng)約1.8萬(wàn)公里，風(fēng)能資源豐富，其中近海風(fēng)能資源主要集中在東南沿海及其附近島嶼，有效風(fēng)能密度在300W/m2以上。5-50m水深、70m高度海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)潛力約5億千瓦[1]。我國(guó)海上風(fēng)電具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)的潛力，特別是水深小于50 m的近海淺水區(qū)，更是現(xiàn)階段風(fēng)電發(fā)展的方向。如何樹(shù)立安全、經(jīng)濟(jì)的海上測(cè)風(fēng)塔，做好場(chǎng)址內(nèi)風(fēng)能資源收集和評(píng)估工作，對(duì)于項(xiàng)目投資決策和風(fēng)機(jī)布置至關(guān)重要。

1 海上測(cè)風(fēng)塔概況

本工程位于南海海域珠江口外某海上風(fēng)電場(chǎng)中部的位置，水深約25米，場(chǎng)址區(qū)域內(nèi)建設(shè)100m高度海上測(cè)風(fēng)塔，收集海上風(fēng)能資源情況。2014年4月完成工程初步勘察；同年5月完成工程初步設(shè)計(jì)；2015年10月，全面完成報(bào)批報(bào)建手續(xù)，全面啟動(dòng)項(xiàng)目測(cè)風(fēng)塔的建設(shè)施工工作。2016年6月，全面完成海上測(cè)風(fēng)塔架設(shè)，開(kāi)始進(jìn)入測(cè)風(fēng)階段工作。

2 海上測(cè)風(fēng)塔審批

本工程同其他海上風(fēng)電測(cè)風(fēng)塔項(xiàng)目一樣，都必須先征求海事、漁業(yè)主管部門(mén)和軍隊(duì)環(huán)境保護(hù)部門(mén)及地方海洋部門(mén)的意見(jiàn)[2]。取得相應(yīng)批復(fù)后，才能建設(shè)，主要包括：通航安全許可、水上水下活動(dòng)許可證、航標(biāo)許可、航空許可、海域使用及軍方許可等多項(xiàng)行政性審批文件。

3 海上測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)型式有單樁基礎(chǔ)、三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)等。結(jié)合本工程水文氣象及地質(zhì)條件和各基礎(chǔ)型式施工造價(jià)特點(diǎn)，本工程采用三樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

3.2 設(shè)計(jì)荷載與設(shè)計(jì)工況

海上測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的荷載主要包括基礎(chǔ)自重，上部塔架荷載、波浪力、水流力、風(fēng)荷載、冰荷載和地震力等[3]。本工程礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮的荷載主要有：測(cè)風(fēng)塔自重、平臺(tái)自重、測(cè)風(fēng)塔極端風(fēng)荷載、波浪荷載等。

（1）風(fēng)荷載計(jì)算：根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，風(fēng)荷載計(jì)算采用10m高度50年一遇10min平均最大風(fēng)速作為極端工作狀況荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）波浪荷載計(jì)算：波浪荷載計(jì)算采用重現(xiàn)期50年的分方向波浪要素作為極端工況波浪荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與風(fēng)荷載進(jìn)行組合。工程波浪荷載依據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTS145-2-2013）小直徑樁組成的群樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

（3）海流荷載計(jì)算：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）13.0.1進(jìn)行水流力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。

（4）地震荷載：根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135-2006）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），計(jì)算，結(jié)果顯示，地震作用影響較小。

（5）荷載組合：

標(biāo)準(zhǔn)組合：分項(xiàng)系數(shù)均取為1，樁基承載力采用該組合?；窘M合：永久荷載對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)，分項(xiàng)系數(shù)取1.2，對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)，分項(xiàng)系數(shù)取1。風(fēng)荷載和波浪力按活荷載考慮，分項(xiàng)系數(shù)為1.4，其他系數(shù)均取為1。樁身承載力、樁穩(wěn)定性、承臺(tái)設(shè)計(jì)采用基本組合。

3.3 結(jié)構(gòu)受力分析及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.3.1 持力層選擇

根據(jù)地質(zhì)資料及荷載，經(jīng)初步計(jì)算，在樁徑1.5m時(shí)，由于-83.2m高程以上各土層地質(zhì)條件較差，采用鋼平臺(tái)時(shí)無(wú)法提供足夠的抗拔承載力，最終將-83.2m以下的中砂層作為樁端持力層。

3.3.2 樁徑選擇

由于持力層在-83.2m以下的中砂層，該層的側(cè)摩阻力為122kPa，增加較短樁長(zhǎng)即能得到較大的抗拔承載力。根據(jù)初步計(jì)算，1.5m樁徑，樁端進(jìn)入中砂層5m，樁基滿足承載力要求。

3.3.3 結(jié)構(gòu)分析及樁身傾斜度選擇

結(jié)構(gòu)分析采用大型通用有限元程序進(jìn)行計(jì)算，模型桿件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖見(jiàn)圖1及2。

通過(guò)內(nèi)力分析，腿柱及撐桿在外力作用下均為壓彎構(gòu)件，對(duì)不同的傾斜率進(jìn)行建模分析發(fā)現(xiàn)隨著腿柱傾斜的增大，用鋼量逐漸降低。當(dāng)傾斜率增大到一定程度時(shí)，用鋼量又開(kāi)始增大，最終選定最優(yōu)的傾斜率為1：4。

3.3.4 樁身及鋼承臺(tái)承載力驗(yàn)算

采用Midas Soilworks對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行建模，分析樁的受力情況；采用Midas Gen建立結(jié)構(gòu)的整體模型。之后采用Midas GTS對(duì)土體及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體建模，經(jīng)過(guò)樁基承載力驗(yàn)算、樁身內(nèi)力計(jì)算、樁身強(qiáng)度驗(yàn)算、樁身穩(wěn)定性驗(yàn)算，設(shè)計(jì)滿足要求。

3.4 綜合基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)論

通過(guò)上述設(shè)計(jì)及驗(yàn)算，本工程測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)采用三樁導(dǎo)管架承臺(tái)方案，樁基礎(chǔ)為 1.5m 直徑鋼管樁，壁厚20mm。樁頂高程 1.5m（85 高程），主風(fēng)向抗壓樁傾斜 15°，抗拔樁 10°，樁端持力層為中砂層，樁長(zhǎng)約 94m，進(jìn)入持力層約 5m，樁基承載力以抗拔控制。導(dǎo)管架承臺(tái)與樁頂采用剛性連接，承臺(tái)高度約 8m，與塔連接塔腳頂部高程 10m。塔基跟開(kāi)度為 8.1m，上下弦桿間距約 7.58m。主要構(gòu)件包含腿柱、撐桿、弦桿，采用 Q345B 鋼管，腿柱及撐桿直徑分別為 1.2m 和 0.6m，弦桿直徑從 0.4m～0.6m 不等。次要構(gòu)件包含平板、鋼板格柵、爬梯等輔助構(gòu)件，材料采用 Q235A。并進(jìn)行專門(mén)的防腐蝕設(shè)計(jì)、防沖刷設(shè)計(jì)和靠船、漂浮物防撞設(shè)計(jì)，保證本次安全，測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)及導(dǎo)管架部分實(shí)物圖如下圖3所示。

4 測(cè)風(fēng)塔施工

本工程選取廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司建造的“長(zhǎng)大?；碧?hào)進(jìn)行施工。該船總長(zhǎng)74.75米，型寬27.00米，型深5.20米，設(shè)計(jì)吃水2.80米，結(jié)構(gòu)吃水3.50米，樁架高度（距設(shè)計(jì)水線）100.00米，最大植樁樁徑3200毫米，最大植樁長(zhǎng)度85米+水深，最大植樁重200噸，裝有精度為厘米級(jí)的GPS定位系統(tǒng)，能精確定位打樁，配備荷蘭進(jìn)口的IHC S-600液壓打樁錘[4]。本次長(zhǎng)94米、直徑1.5米、重量為87噸的斜樁打樁作業(yè)也是該船第一次打的最長(zhǎng)的鋼管樁。打樁船在定好位置后，沉樁的施工順序及流程如下：

（1）起樁→（2）立樁→（3）插樁→（4）錘擊沉樁→（5）停錘、移船→（6）打樁監(jiān)測(cè)→（7）承臺(tái)吊裝→（8）連接段灌漿施工→（9）測(cè)風(fēng)塔底節(jié)吊節(jié)→（10）測(cè)風(fēng)塔主體安裝→（11）測(cè)風(fēng)設(shè)備安裝及調(diào)試→（12）接收數(shù)據(jù)正式測(cè)風(fēng)。

5 與同類型工程的建安工程費(fèi)用對(duì)比

本工程三樁導(dǎo)管架式海上測(cè)風(fēng)塔以安全、經(jīng)濟(jì)、可靠為原則，選擇了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在施工階段，通過(guò)合理地選擇海上施工船泊設(shè)備及相應(yīng)的施工工藝，周密地做好了施工的各項(xiàng)工作。本工程三樁導(dǎo)管架式海上測(cè)風(fēng)塔建安工程總費(fèi)用為564.89萬(wàn)元，較附近海域某四樁導(dǎo)管架式海上測(cè)風(fēng)塔建安工程總費(fèi)用的785.5920萬(wàn)元共節(jié)省了220.702萬(wàn)元。

6 結(jié)論

（1）測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了海上施工的特點(diǎn)，針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜，軟基層很厚，表層土土質(zhì)力學(xué)性能比較差，持力層埋置較深等特點(diǎn)。計(jì)算分析選擇了合理的設(shè)計(jì)荷載，設(shè)計(jì)了目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電插群樁型基礎(chǔ)項(xiàng)目最長(zhǎng)的鋼管樁。通過(guò)對(duì)不同類型的基礎(chǔ)方案的綜合對(duì)比分析，選定采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式。在不增加樁徑的情況下，通過(guò)加勁板保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)不同傾斜率的樁進(jìn)行有限元分析，選定了最優(yōu)的傾斜率。通過(guò)多款軟件的對(duì)比分析，相互驗(yàn)證，保證了計(jì)算結(jié)果的正確性。設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)受力合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工方便可行。實(shí)踐證明測(cè)風(fēng)塔設(shè)計(jì)適合該建設(shè)海域，方案可行。為今后南海海域海上風(fēng)電建設(shè)提供了很好的參考意義。

（2）由于受海上惡劣環(huán)境影響，測(cè)風(fēng)塔施工工期長(zhǎng)、難度大。本工程在施工前根據(jù)地質(zhì)情況、工期緊張和氣候變化大的特點(diǎn)，運(yùn)用海洋氣象臺(tái)、本地觀測(cè)站等氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合長(zhǎng)期在該區(qū)域作業(yè)施工人員及漁民提供的經(jīng)驗(yàn)，做好施工窗口期的判斷及把控，基礎(chǔ)施工整體安排及船舶配合經(jīng)驗(yàn)為今后的海上風(fēng)電工程提供了很好的經(jīng)驗(yàn)和借鑒意義。

（3）通過(guò)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，合理地選擇海上施工設(shè)備及相應(yīng)的施工工藝，施工整體安排及船舶配合的周密組織，施工窗口期的準(zhǔn)確判斷及把控。本工程三樁導(dǎo)管架式海上測(cè)風(fēng)塔建安工程總費(fèi)用為564.89萬(wàn)元，較附近海域類似工程四樁導(dǎo)管架式海上測(cè)風(fēng)塔建安工程總費(fèi)用的785.5920萬(wàn)元共節(jié)省了220.702萬(wàn)元。

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