鄧友生，李衛(wèi)超, 王 倩, 彭程譜, 劉俊聰

(1.西安交通工程學(xué)院土木工程學(xué)院, 710300; 2.西安科技大學(xué)樁承結(jié)構(gòu)研究中心，西安 710054;3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

2015年12月12日，聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)在巴黎達(dá)成了具有里程碑意義的《巴黎協(xié)定》，該協(xié)定的簽署將進(jìn)一步推動(dòng)可再生能源的發(fā)展[1]。風(fēng)能作為重要的可再生能源之一，因其清潔環(huán)保、儲(chǔ)量豐富、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代開始受到大量關(guān)注。1980年，英國(guó)在Hampshire修建了世界上第一座風(fēng)電場(chǎng)[2]，隨后幾十年，全球超過(guò)80個(gè)國(guó)家修建了大量陸地風(fēng)電場(chǎng)。1990年，瑞典在Nogersund建造了全球第一座海上風(fēng)電場(chǎng)，將風(fēng)能的利用從陸地延伸到了近海區(qū)域[3]。與陸地風(fēng)機(jī)相比，海上風(fēng)機(jī)雖然其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜且安裝維護(hù)成本更高，但具有優(yōu)勢(shì)：風(fēng)速更大且更加穩(wěn)定、便于大型風(fēng)機(jī)運(yùn)輸及大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、減低噪聲及視野影響、低風(fēng)切變、與沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的距離近而輸電成本低[4]。故海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)展示出更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)發(fā)布的2015年度全球風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[5]，2015年，全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到63.467 GW，占新增可再生能源的45%。截至2015年年底，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量為432.883 GW，其中海上風(fēng)電裝機(jī)容量為12.107 GW。圖1為全球風(fēng)電2000—2015年累計(jì)裝機(jī)容量變化圖。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，最近十年全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度非常迅猛。

圖1 2000—2015年全球風(fēng)電裝機(jī)容量

利用風(fēng)能發(fā)電是通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組完成。風(fēng)電機(jī)組主要由葉片、輪轂、機(jī)艙(發(fā)電機(jī))、塔架和基礎(chǔ)等部分組成。塔架以下部分為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要承擔(dān)由塔架傳遞而來(lái)的風(fēng)輪荷載；而海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不僅受到風(fēng)輪荷載，還會(huì)經(jīng)受環(huán)境荷載(如波浪荷載、潮汐荷載、海流荷載、冰荷載、船舶荷載等)的作用。由于風(fēng)向的隨機(jī)性且主要以水平力作用于風(fēng)機(jī)，加之風(fēng)荷載、波浪荷載、潮汐荷載等都具有重復(fù)加載的特征，因而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力狀態(tài)十分復(fù)雜。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組而言，因其在鹽霧、海水、干濕交替的環(huán)境中，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)還面臨著比較嚴(yán)重的防腐蝕、耐久性問(wèn)題[6]。故海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工作環(huán)境更加復(fù)雜。此外，就建造成本而言，陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)投資大約占風(fēng)電場(chǎng)總投資的3%～4%[7]，而海上風(fēng)電基礎(chǔ)成本可以占到總投資的15%～40%[8]。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究具有社會(huì)綜合效益。

1 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

目前，全球陸地風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量約占總裝機(jī)容量的97%，近年來(lái)海上風(fēng)機(jī)發(fā)展也較為迅速。陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)以擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)為主[9-10]，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要為重力式、單樁或多樁式、吸力筒式、三腳架(多腳架)式、導(dǎo)管架式、漂浮式等結(jié)構(gòu)[8, 11]。

1.1 陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

1.1.1 擴(kuò)展基礎(chǔ)

陸地風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)主要有重力式和梁板式兩種結(jié)構(gòu)形式。目前大多數(shù)陸地風(fēng)機(jī)都采用重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)作為塔架支撐結(jié)構(gòu)，其通過(guò)基礎(chǔ)環(huán)或螺栓將塔架荷載傳遞到地基，重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。重力式基礎(chǔ)形狀以圓形和正方形為主，此外還有正六邊形、正八邊形等形狀。重力式基礎(chǔ)具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但隨著風(fēng)電場(chǎng)向山地、高原、臺(tái)風(fēng)地區(qū)等風(fēng)能資源更優(yōu)區(qū)域發(fā)展，大容量風(fēng)機(jī)逐漸成為主流，基礎(chǔ)尺寸不斷增大，導(dǎo)致混凝土和鋼筋用量隨之增加[12]。為此，梁板式基礎(chǔ)得以應(yīng)用[13-14], 如圖2(b)所示。以1.5 MW風(fēng)機(jī)為例，采用梁板式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)比重力式基礎(chǔ)可節(jié)約造價(jià)35%[10]。

圖2 陸地風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)

1.1.2 樁基礎(chǔ)

無(wú)張力灌注樁(Patrick & Henderson，P & H)作為一種新型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，由兩層波紋鋼管組成[17]，如圖3所示。通過(guò)對(duì)高強(qiáng)螺桿施加后張預(yù)應(yīng)力，利用預(yù)應(yīng)力將混凝土與風(fēng)機(jī)塔架連接。P & H樁利用管壁周圍的土體抵御水平力和傾覆力矩，從而減少樁端受力。P & H樁主要用于土質(zhì)地基場(chǎng)地，但在以巖質(zhì)地基為主的場(chǎng)地其應(yīng)用會(huì)受到限制。最近，梁板式樁筏基礎(chǔ)[18-19]也被作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，這類基礎(chǔ)具有在不明顯降低筏板剛度的前提下節(jié)省材料。

圖3 P & H無(wú)張力灌注樁[20]

1.1.3 巖石錨桿基礎(chǔ)

如果基底有完整程度較好的基巖，采用巖石錨桿(索)基礎(chǔ)，可明顯減小基礎(chǔ)尺寸，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，巖石錨桿基礎(chǔ)可利用巖體自身的強(qiáng)度提供良好的抗拔性，故廣泛應(yīng)用于山區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)[20]。

1.2 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

目前，歐洲國(guó)家海上風(fēng)電裝機(jī)容量占全球約91%，基本可以代表全球海上風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)(EWEA)的統(tǒng)計(jì)[21]，歐洲已并網(wǎng)海上風(fēng)電場(chǎng)采用的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要包括單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、三腳架基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)及其他形式基礎(chǔ)。截至2015年，歐洲國(guó)家海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不同類型占比如圖4所示。從圖4可以看到，海上風(fēng)機(jī)主要采用單樁基礎(chǔ)，其次為重力式基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

圖4 歐洲國(guó)家海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)類型

1.2.1 重力式基礎(chǔ)

海上風(fēng)機(jī)重力式基礎(chǔ)主要適用于水深4～15 m的淺海區(qū)域，并且需要建造在地基承載力足夠大的場(chǎng)地，如圖5所示。這種重力式基礎(chǔ)最大的優(yōu)勢(shì)在于其建造成本較低，但因其體積和質(zhì)量比較大，在海上運(yùn)輸、安裝難度較大且工期較長(zhǎng)。王爾貝[22]提出了一種新型錨桿重力式基礎(chǔ)的概念，借助錨桿對(duì)基礎(chǔ)施加預(yù)應(yīng)力，增加基礎(chǔ)穩(wěn)定性，相應(yīng)地減小基礎(chǔ)的尺寸和質(zhì)量，從而降低了施工和運(yùn)輸難度。

圖5 海上風(fēng)機(jī)重力式基礎(chǔ)

1.2.2 單樁基礎(chǔ)

海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)通常直徑在3～7 m，主要適用于水深不超過(guò)30 m且海床淺層土體較好的場(chǎng)地[23]。單樁基礎(chǔ)為目前應(yīng)用最廣泛的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，如圖6(a)所示。單樁基礎(chǔ)運(yùn)輸安裝方便且施工速度更快。李煒等[24]研發(fā)出一種加翼單樁，如圖6(b)所示，可以有效減小水平位移、樁身彎矩，并提高單樁水平承載力。Byrne等[25]介紹了螺旋樁用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的可能性，螺旋樁具有更好的抗拔性能及便于裝拆，如圖6(c)所示。

圖6 海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)

1.2.3 多樁基礎(chǔ)

多樁基礎(chǔ)主要包括三樁基礎(chǔ)、多樁承臺(tái)基礎(chǔ)[26-27]，如圖7所示。三樁基礎(chǔ)可以采用比單樁基礎(chǔ)更小的樁徑，并且結(jié)構(gòu)整體剛度更大，可用于水深20～40 m的場(chǎng)地。海上多樁承臺(tái)基礎(chǔ)與陸地類似，技術(shù)較成熟，但在海上進(jìn)行斜樁作業(yè)難度比陸地更大，并且承臺(tái)尺寸較大易受到潮汐、波浪的作用。

圖7 海上多樁基礎(chǔ)

1.2.4 吸力基礎(chǔ)

吸力基礎(chǔ)是通過(guò)自身質(zhì)量和對(duì)筒內(nèi)施加的負(fù)壓作用下沉至預(yù)定深度的一種基礎(chǔ)，有單筒式和多筒腳架式，如圖8、圖9所示[28]。多筒腳架式能夠承受更大的水平力和彎矩。丁紅巖等[29]提出了一種新型樁筒組合基礎(chǔ)，通過(guò)合理減小樁長(zhǎng)、樁壁厚等途徑可以提高基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載性能。李大勇等[30]提出一種新型裙式吸力基礎(chǔ)，能提高基礎(chǔ)水平承載力，有效限制側(cè)向位移。劉金龍等[31]提出了一種分段斜壁桶形基礎(chǔ)。

βi為第i段斜壁與豎直方向的直角

1.2.5 腳架基礎(chǔ)

三腳架基礎(chǔ)是一種相對(duì)輕質(zhì)的三腳鋼管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由中心鋼管柱、支撐鋼管及樁套管組成，如圖10所示[32-34]。三腳架下部可通常采用樁基礎(chǔ)來(lái)承擔(dān)上部荷載，也可采用如圖8所示的吸力筒代替樁。三腳架基礎(chǔ)具有較好的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)剛度，適用于50 m水深范圍內(nèi)的場(chǎng)地。此外，還有四腳架、不對(duì)稱三腳架等多腳架基礎(chǔ)形式[33]。

圖10 腳架基礎(chǔ)

1.2.6 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是一種常見的海上石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，后來(lái)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中,如圖11所示。導(dǎo)管架基礎(chǔ)可用于位于水深30～50 m海上風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，相比其他基礎(chǔ)形式，在建造水深超過(guò)30 m的大容量風(fēng)機(jī)時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)性[35]。美國(guó)Keystone公司[36]研發(fā)出了一種新型扭曲導(dǎo)管架基礎(chǔ)，相比傳統(tǒng)導(dǎo)管架具有更易安裝、部件更少、成本更低等優(yōu)點(diǎn)。

圖11 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

1.2.7 漂浮式基礎(chǔ)

隨著風(fēng)電場(chǎng)不斷由近海區(qū)域向深海區(qū)域發(fā)展，以上介紹的固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)要求或建造成本大幅度提高。相比而言，漂浮式基礎(chǔ)在深海區(qū)域具有更低的建造成本和更簡(jiǎn)便的安裝流程，同時(shí)還利于拆除，因而近年來(lái)開始引起中外的廣泛關(guān)注。目前，主流的漂浮式基礎(chǔ)有三類，分別為張力腿式(TLP)、半潛式和Spar基礎(chǔ)。

張力腿式基礎(chǔ)主要由浮體結(jié)構(gòu)、鋼索和錨固端構(gòu)成。該類基礎(chǔ)具有良好的穩(wěn)定性，但安裝過(guò)程非常困難。Spar基礎(chǔ)由一個(gè)圓柱體浮倉(cāng)、下部壓倉(cāng)材料以及懸鏈線狀錨泊線組成。半潛式基礎(chǔ)與Spar基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類似，由3～4個(gè)浮倉(cāng)、連接支架以及懸鏈線狀錨泊線構(gòu)成，但半潛式基礎(chǔ)在波浪作用下的浮沉位移比Spar基礎(chǔ)更小。圖12為海上基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及適用水深[37]。

圖12 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式及適用水深[37]

2 風(fēng)電基礎(chǔ)的計(jì)算方法

由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力特點(diǎn)和工作環(huán)境不同于普通建筑基礎(chǔ)，目前針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相關(guān)問(wèn)題研究主要可歸納為荷載工況問(wèn)題、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問(wèn)題、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、結(jié)構(gòu)沖刷及腐蝕問(wèn)題等。

2.1 荷載工況分析

荷載計(jì)算是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要受到兩類荷載，即風(fēng)機(jī)荷載和環(huán)境荷載。風(fēng)機(jī)荷載是指風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行、故障、停機(jī)和運(yùn)輸?shù)榷喾N可能工況下產(chǎn)生的荷載。環(huán)境荷載則是指直接作用在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的所有外部荷載，其中陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要可能經(jīng)受地震作用。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由于所處環(huán)境更復(fù)雜，其受到的環(huán)境荷載包括海流力、波浪力、冰荷載、基礎(chǔ)風(fēng)荷載、船舶荷載及地震作用等。

目前風(fēng)機(jī)荷載通常由風(fēng)機(jī)廠家提供，再根據(jù)荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。風(fēng)機(jī)荷載包括葉輪上的靜風(fēng)壓引起的荷載、湍流和尾流引起的荷載、風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏轉(zhuǎn)引起的荷載和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重力荷載等[38]。從荷載和安全角度出發(fā)，風(fēng)機(jī)荷載可分為正常運(yùn)行工況荷載、極端工況荷載。

環(huán)境荷載主要針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)。波浪力和海流力是海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受到的主要環(huán)境荷載。王其標(biāo)等[39]采用流函數(shù)波浪理論分析了近海風(fēng)電機(jī)組樁基礎(chǔ)在不同水深情況下的水平向受力性能。將Morison方程與往復(fù)循環(huán)荷載下水平受荷樁某一深度土體的抗力P與該點(diǎn)樁的撓度y之間的P-y曲線法結(jié)合來(lái)分析風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)的受力與變形。研究發(fā)現(xiàn)，水深對(duì)樁基礎(chǔ)的受力影響很大，相對(duì)剪力和相對(duì)彎矩均是淺水最大，過(guò)渡水深次之，深水最小。Morison方程只考慮了波浪作用，而沒有考慮海流與波浪的耦合作用。戴國(guó)亮等[40]分析比較了線性波浪理論和不同階數(shù)Stokes非線性理論下波長(zhǎng)與水深、波高的關(guān)系，并利用改進(jìn)的Morison方程研究了潮流對(duì)直樁和斜樁上波浪力的影響。劉燁等[41]總結(jié)了樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)的波流力研究進(jìn)展，并指出目前分析群樁上波流力有兩種方法：一是利用Morison方程和實(shí)測(cè)波流力求得群樁中各組成樁的水動(dòng)力系數(shù)與參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系；二是以單樁受力為基礎(chǔ)，求得群樁中各組成樁受力與單樁受力相比的系數(shù)，即所謂群樁效應(yīng)系數(shù)與各相關(guān)參數(shù)間的關(guān)系，再把同一瞬時(shí)作用在單樁上的波流力乘以相應(yīng)的群樁系數(shù)再相加來(lái)得到作用于整個(gè)樁群上的總波流力。管寧[42]建立了一種三維數(shù)值波浪水槽和波流水槽，并研究了波流荷載對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的作用。劉珍等[43]采用高階邊界元法建立風(fēng)-浪-流與任意形狀結(jié)構(gòu)物相互作用的時(shí)域數(shù)學(xué)模型，對(duì)張力腿基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)在波流耦合作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。

若風(fēng)機(jī)建造在冬季結(jié)冰的海域，則應(yīng)當(dāng)考慮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)會(huì)受到冰荷載作用。周旋[44]對(duì)冰荷載計(jì)算方法、冰激振動(dòng)研究、冰振疲勞分析和抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了介紹，明確了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中開展冰荷載研究的必要性；推薦了結(jié)構(gòu)靜冰荷載和動(dòng)冰荷載計(jì)算采用的規(guī)范，并指出安裝錐體是冰區(qū)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的有效抗冰措施。Shi等[45]采用數(shù)值方法建立了Aero-Hydro-Servo-Elastic時(shí)域模型，研究了冰破碎過(guò)程中單樁型風(fēng)機(jī)受力的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，冰厚度對(duì)風(fēng)機(jī)響應(yīng)影響較大，而冰移動(dòng)速度的影響很小。

船舶偶然撞擊海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)會(huì)造成較大的損害。由于撞擊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高度非線性的瞬態(tài)響應(yīng)，而又不便于開展試驗(yàn)研究，因而對(duì)船舶撞擊作用的研究主要采用數(shù)值分析方法。程曄等[46]采用有限元發(fā)研究了海上風(fēng)機(jī)斜樁基礎(chǔ)在船舶撞擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)。Lee等[47]采用ANSYS軟件建立船舶撞擊三腳架基礎(chǔ)的三維有限元模型，研究了不同船舶撞擊條件對(duì)橡膠擋板的動(dòng)力響應(yīng)的影響，進(jìn)而指導(dǎo)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的防撞設(shè)計(jì)。郝二通等[48]提出單樁基礎(chǔ)面積受損率來(lái)描述風(fēng)機(jī)被撞后結(jié)構(gòu)的受損程度，可為海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)采取防護(hù)措施提供依據(jù)。Sourne等[49]研究了船舶撞擊對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的影響。

不論陸地還是海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，都可能受到地震作用的影響。目前關(guān)于地震作用對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)影響的研究主要通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)和數(shù)值模型分析進(jìn)行。Yu等[50]通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)，研究了地震作用下地基沉降及三腳樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并與單樁基礎(chǔ)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三腳樁基礎(chǔ)在抗震性能方面更優(yōu)。田樹剛等[51]建立了三維動(dòng)力有限元模型了，考慮了水-土-結(jié)構(gòu)耦合相互作用，分析了海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的地震響應(yīng)規(guī)律。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)荷載特點(diǎn)，可以將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分為兩大類問(wèn)題，即靜力學(xué)問(wèn)題和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算主要包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在靜載作用下的承載力分析、受力變形分析、強(qiáng)度與穩(wěn)定性分析等。

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承載力分析方面，Lang等[52]采用數(shù)值分析方法，研究了不同群樁形式高樁承臺(tái)的豎向承載力、水平承載力以及抗彎承載力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)垂直樁與斜樁的組合可以增大群樁基礎(chǔ)的承載力。李煒等[53]通過(guò)常重力模型試驗(yàn)，研究了加翼單樁的水平承載力和變形，檢驗(yàn)了加翼對(duì)提高單樁承載性能的效果。朱斌等[54]基于模型試驗(yàn)，提出了單筒和多筒基礎(chǔ)的傾覆彎矩承載力分析方法，研究了吸力筒式基礎(chǔ)的整體抗傾覆性能。Li等[55]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大比尺單樁試驗(yàn)，分別針對(duì)樁基嵌固比(嵌固深度與外徑之比)、基于靜力觸探的P-y模型、美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)規(guī)范推薦度P-y模型[式(1)]及長(zhǎng)期風(fēng)浪作用下樁基累積變形與內(nèi)力發(fā)展開展了較為系統(tǒng)的研究，給出了基于原位靜力觸探或當(dāng)前API規(guī)范的超大直徑靜載設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合隨機(jī)循環(huán)荷載作用下的累積變形模型，提出了應(yīng)用于海洋風(fēng)機(jī)的超大直徑單樁基礎(chǔ)的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)框架。

(1)

式(1)中：A為極限抗力修正系數(shù);Put為地基土水平向極限抗力的理論值;ki為地基初始剛度。

Barari等[56]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，對(duì)黏土中吸力筒基礎(chǔ)的豎向承載力進(jìn)行了系統(tǒng)研究。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)由于受到水平荷載和彎矩較大，對(duì)于樁基礎(chǔ)等形式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)就會(huì)產(chǎn)生較大的水平向變形。目前，樁基礎(chǔ)水平變形預(yù)測(cè)通常采用Matlock法、P-y曲線法以及數(shù)值分析。Li等[57]、Yang等[58]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)及數(shù)值模擬指出，當(dāng)前API規(guī)范推薦的砂土中P-y曲線在樁基荷載變形較小時(shí)高估樁基承載力，而在變形較大時(shí)，低估樁基承載力。龔維明等[59]同樣得到P-y曲線法計(jì)算樁水平位移偏大，Sorensen等[60]基于樁徑、埋深和內(nèi)摩擦角的修正P-y曲線則與實(shí)測(cè)曲線接近。在靜力設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，Li等[61]推薦了考慮風(fēng)浪隨機(jī)荷載作用的超大直徑單樁基礎(chǔ)累積變形預(yù)測(cè)模型，以冪函數(shù)模型計(jì)算式為

yN,A+B=y1,A(NA+NB,eq.A)αA

(2)

式(2)中：yN,A+B為隨機(jī)循環(huán)荷載之后的變形；y1,A為第一個(gè)循環(huán)時(shí)樁基變形；NA為循環(huán)荷載特征為A的循環(huán)次數(shù)；NB.eq.A為NB次循環(huán)荷載特征為B的循環(huán)荷載導(dǎo)致的變形在以特征為A的循環(huán)加載時(shí)需要的次數(shù)。

在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定分析方面，唐友剛等[62]利用SESAM軟件包建立了數(shù)值模型，對(duì)半潛式風(fēng)電浮式基礎(chǔ)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。楊光[63]利用有限元計(jì)算得到了極限荷載，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算。

2.3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算

風(fēng)機(jī)承受的風(fēng)荷載可以分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)。平均風(fēng)可視為靜載，而脈動(dòng)風(fēng)具有隨機(jī)波動(dòng)特性，應(yīng)作為動(dòng)荷載處理。那么，風(fēng)機(jī)荷載也就具有動(dòng)態(tài)隨機(jī)荷載特征。而海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)還會(huì)受到波浪、海流、潮汐等不規(guī)律荷載，其結(jié)構(gòu)會(huì)在這些荷載共同作用下產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)還會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷問(wèn)題，影響其使用壽命。

對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算主要包括模態(tài)分析、疲勞分析等。

在進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免與風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，這時(shí)就需要對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。研究發(fā)現(xiàn)，海上風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的前兩階固有頻率主要反映風(fēng)機(jī)塔架的固有特性,第三～第五階固有頻率主要反映基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的固有特性。李煒等[64]對(duì)單樁、三腳架、四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)力分析，指出在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)要保證結(jié)構(gòu)具有足夠剛度以滿足荷載作用下的變形控制要求，還要使基礎(chǔ)剛度適中以避免共振。Iliopoulos等[65]利用在樁基礎(chǔ)上布置的若干傳感器，提出了一種單樁基礎(chǔ)模態(tài)預(yù)測(cè)方法，但僅限于研究加速度響應(yīng)。

在風(fēng)、波浪、海流等動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)鋼筋混凝土基礎(chǔ)、單樁、三腳架、半潛式基礎(chǔ)等不用形式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究[66-67]。Li等[61]通過(guò)有限元法建立了一種數(shù)學(xué)模型，得到風(fēng)荷載引起的疲勞荷載并評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性。靳軍偉等[68]給出了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)波浪荷載導(dǎo)致的疲勞損傷計(jì)算方法。Prendergast等[69]對(duì)風(fēng)浪荷載耦合作用下海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2.4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沖刷及腐蝕

由于暴露在海洋環(huán)境中，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可能面臨比陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)更嚴(yán)重的基礎(chǔ)局部沖刷、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕等問(wèn)題。薛九天等[70]研究表明，基礎(chǔ)周圍局部沖刷會(huì)顯著改變基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自振頻率，進(jìn)而可能導(dǎo)致基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生共振。同時(shí)，海水沖刷作用還會(huì)使樁基礎(chǔ)承載性能明顯減弱。史忠強(qiáng)等[71]基于開源程序OpenFOAM和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，利用切應(yīng)力平衡法建立水流作用下的海上風(fēng)電基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)學(xué)模型，能夠很好反映圓柱形單樁基礎(chǔ)周圍的水流結(jié)構(gòu)。祁一鳴等[72]、Chen等[73]、于通順等[74]通過(guò)建立縮尺物理模型，分別研究了沖刷作用對(duì)樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和復(fù)合筒形基礎(chǔ)周圍地基局部沖刷特性。

在海水環(huán)境中，腐蝕作用會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造成很大的危害[75]。鄒輝[76]綜合闡述了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)腐蝕的特點(diǎn)，并根據(jù)海洋腐蝕環(huán)境的劃分和特性，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)分別給出典型解決方案。姚忠等[77]混凝土腐蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因。此外，在進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確結(jié)構(gòu)受腐蝕分區(qū)，按照不同區(qū)域特點(diǎn)采取對(duì)應(yīng)的防腐措施。

3 存在的問(wèn)題與探討

(1)對(duì)于陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)而言，中國(guó)的優(yōu)勢(shì)風(fēng)能資源主要集中分布在西北部地區(qū)，而這些地區(qū)晝夜溫差較大。因而，可以考慮進(jìn)行溫度變化對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相關(guān)性能影響的研究。而對(duì)于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，則還是主要面臨復(fù)雜的環(huán)境荷載作用，進(jìn)而環(huán)境荷載與風(fēng)機(jī)荷載耦合作用下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)還需要進(jìn)一步深入研究。

(2)目前，中國(guó)已頒發(fā)了《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》(FD 003—2007)，外國(guó)也頒發(fā)了《海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DNV-OS-J 101—2007)、《海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求》(IEC 61400-3—2009)等，但是中國(guó)至今還沒有一部關(guān)于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相應(yīng)規(guī)范，故還有許多研究工作需要開展與完善。

(3)與歐洲海域不同，中國(guó)東海和南海大部分海域每年會(huì)經(jīng)歷熱帶風(fēng)暴襲擊，因此，在這種極端環(huán)境海上風(fēng)機(jī)及基礎(chǔ)的相關(guān)力學(xué)和變形問(wèn)題應(yīng)當(dāng)受到重視。此外，對(duì)于地震引發(fā)的海嘯對(duì)海上風(fēng)機(jī)及基礎(chǔ)的嚴(yán)峻考驗(yàn)也不容忽視。部分建造在臺(tái)風(fēng)可能經(jīng)過(guò)區(qū)域的陸地風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，也同樣面臨類似問(wèn)題的挑戰(zhàn)。

(4)基于可靠度的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)荷載具有很強(qiáng)隨機(jī)性與未知性，因而采用傳統(tǒng)定量化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。將可靠度理論廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析可能是今后研究的一個(gè)重要方向。

(5)目前，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的承載能力、穩(wěn)定性、變形等理論研究的較多，而試驗(yàn)研究相對(duì)較少，故試驗(yàn)研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)。特別是，隨著風(fēng)機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)機(jī)的高度也在不斷升高，對(duì)大容量風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)研究顯得尤為重要。

4 結(jié)論與展望

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源已經(jīng)越來(lái)越受到世界各國(guó)的密切重視。關(guān)于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的研究，不論從人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益還是從運(yùn)營(yíng)安全角度考慮，其意義都是非常重要的。通過(guò)對(duì)近十年來(lái)中外風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式發(fā)展及相關(guān)研究進(jìn)展的進(jìn)行系統(tǒng)地分析，指出其研究中存在的問(wèn)題，并探討了未來(lái)可能的研究方向。陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，盡管海上風(fēng)機(jī)數(shù)量與陸地風(fēng)機(jī)數(shù)量相差巨大，但是中外學(xué)者們對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)相關(guān)研究的關(guān)注度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)?？梢?，海上風(fēng)電場(chǎng)的快速發(fā)展將為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的相關(guān)研究提供更豐富的材料和更廣闊的空間。

中國(guó)是一個(gè)風(fēng)能資源非常豐富的國(guó)家，50 m高風(fēng)能資源總儲(chǔ)量大約為2 580 GW，其中陸地風(fēng)能儲(chǔ)量約為2 380 GW，5～25 m水深海上風(fēng)能儲(chǔ)量約為200 GW[78]。中國(guó)在2015年實(shí)現(xiàn)全年新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)30.753 GW，截至2015年底累計(jì)裝機(jī)容量145.362 GW，繼續(xù)保持著全球風(fēng)電裝機(jī)容量第一位，同時(shí)海上風(fēng)電裝機(jī)容量也突破1 GW。2016年1月，中國(guó)能源局于發(fā)布的《可再生能源“十三五”發(fā)展規(guī)劃(征求意見稿)》指出[79]，預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)非化石能源占能源消費(fèi)總量比例達(dá)到15%，2030年達(dá)到20%，“十三五”期間新增投資將達(dá)到約2.3萬(wàn)億元。到2020年年底風(fēng)力發(fā)電2.5×108kW，其中海上風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到1 000×104kW。這必將有力推動(dòng)中國(guó)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的深入研究。