趙北辰，張永利

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001； 2.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州 451191)

0 引 言

風(fēng)能是一種潔凈的自然能源，沒有常規(guī)能源(如煤電，油電等)與核電造成環(huán)境污染的問題。有關(guān)研究表明，風(fēng)能產(chǎn)生1兆瓦小時的電量可以減少0.8到0.9噸的溫室氣體，相當(dāng)于煤或其他礦物燃料一年產(chǎn)生的氣體量。在常規(guī)能源日益告急和全球生態(tài)環(huán)境日益惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為一種極具競爭力的清潔可再生能源點(diǎn)燃了人們開展深入研究的熱情。截止2019年底，中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到44.7GW，居世界首位。與陸上風(fēng)電場相比，在海上建風(fēng)電場不占用陸上土地，受環(huán)境制約少，而且海上平均風(fēng)速高，離岸10km的海上風(fēng)速比陸上風(fēng)速高約25%。海上風(fēng)湍流強(qiáng)度小，具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向，機(jī)組承受的疲勞負(fù)荷較低，使得風(fēng)機(jī)壽命更長；風(fēng)切變小，因而塔架可以較短；海上風(fēng)能的開發(fā)利用不會造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，可減少溫室效應(yīng)氣體的排放，具有環(huán)保價值；對于人口比較集中，陸地面積相對較小、瀕臨海洋的國家或地區(qū)更適合發(fā)展海上風(fēng)電[1]。近年來，我國在海上風(fēng)電發(fā)展方面也取得了令人矚目的成績，2017年我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)從2016年的0.61GW增長到1.17GW，預(yù)計(jì)在2020年底，我國海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到5GW。

與陸上相比，海上風(fēng)電機(jī)組必須牢固地固定在海底，其支撐結(jié)構(gòu) (主要包括塔架、基礎(chǔ)和連接等)必須更加堅(jiān)固，加之建設(shè)和維護(hù)工作需要使用專業(yè)船只和設(shè)備，所以海上風(fēng)電的投資成本要高于陸上，一般是陸上風(fēng)電投資成本的2-3倍。在海上風(fēng)機(jī)的安裝成本中，基礎(chǔ)安裝費(fèi)用約占總成本的30%，而且，風(fēng)場裝機(jī)容量越小，基礎(chǔ)安裝費(fèi)用所占比例越高；離岸距離越遠(yuǎn)，水深越深，基礎(chǔ)安裝費(fèi)用所占比例也會越高。因此，如何降低基礎(chǔ)安裝費(fèi)用是當(dāng)前近海風(fēng)電場建設(shè)所面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要有六種類型，即單樁基礎(chǔ)、重力基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、負(fù)壓桶基和懸浮支撐基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球65%以上的海上風(fēng)電場采用單樁基礎(chǔ)，其次應(yīng)用比較多的是重力基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)已受到工程師和研究人員的廣泛關(guān)注，而重力基礎(chǔ)的研究則相對比薄弱?；诖耍恼乱訲hornton Bank海上風(fēng)電場為例，依照中國的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了重力基礎(chǔ)的承載力校核和沉降計(jì)算，給出了完整的計(jì)算方法和流程，并應(yīng)用Plaxis 3D tunnel程序?qū)χ亓A(chǔ)的沉降進(jìn)行三維有限元分析，將有限元分析結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果及規(guī)范限值與進(jìn)行了對比，得到了一些有益的結(jié)論，可為今后中國海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 重力基礎(chǔ)的特點(diǎn)

重力基礎(chǔ)是將細(xì)長的鋼管或混凝土支撐結(jié)構(gòu)錨固在一個大體積的方形或圓形混凝土基礎(chǔ)上(或塞滿填充物的鋼殼體上)，如圖1所示，該圖為丹麥Middelgrunden風(fēng)電場所用的重力基礎(chǔ)形式。在重力基礎(chǔ)周圍做側(cè)板圍護(hù)，用于約束松軟土層，并將重力荷載傳遞至持力層，改善了水力條件，減少了潛在的沖刷影響，便于基礎(chǔ)灌漿。有時考慮到為減少冰載荷，將可能結(jié)冰或可能遭遇浮冰沖擊的位置做成錐形形狀?？紤]到沉降和承載力分布的特征，重力基礎(chǔ)通常適用于均質(zhì)土，但如果水深小于25m，在任何土質(zhì)條件下都可以應(yīng)用。在重力基礎(chǔ)施工前需要平整海床，且一定要采取防沖刷措施，重力基礎(chǔ)對海床的沖刷極為敏感，因?yàn)闆_刷容易引起基礎(chǔ)較大的不均勻沉降。重力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時要避免基礎(chǔ)和海床間的浮力，這一點(diǎn)是通過施加足夠的自重來維持基礎(chǔ)的穩(wěn)定的。重力基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸方便，可以部分安裝好，運(yùn)至現(xiàn)場后完成整體的組裝，拆卸也很方便。

2 Thornton Bank海上風(fēng)電場簡介

Thornton Bank海上風(fēng)電場是比利時第一個海上風(fēng)電場，也是世界上第一個使用重力式基礎(chǔ)的海上風(fēng)電場[5-7]。該風(fēng)電場位于比利時海岸線以北30km處，水深約17-23m，由比利時C-Power集團(tuán)承建，DEME公司為該項(xiàng)目提供技術(shù)支持?？傄?guī)劃為60臺風(fēng)電機(jī)5兆瓦，共計(jì)300兆瓦的裝機(jī)容量，總投資額預(yù)計(jì)超過8.5億歐元，預(yù)計(jì)年產(chǎn)電量為100GWh，可以滿足60萬人的家用電量。分三期建造，一期安裝6臺Repower風(fēng)機(jī)，已經(jīng)于2008年9月完工，總投資額約1.5億歐元。一期工程風(fēng)機(jī)輪轂高于海平面94 m，葉輪直徑126m。塔架采用鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力混凝土重力式基礎(chǔ)，如圖1所示。該基礎(chǔ)為中空預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，由圓柱形殼體、圓錐殼體和圓盤底座三部分構(gòu)成。在水深最深位置，重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)從-27m延伸至+17m，基礎(chǔ)埋入土中3.5m。圓盤底座外徑為23.5m，內(nèi)徑為8.5m，底座平均厚度為1.265m；圓錐部分從底座向上延伸17m，錐體底部直徑為17m，頂部直徑為6.5m，與風(fēng)機(jī)鋼塔架直徑相匹配；總體上，殼體厚度都是0.5m，如圖2所示。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)使用年限為20a，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用年限為30a。

圖1 重力基礎(chǔ)

圖2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 重力式基礎(chǔ)示意圖

重力基礎(chǔ)在陸上預(yù)制，由重型吊車在海上進(jìn)行安裝，安置在預(yù)先鋪設(shè)的碎石層上?；炷恋鬃Y(jié)構(gòu)的重量約為2800-3000t，含鋼量約為200kg/m3。完成底座安裝后，將砂或砂與碎石混合物填入艙體內(nèi)，填充完成后，重力式基礎(chǔ)底座的總重可達(dá)7000t。

4 海洋環(huán)境條件與場地地質(zhì)資料

海洋環(huán)境條件如表1所示。海床面參考標(biāo)高RSBL為-23.5m，基礎(chǔ)底面標(biāo)高為-27.0m。海床土體參數(shù)如表2所示。

表1 海洋環(huán)境參數(shù)

表2 土體參數(shù)

5 地基承載力校核

根據(jù)載荷報告，基礎(chǔ)頂面位置處的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：豎向力8991kN，水平力5350 kN，彎矩59259 kN·m。應(yīng)用SAP2000建立基礎(chǔ)的有限元模型，計(jì)算上部結(jié)構(gòu)、環(huán)境荷載(風(fēng)、波浪和海流)及基礎(chǔ)自重所引起的基底反力?；A(chǔ)模型如圖4所示，不包含底座部分，即從-25.5 m至+17.0 m。經(jīng)分析可得-25.5 m位置處的合力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：豎向力70450 kN，水平力5792 kN和傾覆彎矩292386 kN·m。

(1)

(2)

Pmax=PN+PM

(3)

Pmin=PN-PM

(4)

式中：Nk為荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下上部結(jié)構(gòu)傳至底座基礎(chǔ)頂面的豎向荷載，kN；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重，kN；A為基礎(chǔ)底面面積，m2；W為基礎(chǔ)底面的抵抗矩，m3。

(5)

圖4 SAP2000 模型

圖5 環(huán)形基礎(chǔ)基底壓力計(jì)算示意圖

(6)

Pmax=PN+PM

(7)

Pmin=PN-PM

(8)

式中：Nk為荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下上部結(jié)構(gòu)傳至底座基礎(chǔ)頂面的豎向荷載，kN ；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重，kN；A為基礎(chǔ)底面面積，m2；W為基礎(chǔ)底面的抵抗矩，m3。

根據(jù)公式(1)-(4)可以計(jì)算出：PN=283kPa，PM=233kPa，Pmax=516 kPa，Pmin=50kPa，Pmax=516kPa。進(jìn)而根據(jù)幾何條件，可以求得P1=199 kPa，P2=368kPa。由于公開的文獻(xiàn)中沒有持力層土體的極限承載力數(shù)據(jù)，文章借鑒《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)確定地基極限承載力。根據(jù)表2，持力層為黏質(zhì)砂土，地基承載力基本允許值[fa0]=370kPa，經(jīng)寬度修正后的地基承載力容許值[fa]=430kPa。顯然，地基承載力滿足如下兩式的要求：

PN≤[fa] (5)

Pmax≤1.25[fa] (6)

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(FD 003-2007) 8.1.4條，在極端荷載工況下，基底允許脫開的面積不超過總面積的25%。以上計(jì)算顯示Pmin>0，基礎(chǔ)未出現(xiàn)脫開地基土的情況，滿足此規(guī)范的要求[2-5]。

6基礎(chǔ)沉降與傾斜值計(jì)算方法

根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051-2013)，環(huán)形基礎(chǔ)最終沉降量取C、D兩點(diǎn)(參考圖5)沉降量的平均值。根據(jù)第三部分的計(jì)算可知，基底壓力分布呈梯形，基礎(chǔ)將發(fā)生不均勻沉降[6]。根據(jù)《煙囪設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50051-2013)，基礎(chǔ)傾斜可按如下規(guī)定計(jì)算：

1)分別計(jì)算與基礎(chǔ)最大壓力Pmax及最小壓力Pmin相對應(yīng)的基礎(chǔ)外邊緣A、B兩點(diǎn)的沉降量SA和SB(參考圖5),基礎(chǔ)的傾斜值mθ可按下式計(jì)算：

(7)

式中：r1為環(huán)形基礎(chǔ)外徑。

2)計(jì)算在梯形荷載作用下的基礎(chǔ)沉降量SA和SB時，可將荷載分為均布荷載和三角形荷載，分別計(jì)算其相應(yīng)的沉降量再進(jìn)行疊加。

3)計(jì)算環(huán)形基礎(chǔ)在三角形荷載作用下的傾斜值時，可按半徑r1的圓板在三角形荷載作用下算得的A、B兩點(diǎn)沉降值，減去半徑為r4的圓板在相應(yīng)的梯形荷載作用下。

表3 環(huán)形基礎(chǔ)沉降和傾斜值

算得的A、B兩點(diǎn)的沉降值。

按照上述計(jì)算方法得到的基礎(chǔ)沉降量和傾斜值如表3所示：從表3可以看出，環(huán)形基礎(chǔ)的沉降量和傾斜值均滿足規(guī)范要求。另外，按照風(fēng)機(jī)廠商的要求，風(fēng)機(jī)沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)為：總的傾斜率控制在10°，其中安裝誤差控制在0.75°，沉降引起的傾斜控制在0.25°。根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，沉降引起的傾斜為0.17°，滿足風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)傾斜的要求。

7 有限元分析

7.1 有限元分析程序簡介

文章采用Plaxis 3D tunnel程序進(jìn)行有限元分析，該程序是專門用于分析巖土工程變形和穩(wěn)定性的大型有限元計(jì)算程序。巖土工程中需要應(yīng)用先進(jìn)的本構(gòu)模型來模擬土體的非線性及土體與時間相關(guān)的性質(zhì)，該程序提供了摩爾-庫侖、軟土徐變、土的硬化等屈服條件，可供計(jì)算時選擇。計(jì)算程序可進(jìn)行變形分析、彈塑性計(jì)算、固結(jié)分析和修正的網(wǎng)形分析。該程序的特殊功能在于其能通過啟動和撤消單元群的方法來模擬開挖施工過程。概括地說，Plaxis 3D tunnel程序具有如下特點(diǎn)：

1)功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣；

2)用戶界面友好，所有操作都是針對圖形，輸入輸出簡單；

3)自動生成優(yōu)化的有限元網(wǎng)格，重要部位網(wǎng)格可以細(xì)分，以提高計(jì)算精度；

4)計(jì)算過程中可以動態(tài)顯示提示信息。

7.2 有限元建模

下面采用Plaxis 3D tunnel程序進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)重力基礎(chǔ)的建模與力學(xué)分析。在應(yīng)用Plaxis 3D unnel程序進(jìn)行三維的有限元分析之前，首先建立一個二維的模型，并在此二維模型中定義所有的材料特性和邊界條件。然后，通過指定所有相關(guān)的Z坐標(biāo)(Z平面和薄片)。Plaxis 3D提供了多種本構(gòu)模型來模擬土的性能，采用眾所周知的摩爾- 庫侖模型。摩爾- 庫侖模型包括五個參數(shù)，即彈性模量(E)、泊松比(v)，內(nèi)聚力(c)，摩擦角(φ)及密砂的剪脹角(ψ)，參考表2-2取值。在Plaxis 3D tunnel中，使用板來模擬重力基礎(chǔ)，將第5部分中計(jì)算出的基底壓力施加于此板上面。土體平面尺寸取為94m×94m。由于Plaxis 3D tunnel程序不能直接施加圓環(huán)形非均勻分布荷載，因此建模中將圓環(huán)形荷載等效為空心方形分布荷載，按照面積等效的原則。換算后的空心方形外邊長為23.5m，內(nèi)邊長為12m。所建立的三維模型如圖6所示。

7.3 有限元計(jì)算結(jié)果

按照7.2所述的方法開展有限元計(jì)算，部分結(jié)果如圖7-9所示。圖7為計(jì)算出的總體位移云圖，從圖中可以看出，基礎(chǔ)對周圍土的影響基本呈環(huán)狀分布，影響顯著的范圍約為環(huán)形基礎(chǔ)外徑的2倍。圖8、9分別為基底中心下剖面土體垂直位移云圖和水平位移云圖。圖8表明，由于基底壓力分布的不均勻性導(dǎo)致了環(huán)形基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降。圖9表明，不只是垂直位移是不均勻的，基底兩側(cè)土體的水平位移也呈現(xiàn)非對稱分布，其中，基底壓力較大一側(cè)外邊緣土體水平位移幅值較大。表4給出了重力基礎(chǔ)控制點(diǎn)的沉降量及總體傾斜，有限元分析結(jié)果也證實(shí)了該基礎(chǔ)是安全的。與表3對比表明，有限元法計(jì)算結(jié)果偏小，這也從側(cè)面證明了文章給出的計(jì)算方法可以用于海上風(fēng)機(jī)重力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

圖6 三維有限元模型 圖7 土體總體變形云圖

表4 環(huán)形基礎(chǔ)沉降和傾斜值(有限元法)

8 結(jié) 論

以Thornton Bank海上風(fēng)電場為例，首先依照中國的相關(guān)規(guī)范及土力學(xué)理論給出了承載力校核的計(jì)算方法，并進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的重力基礎(chǔ)承載力滿足要求；而后給出了重力基礎(chǔ)沉降和傾斜的計(jì)算方法并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，結(jié)果表明，其沉降量和傾斜均滿足中國規(guī)范要求；最后應(yīng)用Plaxis 3D tunnel程序?qū)υ撝亓A(chǔ)的沉降進(jìn)行三維有限元分析，與規(guī)范法相比，有限元法計(jì)算結(jié)果偏小，從側(cè)面證實(shí)了文章所述方法可以用于海上風(fēng)機(jī)重力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)之中。