海上风电机组大直径嵌岩单桩基础结构设计关键参数的研究

海上风电机组大直径嵌岩单桩基础结构设计关键参数的研究

周升明

华电重工股份有限公司 北京 100160

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，风力发电是我国重要的能源，以海上风电机组大直径嵌岩单桩基础为研究对象，依据广义H-B强度准则和地质强度指标GSI，通过数值模拟的方法分析大直径嵌岩单桩基础的敏感性参数对其承载能力的影响。研究结果表明：岩石的弹模E超过3.16GPa时，随着E的增大，桩身变形相应变小，但变小趋势减缓；随着嵌岩单桩基础入岩深度增加到一定值时，单桩的水平承载力趋于稳定；钢管桩桩身壁厚的增加对提升其刚度会产生显著的边际效应，桩身壁厚越厚，钢管桩变形越小，且此趋势逐渐减缓。

关键词：海上风电；嵌岩单桩基础；H-B强度准则；GSI；数值模拟

引言

冲刷是粉砂海床的常见自然现象，对于海洋工程桩基础结构，冲刷是影响基础结构设计的一个不可忽视的因素。因此，桩基冲刷一直是海洋工程领域的研究难点。冲刷问题的复杂性不仅在于其影响因素众多，而且在于定量的难度较大。为了定量预测桩基冲刷以便合理进行防冲刷设计，国内外学者围绕桩基础的冲刷问题开展了大量理论和试验研究，发展了一些冲刷计算方法。而海上风电场单桩基础结构的应用对桩基防冲刷设计提出新的挑战，按照GL规范的推荐做法，最大冲刷深度可取桩径的2.5倍，则6.000m直径的桩计算冲刷深度为15m。这显然是不合理的取值，但即便是按ABS规范的1.5倍桩径取值，6.000m直径的单桩基础结构冲刷深度也有9m。指出，对于单桩的大直径桩，冲刷深度的计算公式应慎用。这表明，目前的计算方法对于大直径桩的适用性仍值得商榷。而且，目前各种计算方法之间存在较大差异，计算结果与实测结果仍有较大误差。为了探讨大直径桩的防冲刷设计方法，本文开展孤立桩基的冲刷试验研究，研究最大冲刷深度与桩径和流速的关系，为单桩基础结构的防冲刷设计提供参考。

1模型试验与桩基冲刷深度预测

桩后漩涡脱落是波浪冲刷的关键因素，桩前马蹄形漩涡、桩侧边缘的流线压缩是稳定流冲刷的关键因素。冲刷深度是波流耦合的近底轨迹速度Ucw和KC数的函数，冲刷深度与波流的相对方向无关。分别开展了一系列波浪单独作用下的单桩冲刷试验，探讨了冲刷深度与KC数、桩径D和波长L的关系。试验结果揭示了行进波可以产生一种对冲刷有显著影响的扰动流，其流速比未扰动流速增加了20%～25%。进一步开展了波流作用下单桩冲刷模型试验，桩基的迎流面马蹄形漩涡和背流面漩涡脱落是造成桩基周围局部冲刷的主要原因(图1)。而KC数、希尔兹数、桩的粗糙度和雷诺数是冲刷深度的影响因素。KC数小于6时，基本不发生冲刷。通过大量模型试验发现大直径圆柱基底冲淤图大致呈W型，在圆柱前侧45°～90°出现最大冲刷深度，在Berkingham的基础上，得到了适用于浅海砂质海床下最大冲刷深度的计算公式。

2海上风电机组大直径嵌岩单桩基础结构设计关键参数的研究

2.1钢管桩的桩身壁厚敏感性分析

钢管桩的桩身壁厚对其抗变形能力影响很大，本节仍以上文所述模型为例进行分析。采用控制变量法，选取GSI为60的岩层模型，桩身壁厚从30mm增至70mm。由于本次计算是针对卸载后钢管桩的残余变形，因此土体采用HS土体本构模型。该模型能更好地模拟土体的塑性特征，并可以很好地模拟卸载后钢管桩的残余变形。

2.2现场观测

采用已有方法计算ScrobySandsOffshore风电场桩基冲刷深度，计算结果与现场观测结果吻合，说明了Opti-pile(结合了已有冲刷深度计算公式，用于砂质海床的一种防冲刷设计工具)尤为适用于预测冲刷深度，作者根据最终极限状态和疲劳极限状态，引入冲刷发生的概率，提出了一种新的冲刷设计方法。开展对埕岛油田平台桩基冲刷的现场监测数据分析得到了在潮流作用下的冲刷过程和冲刷坑形态，发现Jones计算公式得到的结果比观测数据稍大，但可用于埕岛油田平台桩基冲刷深度的计算。对欧洲五个海上风电场进行了现场冲刷观测，观测数据部分与前人室内模型试验有一定出入，Scorbysands的最大冲刷深度出现在浅水区。最大冲刷深度为1.38D，比DNV规范1.3D稍微偏大，比Opti-pile设计工具1.75D小。对欧洲10个海上风电场进行了现场冲刷观测以及有防冲刷设计后的冲刷观测，发现Otzumerbaljeinlet最大冲刷深度为1.47D。冲刷防护设计对冲刷有一定的削减，但是Scorbysands风电场采用冲刷坑内放置石堆进行防冲刷设计的桩基周围产生二次冲刷，最大边缘冲刷深度比未防护的冲刷还大，出现在桩基的2～4倍桩径范围。根据前期收集埕岛油田海洋平台桩基现场观测的局部冲刷资料与国内两个桩基局部冲刷计算公式计算结果进行对比，经过修正后的计算结果与实测值更接近。探讨了回填岩土的性质对冲刷的影响，基于修正后的冲刷设计方法对HornsＲev1风电场进行计算，结果表明单桩所受应力和弯矩以及疲劳强度均受到回填冲刷深度和回填材料密度的显著影响。通过观测了北海Q7、Hornsrev和Scorbysands风电场的单桩冲刷数据，对Opti-pile设计工具参数进行了修正，将该冲刷设计工具运用到Hornsrev和Scorbysands风电场，校正后的设计结果与实际吻合。

2.3入岩深度敏感性分析

在实际工程项目中，嵌岩单桩基础的嵌岩施工对设备、人力、可施工时间的要求很高，而且由于场地地基经常会出现岩层起伏大、覆盖层深浅不均的问题，对于基岩面位置的准确判断还有一定难度，从而造成嵌岩施工整体难度大。因此，有必要研究嵌岩单桩基础的入岩深度对其变形的影响，在把控嵌岩深度的同时还能提高经济性，对实际工程有着重要的意义。

2.4内外侧摩阻力比计算

总体上内外侧摩阻力比随深度增加呈增大趋势，且最大比值集中在距离桩端较近处，表明随着埋深的增加，桩基内侧摩阻力的影响逐渐增强。但由于本文计算的对象为多层土地基，桩埋深较大，内外侧摩阻力比值上下波动，内侧摩阻力并不是仅聚集在靠近桩端的部分，而是沿桩身都有一定的分布。3~20m深度，内外侧摩阻力比值集中在0.2~0.4之间。深度超过20m，比值集中在0.4~0.5之间，此时内侧摩阻力达到外侧摩阻力的50%。因此在海上风电单桩基础承载力设计中，内侧摩阻力的贡献不容忽视。

结语

本文通过对海上风电机组大直径嵌岩单桩基础结构设计时的参数进行分析，得到如下结论：1)当持力层岩石物理性状较好时，即当岩层GSI>40时，此时GSI值的变化对嵌岩单桩基础的变形计算结果影响不大。2)钢管桩的桩身壁厚增加到一定程度时，会产生显著的边际效应，因此在实际工程项目中，嵌岩单桩基础的钢管桩桩身壁厚可依据多组数值分析的结果选取，在符合规范要求的前提下，选取一个比较合理的值既能满足其结构设计的要求，又能节省材料，降低基础结构的工程造价。3)嵌岩单桩基础卸载后的最小残余变形位移与其最大荷载下的变形位移呈一定的倍数关系，实际工程的初步设计阶段，可结合数值分析的结果，利用此规则来初步确定单桩基础的残余变形，从而进行下一步的设计工作。4)当嵌岩单桩基础的入岩深度达到一定程度时，其深度的增加对单桩基础抗变形能力已无显著提升。在实际工程中，可利用多种方法并结合数值分析的手段，确定嵌岩单桩基础的合理嵌岩深度，从而减少不必要的消耗，以提升工程整体经济性。

参考文献

[1]郑海,杜伟安,李阳春,等.国内外海上风电发展现状[J].水电与新能源,2018,32(6):75-77.

[2]陈小海,张新刚,李荣富.海上风力发电机设计开发[M].北京:中国电力出版社,2018.