干货 | 海上风电吸力式筒型基础应用研究

对于浅层有岩层的海域，嵌岩桩费用较高。筒型基础为底端开口，顶端闭口的大直径筒形结构，其特点是利用浅层土承载，利用负压进行安装，无需大型打桩锤，海上施工简便，是近年来我国海上风机基础实践的一个方向。近日广东省阳江市阳西沙扒二、三、四、五期海上风电项目38台（暂定台数）6.45MW及以上容量单柱复合筒及8台（暂定台数）6.45MW及以上容量吸力筒导管架基础制作和施工招标公示，标志着吸力式筒型基础开始在广东海上风电落地应用。《南方能源建设》总结报道了这一吸力式筒型基础的技术特点和应用现状，后继将进一步报道该技术的应用案例和经验总结。

来源：微信公众号“南方能源建设”ID：EnergyGEDI

海上风电吸力式筒型基础应用研究

张浦阳1，黄宣旭1,2

(1. 天津大学 建筑工程学院；

2. 江苏道达风电设备科技有限公司)

【摘要】[目的]筒型基础是一种极具潜力的环境友好型海上风电基础，如何有效的实现筒型基础顺利下沉到设计深度和下沉过程结构垂直度的精准控制，避免筒内土塞隆起或筒裙及分舱板变形甚至屈曲带来的安装风险是筒型基础应用层面的关键问题。[方法]通过总结吸力式筒型基础在国内外风电工程中的应用，分析了筒型基础施工过程中下沉和调平两个关键问题涉及的相关机理和方法。[结果]研究表明：准确预测复杂土质条件下筒型基础施工过程下沉阻力及施工临界吸力和施工过程可能发生的结构变形等不稳定性态分析将有效规避单筒型、多筒型和单筒多舱复合型筒型基础吸力下沉调平过程中的施工风险。[结论]海上风电吸力式筒型基础应用总结分析，可以为实际工程提供筒型基础下沉和调平施工方案的相关参考。

【关键词】海上浮式风机；稳性校核；一体化技术；动态海缆

【基金】国家自然科学基金资助项目“近海风电筒型基础层状土中吸力下沉调平技术”(51779171)

【引用】张浦阳, 黄宣旭. 海上风电吸力式筒型基础应用研究[J]. 南方能源建设, 2018, 5(4):1-11.

引言

筒型基础作为一种锚泊和基础型式在海洋及港口工程中具有很大的应用价值，例如：(1)海上结构系泊系统，如单点系泊、牵引平台的牵拉、船系泊、管线的固定与牵引；(2)吸力锚；(3)牵引式沉垫平台的阻滑桩；(4)防波堤；(5)平台基础，如导管架平台和张力腿平台的基础；(6)海上风电基础，这是一种新的应用。与其他海洋基础相比，筒型基础主要利用从筒内泵出气/水产生压力差形成吸力(低于一个大气压时也称负压)下沉，具有安装简便无嗓音污染、抗倾覆承载力高、节约钢材并可重复利用等优点，有望成为今后海上风机主要基础型式之一。

1 海上风电工程应用情况

筒型基础在海上风电场建设中主要应用于测风塔和海上风机结构基础，大致分为三种型式：单筒型，多筒型(三筒或四筒)和天津大学(练继建教授和丁红岩教授研发团队)与道达公司研发的单筒多舱复合型。典型应用工程案例如表1、图1～图 5所示。

表1 海上风电筒型基础分类和典型应用情况

图1 海上风电筒型基础

图2 单筒多舱型复合筒型基础

图3 海上风电复合筒型基础-塔筒-风机一步式安装技术思路

单筒多舱型复合筒型基础是一种大尺度的混凝土-钢板-钢筋-预应力钢绞线组合体系的宽浅型基础结构型式(直径25～40 m，高度6～15 m)，将弧形过渡段和筒型基础部分有机的结合成复合筒型基础(重量2 000～4 000 t)。整个结构体系通过预应力混凝土过渡段将风机塔筒的巨大弯矩有效的转化为基础结构内有限的拉压应力，多种材料的复合结构有效解决了钢-混凝土结构的变形协调和开裂控制，充分发挥了钢-混凝土结构的材料优势，提高了结构的安全性、耐久性。基础筒壁可分为混凝土和钢质，筒内蜂窝状分舱结构可以实现基础自浮拖航和下沉精细调平功能，如图2所示。该基础结构型式可实现陆上批量预制、海上一体化安装，从而大大节省海上作业时间，大幅度降低生产、运输和安装成本，使海上风电场高效、低成本、规模化开发成为可能，其技术创新思路如图3所示。图中所示基础、塔筒和3 MW风机一步式整机运输及安装完成(整体拖航72 h、281 n mile、整机下沉施工 8 h、水平度万分之三)。目前，正在建造的11台3.3 MW和2台6.45 MW复合筒型基础风电机组将于今年采用一步式安装方式用于三峡公司江苏大丰海上风电场。

作为吸力锚还可以应用在浮式风机平台的锚泊系统，例如：2017年7月挪威国家石油公司英国建成世界上第一个海上浮式风电场Hywind Scotland Pilot Park，由5台6 MW风机组成，每个风机采用三个吸力基础提供锚泊力，如图4所示。

图4 英国海上浮式风电场Hywind Scotland吸力基础应用[7]

天津大学和道达公司联合开发的新型一体化海上风电测风塔也利用吸力式基础进行辅助下沉和调平施工，如图5所示。测风塔架-浮体结构-吸力式裙板基础结构为一体的海上测风塔组合结构体系已应用于江苏和海南等8个海上风电场的测风工程，资源节约、环境友好，经济社会效益显著，最远拖航距离为350 n mile(启东—连云港)。

图5 海上风电一体化测风塔

总之，海上风电筒型基础可大幅度提高海上风电建设效率和环境友好程度，尤其单筒多舱型海上风电复合筒型基础实现了基础-塔筒-风机的一体化运输和安装，将显著降低海上风电建造安装成本，提升我国海上风能利用领域的科技水平和自主创新能力。然而，我国近海风电场的土质条件十分复杂，表层软弱土、粉土、砂土及粘土或分层土呈现复杂多样性，如何有效的实现筒型基础顺利下沉到设计深度和下沉过程结构垂直度的精准控制，避免筒内土塞隆起或筒裙及分舱板变形甚至屈曲带来的安装风险势必是筒型基础应用层面的关键问题。

2 筒型基础下沉施工问题

自筒型基础应用开始，下沉阻力的准确预测和吸力施加的合理控制就一直是核心问题。筒型基础下沉过程一般分为自重下沉和吸力下沉两部分。由于砂土中吸力引起渗流效应会影响下沉阻力，计算变得相对复杂。目前常见的筒裙内外侧摩阻力和筒裙端阻力的计算方法如表2所示。API和HB方法是基于有效应力理论或BETA法推导[8-9]。API方法计算基础静力压入或自重下沉阻力，HB法则考虑了吸力下沉过程筒裙端阻力和筒壁内部摩阻力减少及筒外壁摩阻力增加的效应。其中筒内外土体竖向有效应力与API方法显著不同，HB方法考虑了筒裙端部应力分布的不对称性(1999年安装过程筒内外有效应力差异由Erbrich & Tjelta[10]提出，Senders[11-12]针对Draupner E安装数据和模型实验贡献了比较研究)，及对裙端应力不均匀性的影响。同时考虑了筒内外土体渗透系数之比kfac体现吸力作用后土体密实的变化程度。另外，DNV、SR、NGI方法则是基于CPT贯入阻力qc的计算方法，核心问题是确定计算系数kf和kp。其中，DNV方法只关注了吸力施加前的下沉过程(基于北海砂土条件最大可能kf=0.001 & kp=0.3和最高预期kf =0.003 & kp=0.6)。SR方法考虑了吸力下沉筒内及裙端阻力的线性减少，调整Lehane方法，建议对于kf=0.002 & kp=0.2或采用kf=C[1-(Di/Do)2]0.3tanδ计算。NGI方法(Andersen等[13])给出了自重下沉阶段kf=0.001 5(0.01<kp<0.55)或kf=0.001(0.3<kp <0.6)；吸力下沉阻力减少阶段，通过和临界吸力scrit、施加吸力s、自重w、下沉深度z和筒壁厚度t相关的经验系数(ratio)来考虑下沉阻力变化，其中临界吸力(临界吸力数sn,cr)取决于下沉深度与直径比(z="" d)，筒内外土体渗透系数比kfac_thin(thin代表只考虑了与筒壁接触的土体，区别于hb法)，为了确定有渗流和无渗流条件阻力比，ngi采用图解法对于每个下沉深度确定sn,cr图解确定下沉阻力。但下沉深度与壁厚比z="" t组数有限且大于100的情况都归于一线(都对应sn="" sn,cr为常数0.9)。feld[14]方法综合了有效应力法和cpt法。不同的是自重阻力计算中侧摩阻力未采用承载力参数(k="" &="" δ)，而是粗糙系数r(0.8)和摩擦角φ′。吸力沉贯阶段减阻效应通过施加吸力和临界吸力值比(s="" scrit，scrit同clausen="" tjelta方法[15])和三个经验系数ri，ro和rt分别确定筒内外侧摩阻力和端部阻力变化。应用层面上，hb法虽然很好的预测了luce="" bay安装实验，但1.5="" m和="" 3="" m="" 直径的筒内部摩擦力，在贯入一定深度后(0.37="" m和0.67="" m，0.25="" d和0.22="" d)出现了负值，进一步的贯入计算需要判断液化现象。hb法参数准确输入是有效预测的前提，对非常密实的超固结土还需特别确定系数nq和k0。cpt圆锥贯入虽与基础筒裙相似(宽度和速度)，但圆锥和筒裙土体分别是轴对称失效和准平面应变失效。chatzivasileiou[16-17]对各种方法开展的对比研究成果，问题主要体现在：hb方法土压力比k和筒内外土体渗透系数比kfac并未体现渗流引起土体应力的渐变过程；基于cpt方法中s="" scrit及其引起渗流减阻特性的kf和kp等参数定量评估理论模型也未有定论，如spt公司砂土沉放阻力计算公式某些工况甚至将筒内摩阻力折减为0，端阻折减50%，部分原型工程数据也显示了端阻更大的折减案例。<="" p="">

表2 砂土中筒型基础下沉阻力公式

筒型基础调平技术应用可分为三种典型情形：(1)四筒Sleipner T和Draupner平台(Bye等，Ersen & Jostad)安装的水平度通过位置高的筒型基础更多贯入实现结构调平；Universal Foundation公司海上风电单筒型基础通过筒裙高压水喷射装置局部选择性控制实现结构调平；天津大学和道达公司研制的单筒7舱钢制复合风电筒型基础通过各舱室之间施加不同的吸力实现结构调平；(2)Colliat等工程中遇到倾斜海床的结构安装调平过程；(3)筒基结构有附加结构偏心荷载条件下水平度的调平控制(Sparrevik，Houlsby等，复合风电筒型基础一体化整机下沉技术等)。实践中，Senepere & Auvergne[27]采用高压水喷射装置解决吸力桩下沉问题。Tjelta[15]等采用筒裙端部喷射装置(Skit Tip Injection)减少端部减阻，通过选择性控制水喷区域实现调平功能。Cotter[22]通过筒型基础外部设置8～16个喷水管，研究了高压水喷基础下沉减阻和调平过程。如前所述，筒型基础吸力下沉过程，水流在筒裙端部从筒外进入筒内，集中的水力梯度贡献了减阻效应，而高压喷射可以制造更大的水力梯度减少端阻。对于筒裙外侧土体阻力，吸力安装时筒裙外侧水流向下竖向有效应力增加安装摩擦阻力。筒裙端部喷射水体可以降低外侧筒壁水力梯度来减少侧摩阻力。对于筒内土体阻力，吸力安装筒内部水流主要向上，特别是在较深的贯入时，吸力安装达到临界，可能导致管涌。水喷装置设计关键问题是最小化筒内水力梯度增加。否则，临界水力梯度在更浅的贯入深度提前出现。高压喷射装置在海上风电基础的应用情况如图7所示。

对于钢制多筒或多舱型筒型基础的下沉调平技术，结构体系可调平角度、深度和屈曲风险是核心问题。德国Wilhelmshaven风电场单筒型基础吸力下沉屈曲失效案例和多弧形筒裙改进设计如图8所示。

图7 海上风电基础高压喷射装置

图8 德国Wilhelmshaven风电场单筒型基础吸力下沉屈曲失效案例和多弧形筒裙改进设计

注：德国Wilhelmshaven筒型基础(直径16 m，裙高15 m，贯入6.8 m负压屈曲)及多弧形改进基础型式[1-2]。

对于多筒型基础(如图9所示)，天津大学等研究发现下沉调平时筒体之间的相互约束以及调平后筒裙周围土体与筒体之间的边界条件变化(如图中调平后筒土间裂缝、土压力分布等)同时影响着下沉安全和可调深度及角度。更大功率风电风机需求的大尺度筒型基础，直径和筒壁厚度之比势必增加。薄壁结构和克服下沉阻力需要的吸力组合必将增加结构变形甚至屈曲的施工风险。

图9 多筒型基础

天津大学针对多舱单筒型基础研究发现(如图10所示)，内部多舱结构虽然一定程度降低了屈曲风险，也可以实现下沉调平功能，但随着水深及基础筒裙高度增加，土质复杂多样性等引发的多舱室不同高压力差调平状态还会导致不同舱室间的横向压力，整体一步式安装时还要考虑附加风机系统偏心荷载，进一步加大了结构变形/屈曲与调平控制策略选择的复杂性。同时，随着贯入深度增加，周围土体的侧向约束将增强筒裙的固定度(Fixation)，有利的是可以施加更大的吸力，不利的是土体约束影响了筒体的可调平程度以及屈曲风险，这也是亟待深入研究的问题。

图10 钢制筒型基础吸力下沉屈曲案例及多筒或多舱型基础调平控制技术

4 结论

对于海上风电工程，当筒型基础下沉到位后应用过程的核心问题是如何最有效抵抗大弯矩承载力和沉降控制问题。筒型基础吸力下沉后，由于吸力扰动或土体表层平坦度低等原因，安装结束后筒内土塞表层土和筒顶之间存在难以避免的不均匀水膜空隙，故承载力设计通常只考虑筒裙摩擦力和裙端抗力。由于应用于海上风电机组大型化趋势，如何利用筒顶承载势必大幅提高筒基的承载能力和竞争优势。灌浆筒型基础(Grouted Caisson)是一种技术尝试，通过灌浆水膜替换空隙实现基础顶盖和土体产生均匀度接触压力(Hjelde等，Cotter)，基础的刚度及承载力和沉降都得到相应改善。单筒多舱复合筒型基础，通过宽浅结构型式、与预应力混凝土过渡段合为一体的高自重(2 000～4 000 t)水平、多种形式的筒壁减阻环或内刃脚设计、多舱体优化设计和筒内土体快速加固等综合手段力争实现筒顶联合筒裙承载模式，最大程度提高筒型基础适用性和降低后期沉降水平。但归根到底，海上风电筒型基础功能性的实现还要取决于有效的安装贯入施工。如何规避单筒型、多筒型和单筒多舱型筒型基础吸力下沉过程中的施工风险分析，系统分析筒型基础施工过程可能发生的不稳定性态发生机理，提出施工安全边界条件，完善多筒/多舱型筒型基础下沉阻力计算公式，提出下沉调平吸力施加和结构变形/屈曲控制方法，是海上风电筒型基础规模化应用中需要控制的关键问题。

参考文献略，详见《南方能源建设》2018年第5卷第4期原文。

第一作者、通讯作者：

张浦阳，1978-，男，河南濮阳人，天津大学建筑工程学院副教授，建筑工程技术与管理专业博士学位，一直从事海上风电工程和施工管理创新等方面的研究工作。承担及参与国家级863子课题、国家自然基金、省部级等科研项目近20项。面向海上风电工程和施工管理创新等领域，发表SCI/EI论文20余篇，发明专利15项，多项技术已在相关领域得到转化并推广应用。