海上单桩风力发电平台桩土作用探析

杜子荣，朱 烽，尹宝瑞，尚继飞

(1.海洋石油工程(青岛)有限公司，山东 青岛， 266520；2. 山东海洋工程装备研究院有限公司，山东 青岛 266520)

风能作为一种清洁的可再生能源，我国一直支持和鼓励对风能的开发利用。陆地风电在国内风能资源丰富的地区发展迅速，但人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如风电场面积大、噪音大等问题。考虑到海上丰富的风能源和当今技术的进步，近海海域将成为一个迅猛发展的风电市场。随着中海油渤海海上风力发电示范机组首次海上并网调试成功，我们对风能利用的步伐进一步加快。然而采用废弃单点作为平台基础不能实现风电的大规模商业化，国外成熟的单桩基础结构给了我们很多启发[1]。

1 单桩基础桩土相互作用特点

海上单桩风力发电平台的桩基础主要承受来自上部结构的重力、横向风力、波浪力等作用。由于轴向力的作用，桩不可避免地产生了沉降。由于横向力的作用，桩要产生产生侧向位移，进而发生横向位移。土的非线性作用非常显著，需要使用非线弹性理论研究桩土的相互作用[2]。

2 桩土作用的轴向承载力

根据桩的受力特点，受压桩的轴向承载力由桩身表面摩擦阻力和桩尖的支持力两部分组成，因此受压桩的轴向极限承载力可由下式计算：

式中:R——受压桩的极限承载力；

RS——桩侧摩阻力；

RT——桩端总的阻力；

fSi——第i层土的单位面积侧摩阻力；

ASi——第i层土以上桩的侧接触面积；

qT——单位面积的桩端阻力；

AT——桩端的毛面积。

3 不同土质的轴向承载力计算公式[3]

3.1 粘性土轴向承载力

fSi的计算采用总应力法，又称 法：

fsi=αsu

式中： Su——土壤的不排水剪切强度，kPa;

qT的计算采用下列公式

qT=NTSu

式中:Nc=9；

su——土壤的不排水剪切强度，kPa。

3.2 砂土轴向承载力

fSi的计算采用有效应力法：

式中：K——土层侧压力系数，开口桩K=0.8，封闭桩K=1.0；

δ——桩土之间的内摩擦角；

f1——极限单位摩阻力，kPa，取值见表1。

qT的计算采用下列公式

式中：NT——承载力系数，取值见表1；

表1 土壤参数

4 桩土作用的横向承载力

对于海上风力发电平台的单桩基础，由于桩的水平位移较大，桩周土从表层开始屈服，塑性区逐渐向下发展。对塑性区的土体采用极限地基反力法，对弹性区的土体采用弹性地基反力法，利用两者边界的连续条件求解，被称作复合地基反力法(P-y曲线法)。

相对于其它方法，P-y曲线法考虑了各种地基，对静载荷、动载荷以及循环载荷都适用，已经被DNV-OS-J101采纳，是海工桩基设计的标准方法，也是目前对于波浪循环载荷作用下桩基的唯一合理的计算方法。

4.1 软粘土的P-y曲线

桩侧极限土抗力可以由下式计算：

式中:Su为土的不排水剪切强度，kPa;

γ′——为有效土体容重， ；

X——泥面以下的深度；

D——桩径；

J——无因次常数，推荐采用0.5。

XR为极限水平承载力的转折点深度，通常认为在XR范围以内为浅层土，以外为深层土，可由下式估算：

在静载荷下，

此处yc=2.5εcD，其中εc是不排水剪切试验在1/2最大应力时出现的应变。

4.2 砂土的P-y曲线

桩侧极限土抗力

其中C1，C2，C3以摩擦角φ为参数，可查图1(a)。

某一给定深度X的砂土的P-y曲线可以表示为

K为初始模量，以摩擦角φ为参数，可查图1(b)。

图1 (a)C1，C2，C3与φ的关系 (b)K与φ的关系

5 计算实例

考虑到风况，上部结构选用丹麦Vesas 80风力发电机，如图2，主要参数如下：

图2 风力发电示意图

直径： 80m

轮毂高度(大约)： 60m

切入风速： 4m/s

额定风速： 15 m/s

切出风速： 25 m/s

塔架重量： 130t

机舱重量： 67t

转子重量： 37t

风力发电平台设计寿命20年，海域水深14.4m，采用目前技术比较成熟的单桩结构。单桩由两段组成，即双段桩结构(图3)。基础段采用Φ4200×75独立桩(Monopile)结构，材料为16Mn钢，桩(见图4)入土深度31m,顶标高2.0m, 过渡段采用Φ4490×75，长为13.3m，底标高-4.3m,顶标高9.0m,与独立桩重叠6.3m， 环形重叠区域进行灌浆处理。

图3 双段桩图

图4 单桩尺寸

平台承受的50年一遇的风、冰、海流及活荷载组合工况见表2。

表2 平台载荷表

海底不同深度的土层地质资料见表3和表4。

表3 粘土地质资料

表4 砂土地质资料

5.1 轴向承载力计算

根据不同土层的轴向承载力计算公式，可以求得相应的桩侧摩阻力见表5。

表5 不同土层的桩侧摩阻力

桩端阻力RT=qTAT=9×100×3.14×(42-3.952)/4=281kN；

由此可得受压桩的轴向极限承载力 R=RS+RT=17783kN;

桩基础轴向受力G=565×9.8=5537kN,G

轴向承载力满足要求。

5.2 水平承载力计算

5.2.1 基本假定

(1)支撑结构(包括桩基础和塔架)是线弹性的，单元节点力和节点位移之间保持线性关系；

(2)土体按照文克尔地基处理，土对桩的作用按照等效集中的非线性弹簧模拟，作用点是桩单元上的节点；

(3)桩末端采用竖向约束，可自由转动和平移。

5.2.2 有限元建模

塔架采用PIPE16单元，上部结构采用一个质量单元，桩取全长，泥面以下采用PIPE16单元，按照1 m的标准长度划分。土反力采用COMBIN39弹簧单元等效集中模拟，每个弹簧的F-D实常数分别对应着该土层的P-y曲线，利用Matlab编程绘出不同节点处的P-y曲线，将一系列P-y值输入到COMBIN39单元自带的F-D表格，有限元模型见图5。

图5 桩土分析的有限元模型

将平台载荷表中的各载荷加到模型上，可以求得单桩的等效应力图和横向位移图。

图6 等效应力图

图7 结构总位移图

从等效应力图可知，桩的最大应力并不在桩的末端，而是在泥面以下约3倍桩径处，这与海洋油气工业中所用的等效桩法有较大的不同，但更接近于DNV-OS-J101的推荐作法。最大应力大约为91MPa，满足强度要求。 从结构总位移图可知桩在海平面处的位移为126mm，满足极限状况下结构的允许位移范围。

6 风力发电平台基础结构的展望

海上风力发电平台依其结构型式分为单桩、重力式混凝土沉箱、多桩及吸力锚式四种型式。单桩基础不需要海底的前期处理，制造工艺简单，但安装时需要使用专门的风电工程装备，施工费较高。重力式混凝土沉箱体积大，靠自重使塔架和风机

保持垂直，结构简单，造价低，但需要海底找平。多桩基础(多为三角架)桩径较小，比单桩基础的海底适用深度要大。吸力锚式基础通将沉箱中的水抽出以形成负压，适合于砂性土及软粘土。

以上所说的基础结构适用于浅海水域，而在更广阔的深海水域，风能也更为丰富，基础结构主要采用浮式结构，目前这种结构型式正处于研究阶段，还没有真正的工程实践。深海水域可能离岸较远，发电成本也较高，这就需要我们改进结构型式，以尽可能实现基础成本控制最低。

[1] OCTOBER.DNV-OS-J101 Design of offshore wind turbine structures[S].2004.

[2] 邢作霞，陈 雷，姚兴佳.海上风力发电机组基础的选择[J].能源工程,2005(6):34-37.

[3] 张建勇.浅海独桩平台有限元分析及合理结构型式研究[D].天津:天津大学，2005.