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干货 | 海上风电吸力式筒型基础应用研究

北极星风力发电网  来源:南方能源建设  作者:张浦阳 黄宣旭  2020/3/13 11:53:42  我要投稿  

北极星风力发电网讯: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

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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。

中科彩票投注表1 海上风电筒型基础分类和典型应用情况

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图1 海上风电筒型基础

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图2 单筒多舱型复合筒型基础

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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

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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]

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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)。

中科彩票投注图5 海上风电一体化测风塔

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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。

中科彩票投注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。

表2 砂土中筒型基础下沉阻力公式

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