王宇楠

福建省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，海上風(fēng)能因其巨大的社會和環(huán)保效益而被視為能源發(fā)展的重點(diǎn)。近年來，國家對海上風(fēng)電的政策支持力度和資本投入不斷增大，海上風(fēng)電在國內(nèi)迅速發(fā)展，在《2019年全球海上風(fēng)電展望報(bào)告》中指出，我國海上風(fēng)電潛力達(dá)8323TWh/年，其中淺水海域4691TWh/年，海上風(fēng)電開發(fā)潛力巨大。2019年，中國海上風(fēng)電新增裝機(jī)量占全球的39%，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的2.4GW，同比增長了近51%，中國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占全球的26%。隨著單機(jī)容量的不斷增加，海上風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑也在不斷增大。新增裝機(jī)的機(jī)組平均風(fēng)輪直徑已由2009年的89米增加到2019年的143米。中國海床的構(gòu)成特征決定了中國海上風(fēng)電機(jī)組的工程成本將高于歐洲，而中國海域的夏季臺風(fēng)則對海上風(fēng)電帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就需要海上風(fēng)電機(jī)組有更高的可靠性和更低的成本。由于海上風(fēng)能資源豐富，而且不占用陸上耕地，遠(yuǎn)離居住區(qū)，噪聲污染小，使其成為各國競相開發(fā)的資源。[1]海上風(fēng)電建設(shè)的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地發(fā)電的建設(shè)，但是它有著不可替代的優(yōu)勢，所以海上風(fēng)電建設(shè)是非常有必要的。在海上風(fēng)電建設(shè)中經(jīng)歷了理論可行性研究階段、對風(fēng)險(xiǎn)和障礙進(jìn)行分析研究和對抗階段、實(shí)驗(yàn)性風(fēng)電場建立等階段，如今歐洲的許多國家都已經(jīng)建立了一定規(guī)模的海上發(fā)電場，我國的沿海領(lǐng)域有著巨大的開發(fā)前景，如今我國的海上發(fā)電廠建設(shè)也已經(jīng)提上了議程。

鑒于海上風(fēng)電技術(shù)的不斷完善，海上風(fēng)電場建設(shè)中常出現(xiàn)各種技術(shù)問題，這對我國的研究給予了較大空間，尤其在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工這方面，筒型基礎(chǔ)逐漸顯示出承載力高、穩(wěn)定性優(yōu)、制作施工方便、可以拖航等優(yōu)點(diǎn)，在海上風(fēng)電具備廣闊的應(yīng)用前景。為此，本文綜述了國內(nèi)外海上風(fēng)電大直徑寬淺筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨的問題，對后期筒型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的優(yōu)化提供參考。

一、國內(nèi)外海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)外海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用形式主要包括重力式基礎(chǔ)、樁式基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)、沉箱式基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)形式，我們在本文討論的筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也屬于沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一種。我們之所以會選擇筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行研究和討論，是由于我國大多數(shù)海域都處于初級建設(shè)的階段，因此還有許多問題需要進(jìn)一步探索和解決，海上條件要比陸上條件惡劣得多，采用筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以對抗海上惡劣因素，同時(shí)還可以在保障安全的前提下，較大程度上節(jié)約成本。

二、筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

近年來，我們加大了海域資源開發(fā)程度，在開發(fā)過程中筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了不可替代、獨(dú)具優(yōu)勢的作用，該基礎(chǔ)形式自從應(yīng)用以來就得到了相關(guān)行業(yè)和部門的重視，同時(shí)專家和學(xué)者也在對這一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的研究和開發(fā)。筒型基礎(chǔ)是一種倒扣筒狀結(jié)構(gòu)形式，利用負(fù)壓下沉原理使筒體下沉至泥面，在一定程度上還可以起到加固地基土體的作用，這種基礎(chǔ)結(jié)合樁基和重力基礎(chǔ)的特點(diǎn)，還具有制作迅速、施工便捷、可重復(fù)利用等特點(diǎn)。

從目前的階段來看，相關(guān)人員主要對小直徑筒機(jī)的一些特性進(jìn)行研究，在大直徑寬淺筒型機(jī)構(gòu)方面的研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。筒型基礎(chǔ)在海上風(fēng)電方面的研究僅有幾年的時(shí)間，因此無論是在技術(shù)上還是在經(jīng)驗(yàn)上都需要進(jìn)行全面而細(xì)致的開發(fā)和研究。在海上風(fēng)電的建設(shè)中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)往往擔(dān)負(fù)著承載大彎矩負(fù)荷的功能，所以其作用是相當(dāng)重要的，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)中需要大直徑寬淺筒，但是從目前的情況來看，僅有我國個(gè)別項(xiàng)目及丹麥的一家電廠利用大直徑寬淺筒機(jī)成功地組建了發(fā)電機(jī)組，成功案例罕見。但隨著時(shí)間的流逝和技術(shù)的提高，成功案例將會越來越多。

從目前來看，我們較多地采用極限平衡法、極限分析法、有限元法等方法來進(jìn)行筒型基礎(chǔ)承載力的計(jì)算。

(一)極限平衡法

極限平衡法指的是在一定的屈服條件下，利用力矩和應(yīng)用力之間的平衡公式進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算來得出基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在含有一定待定參數(shù)的情況下的極限荷載表達(dá)方式以及安全系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行極值求解。

如滑動(dòng)面法、梅耶霍夫公式、漢森公式等都屬于極限平衡公式，可以有效地計(jì)算出筒型基礎(chǔ)承載力數(shù)據(jù)。目前，筒型基礎(chǔ)不同失效模式、不同基礎(chǔ)形式情況下仍舊沒有規(guī)范的計(jì)算方法可以使用。

(二)極限分析法

所謂的極限分析法有另外一個(gè)名稱叫作極限反法，這一分析方法認(rèn)為抗傾覆力矩是由筒頂蓋下垂直反力來承擔(dān)的，并能夠在一定程度上影響水平承載力。經(jīng)過有限元解驗(yàn)證分析和離心機(jī)模型試驗(yàn)，我們證明了該分析方法是具有非常大的可行性的，與實(shí)際受力狀態(tài)是相符合的。在進(jìn)行基礎(chǔ)的筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對筒型基礎(chǔ)的承載力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)我們認(rèn)為極限分析法能夠有效地計(jì)算出筒型基礎(chǔ)的承載力，能夠?qū)ν残突A(chǔ)參數(shù)計(jì)算起到優(yōu)化的作用。

(三)有限單元法

計(jì)算筒型基礎(chǔ)承載力是一項(xiàng)非常復(fù)雜的事情，如果我們能夠善用有限單元法來解決這一問題，那么我們就能夠化復(fù)雜為簡單。有限單元法的理念是把一整個(gè)系統(tǒng)或整體細(xì)分為若干個(gè)小的單元，這些單元彼此之間具有邏輯關(guān)系，但是也能各自獨(dú)立。有限單元法能夠?qū)Ω鞣N幾何圖形進(jìn)行模擬，通過這種方式可以幫助我們解決求解區(qū)域的求解問題。有限單元法也有其一定的約束性，那就是在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，我們只能利用有限單元法求出求解區(qū)域的近似值，而無法計(jì)算出非常精準(zhǔn)的數(shù)值，因此，我們在采用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況來決定是否合理，如果需要計(jì)算精確數(shù)值，那么就不適用有限單元法，如果僅僅需要近似數(shù)值，我們就可以使用有限單元法來解決。

如果我們想通過有限單元法計(jì)算出較為精確的數(shù)值，那么我們就需要更為精確的先決條件，例如在一定程度上增加組成單元的數(shù)目，使單元范圍進(jìn)一步縮小化，使先決條件進(jìn)一步得到收斂，只有這樣我們所計(jì)算出來的近似值才能更接近精確值，總之在有限單元法計(jì)算方面我們還需要進(jìn)行持續(xù)的研究和改進(jìn)。

三、筒型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及其存在的問題

大直徑寬淺式筒型基礎(chǔ)是適應(yīng)海上風(fēng)電特征荷載作用的新型基礎(chǔ)型式。筒型基礎(chǔ)的直徑、入土深度、頂蓋及側(cè)壁厚度是控制其抗彎能力的重要技術(shù)參數(shù)。[2]在筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，由于海域地質(zhì)條件有所不同、筒型機(jī)器的破壞模式也有所差異，因此，我們在計(jì)算筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷力及穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)就要使用不同的公式，目前，還沒有一種通用的公式能夠解決不同條件下筒型基礎(chǔ)承載力和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)計(jì)算。在筒型基礎(chǔ)承載力、安全性等數(shù)據(jù)的計(jì)算公式方面既沒有相關(guān)權(quán)威文獻(xiàn)資料更不具備行業(yè)規(guī)范。在大直徑寬淺筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面更是缺乏突破性，在這種情況下，大直徑寬淺筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成為不被推薦的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一。

筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的豎向承受力、抗傾能力、筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水平及地基的沉降狀況都是決定筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全性的重要因素。在過去的研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)以上對筒基安全性起到?jīng)Q定性因素的四項(xiàng)重要因素都屬于筒基承載能力的計(jì)算考核指標(biāo)范圍之內(nèi)，由此可以看出，筒基承載力的計(jì)算與筒基的安全系數(shù)緊密相關(guān)。目前我們對筒基承載能力的研究還處于一個(gè)比較初級的階段，主要研究范圍為筒基靜力穩(wěn)定性推導(dǎo)驗(yàn)證，在筒基承載力計(jì)算安全系數(shù)確認(rèn)方面還有很長的路要走，還有很大的上升空間。目前我國對于動(dòng)荷載下筒基承載力數(shù)據(jù)方面的研究可以說是少之又少，相關(guān)學(xué)者通過多年的研究，目前只是對小直徑筒基循環(huán)荷載下的承載力計(jì)算進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，取得了一定的初步成果。海上風(fēng)電的工作過程中上部的塔架結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載動(dòng)力下進(jìn)行持續(xù)不斷地重復(fù)擺動(dòng)作業(yè)，在這種情況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需要循環(huán)承受往復(fù)荷載?；诖耍覀円治龀鐾残突A(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性就需要對筒基的靜力極限荷載進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，也需要對動(dòng)力荷載進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，只有這樣我們才能對筒基的安全性有一個(gè)正確的判斷。

通過上文可以看出，目前為止，我們在筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面沒有相應(yīng)規(guī)范和文獻(xiàn)資料的支持，不過可以肯定的是筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾何尺寸數(shù)據(jù)的確定可以通過筒基承載計(jì)算公式來決定。由此可以得出結(jié)論，我們可以將筒型基礎(chǔ)的承載力計(jì)算方式進(jìn)行科學(xué)合理的簡化，而簡化后計(jì)算公式可以為該公式的推廣帶來很大的便利。筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性與地基情況、作用荷載及幾何尺寸數(shù)據(jù)等因素息息相關(guān)。在計(jì)算筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的靜力負(fù)荷數(shù)據(jù)、動(dòng)力荷載數(shù)據(jù)及耦合荷載數(shù)據(jù)及其安全性時(shí)，我們可以采用有限單元法和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式。海上風(fēng)電發(fā)展前景廣闊，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、安全性與穩(wěn)定性成為當(dāng)今的研究重點(diǎn)。筒型基礎(chǔ)以其自身優(yōu)勢展現(xiàn)出作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)的很大發(fā)展空間。[3]

四、海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

(一)荷載組合的設(shè)計(jì)

我們在設(shè)計(jì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到最不利的因素，按照同時(shí)作用于筒基結(jié)構(gòu)和塔架的靜力、動(dòng)力最大負(fù)荷來進(jìn)行荷載組合的設(shè)計(jì)。同時(shí)，海域條件不同，我們也要采用不同的方式來對荷載組合進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

我們在進(jìn)行筒型荷載組合時(shí)要考慮到靜力負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷、耦合負(fù)荷等各個(gè)方面的因素，在筒型荷載組合的設(shè)計(jì)過程中我們還要充分考慮到環(huán)境荷載的因素，例如以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

(1)在環(huán)境條件較為適中的工作環(huán)境中對靜力荷載及動(dòng)力荷載進(jìn)行組合設(shè)計(jì)；

(2)在環(huán)境條件較為極端的情況下對靜力荷載及動(dòng)力荷載進(jìn)行組合設(shè)計(jì)；

(3)在存在地震可能的環(huán)境條件下對靜力荷載、動(dòng)力荷載和地震荷載進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們要充分地考慮到工作條件的不同。例如對極端風(fēng)暴荷載、極端冰、工作風(fēng)荷載、工作波流條件、極端波流條件等經(jīng)歷荷載的組合條件等因素，進(jìn)行全面充分的考慮。雖然地震工況是一種概率性和偶然性因素，但其一旦發(fā)生會造成重大的損失，在設(shè)計(jì)過程中我們還是要對其進(jìn)行充分地考慮。在波浪荷載和海流荷載的計(jì)算中，我們需要對海流和波浪分別造成的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度矢量以及在兩者共同作用下所造成的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度矢量等因素進(jìn)行考慮。我們可以按照偽靜力的方式來對波浪荷載的作用進(jìn)行處理，也就是對波浪的動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行忽略，不再計(jì)算中增加其數(shù)值，在結(jié)構(gòu)中作用單一設(shè)計(jì)波。

(二)海上風(fēng)電筒的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方式

筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有成本低、能夠重復(fù)利用且施工方便的特點(diǎn)，為了能使其早日在海上風(fēng)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用，我們應(yīng)當(dāng)加快對其進(jìn)行研究和開發(fā)。在設(shè)計(jì)過程中，我們需要對海上環(huán)境的多種因素進(jìn)行考慮，因?yàn)檫@些因素會在極大程度上影響到筒基的安全性。其環(huán)境因素包括冰、海流、波浪、風(fēng)等因素。同時(shí)我們還要將由以上因素引起的循環(huán)荷載力量換算為在極端危險(xiǎn)條件下，與之等效的靜力極限荷載，在基礎(chǔ)與塔筒相互連接的作業(yè)平臺上進(jìn)行施加。以基礎(chǔ)承載為依據(jù)將筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，對局部傳力進(jìn)行調(diào)試，以期在地基中安全傳入上述所有荷載。在筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，我們需要用到大量的公式進(jìn)行計(jì)算，為了提高效率，我們會將復(fù)雜的公式進(jìn)行簡化，使其能夠貼合實(shí)際，在安全性計(jì)算中得到應(yīng)用。較常使用的計(jì)算方法包括：筒基承載力計(jì)算、抗壓計(jì)算、抗傾計(jì)算、抗拔計(jì)算、抗滑驗(yàn)算等。

(三)大直徑寬淺筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明

考慮到我國海域環(huán)境條件的特殊性，我們研究發(fā)現(xiàn)大直徑寬淺筒基較為適合被引用，但是目前世界范圍內(nèi)對大直徑寬淺筒基的研究較少，沒有取得顯著成果。在筒基建設(shè)中裝風(fēng)機(jī)單機(jī)的容量在不斷地增大，這種情況下，筒基的單筒直徑也需要隨之增大，此趨勢已經(jīng)非常明顯。現(xiàn)階段我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了直徑為30米的大直徑筒基，大直徑寬淺筒基能否發(fā)揮出其應(yīng)有的功能，與其入泥筒中內(nèi)筒和外筒之間的傳力系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及頂蓋部位的綜合設(shè)計(jì)有著很大的關(guān)系，如果系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)不到位，那么其基礎(chǔ)承載力就達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，在這種情況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)很有可能會造成破壞，所以我們在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的時(shí)候，務(wù)必要慎重考慮相關(guān)問題。

假設(shè)以純鋼筒作為基礎(chǔ)，那么主要關(guān)注支撐截面及承力梁的設(shè)計(jì)；如果基礎(chǔ)為鋼混組合機(jī)構(gòu)的情況下，我們就要對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行斜塔筒或直塔筒設(shè)計(jì)，并對傳力銅梁進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，例如設(shè)計(jì)為兩邊鉸支撐。

結(jié)語

總而言之，我國海上風(fēng)電筒型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)建設(shè)尚處于初級起步階段，未來的路還很長。進(jìn)行海上風(fēng)電建設(shè)，安全是我們第一考慮要素，因此在筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，我們需要對海上環(huán)境進(jìn)行全面的分析，要對筒基的承載荷載能力進(jìn)行嚴(yán)密的計(jì)算，以期能夠使海上風(fēng)電筒基建設(shè)最大程度上適應(yīng)環(huán)境和開發(fā)環(huán)境資源。利用海上資源進(jìn)行發(fā)電是未來的主要研究和建設(shè)趨勢之一，而筒基建設(shè)是實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目的關(guān)鍵因素，因此我們要對筒基設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步研究和探索?；诖笾睆綄挏\筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，我們尤其要加強(qiáng)對該筒基的設(shè)計(jì)和建設(shè)研究。