图1单桩基础(图中剖面为过渡段)
由于国外企业对于某些材料和技术的垄断,使得国内的风电领域厂家面临高造价和受制于人的境地,所以有的厂家积极研发替代性材料和技术突破,有的厂家则通过绕过某些缺失技术和材料,使得风电结构施工和服役期内的风险加大。由于风电行业在国家政策的大力支持下,新的尝试和新的技术不断涌现,但也不能利用不成熟的技术在新建风电场大面积推广,而应该有步骤、有比较的逐步推进新技术的推广,在时间的检验下如果新技术确实更加优异,再在风电领域推广也不会太迟,期间可以和原有的国外成熟技术工艺进行对比,以确定其实用性和可行性。毕竟风电领域的投资巨大,一旦因为不成熟的技术出现损伤甚至报废,其损失也是不可估量的。
在当前国内单桩基础结构方案有两种,一种是沿袭了国外成熟的过渡段单桩基础方案,一种是取消过渡段的法兰直接刚性连接单桩基础方案,后一种方案是在国外过渡段用高强度灌浆料垄断的背景下提出的替代方案,我们在分析了过渡段单桩基础方案提出的原因,也不难发现取消过渡段并以法兰连接单桩基础的结构方案有其难以克服的缺陷,虽然打破了国外的技术垄断,但并不能规避其存在的必然风险性。
那去除其他方面的优缺点,仅从过渡段提出的直接原因来分析两种方案的利弊。
过渡段的方案优点是不涉及桩基础的垂直度调整,而是通过过渡段来调整垂直度,从而使整体的垂直度达到设计的要求,其限制是对于过渡段的结构尤其是填充套筒与钢管桩间隙的灌浆料有极高的要求。其优势在于不产生海床基础土的扰动,整体结构的垂直度精确控制容易,过渡段的缓冲使在振动载荷的作用下也不易产生应力集中等优点。
图2海床土层单桩基础弯矩[1]
图3海床土层单桩基础水平位移[1]
在海洋环境中的风机单桩基础,结构所受的循环载荷有三个影响因素:桩土的非线性、土体极限抗力退化以及桩土脱开效应。法兰直接连接的方案是取消了过渡段,基础桩打入过程需要扶正装置不断的调整垂直度,不但其垂直度精确度难以控制,而且造成了海床基础土的扰动,造成基础土对打入其内部的桩基础的约束力损失,使水平承载力在初始阶段就小于过渡段的方案,在多台风侵袭的中国东海和南海风电场,风电结构更容易倾斜甚至倾覆。如果通过扶正装置使垂直度控制达到了设计的要求,并且精确度很高,水平承载力的损失使整体结构应对台风等强力作用的能力降低,图2为一定载荷下海床土层单桩基础弯矩,图3为对应载荷下单桩基础的水平位移,可以看出在土深度接近上部1/3处承载力最大,在扶正装置不断作用下桩土的承载力逐渐损失,造成能够承受的极限载荷也就逐渐降低,从而抵抗强作用载荷的能力损失。但如果整体结构的垂直度没有达到设计要求,由于风电结构在海床以上的高度是打入海床基础部分的2倍以上,所以在垂直度没有达到要求的前提下,结构的偏心荷载时非常大的,加上基础土扰动造成的约束力损失,一旦有强力的风载荷作用,其倾倒的风险特别大。
所以,在现有的工程科学技术条件下,海上风电场单桩基础垂直度控制方法和力学理论应参照欧洲国家成熟的标准设计与工程案例,一个好的结构设计方法应该是经过慎重考量的,而且远景寿命也是经得住时间检验的。
参考文献
[1]海上风电基础ANSYS数值模拟.李炜、郑永明、周永.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,水运工程,2010,08:125-128
[2]近海风电基础桩土作用3D有限元模拟.李炜、郑永明、周永.水电能源科学,2010,08:162-164