福建省海上风电场示范性项目海上测风塔基础设计

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2 基础型式选择
根据塔址处的水深及潮位变幅,测风塔海上平 台宜采用桩基础平台,设计时拟定 3 个方案进行综 合比较。
方案一: 单根钢管桩 + 钢筋混凝土承台方案。 该方案结构受力简单,基础承受的波浪水流力较小。 但由于塔址处基岩埋藏较浅,钢管桩入土深度小且 悬臂端较长,为确保基础刚度以满足基础的安全稳
前言
福建省石油、燃气的全部及火电燃煤的绝大部 分依赖省外采购和进口,能源自给率较低。近年来, 随着海峡西岸经济区的崛起,其独特的地理位置作 用日益凸现。随着经济的快速增长,能源安全保障 压力和环境保护压力日益增长,因此,政府大力开 展节能减排工作,鼓励支持开发可再生能源。根据 初步规划,福 建 省 全 省 近 海 风 电 规 模 约 有 10 000 MW,可开发 潜 力 巨 大。 为 为 今 后 大 规 模 发 展 海 上 风电积累经验,福建省启动了海上风电场示范性项 目的研究和设计工作。建设海上测风塔,收集海上 风力资料是开展海上风电场建设的重要依据。
按照国内现行相关规程规范的要求,本示范场 址须建造一座高度不低于 100 m 的海上测风塔。结 合项目范围内地形、水文及地质条件,测风塔选址 位于拟建场址的西南部,西距平海 半 岛 约 10 km, 南距鸬鹚屿约 5. 2 km,所在位置理论水深 9 m,海 底地面 高 程 折 算 高 程 ( 黄 海 高 程 系, 下 同 ) 约 - 12. 63 m。根据现场钻探得知,测风塔基础处地层 主要为: 淤泥,流塑,饱和,厚 3. 0 m; 粉质粘土, 软塑,饱和,厚 8. 1 m; 砂土状强风化花岗闪长岩, 硬塑 ~ 坚硬,厚 2. 3 m,顶板埋深约 11. 10 m; 碎块 状强风化花岗闪长岩,坚硬,厚 1. 2 m; 弱风化花 岗闪长岩,坚硬。
波浪上托力采用 《海港工程设计手册》 的压制 波理论,按极端高 ( 低) 水位和设计高 ( 低) 水位 分别进行计算,公式如下:
p = βγ ( η - hi) 式中: p 为波浪上托力压强;
hi 为波面在静水面以上被压制的高度; β 为压力反应系数; 50
η 为波峰面在静水面以上的高度; γ 为水的容重。 计算时设计潮位采用高潮累积频率 10% 的设计 高潮位和低潮累积频率 90% 的设计低潮位; 极端水 位采用 P = 2% 设计极端最高 ( 低) 潮位; 波高取波 列累计频率为 1% 的波高。 水平地震惯性力采用单质点法计算。地震惯性 力标准值根据 《水运工程抗震设计规范》 规定,按 照下列公式计算:
1 工程概况
福建省莆田平海湾海上风电场示范性项目一期 工程地 处 莆 田 市 秀 屿 区 平 海 湾 海 域, 规 划 容 量 为 300 MW。该海域东临台湾海峡,是受台湾海峡狭管 效应影响最显著的区域,风力大,风向稳定,风资
收稿日期: 2011 - 12 - 05
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源丰富。项目场址西邻平海半岛,北临南日岛,东 北 ~ 西南宽 5. 8 km,西北 ~ 东南长 5. 7 km,面积 32. 7 km2 ,中心距离平海镇约 12 km。工程所处区 域主要为滨海海积海底阶地地貌,海域水深 5 ~ 18 m,地形总 体 呈 西 高 东 低 态 势,海 底 坡 度 一 般 小 于 1°。
2012 年第 1 期
水利科技
福建省海上风电场示范性项目海上测风塔基础设计
甘毅
( 福建省水利水电勘测设计研究院,福建 福州 350001)
摘要: 福建省海上风电场示范性项目海上测风塔是国内建设较早,也是省内第一座建成并开展 海上测风工作的海上测风塔。基础设计时,通过对场地建设条件、施工难易程度及建设工期和 投资等多方面的比较,确定采用钢管桩和钢筋混凝土承台的联合基础型式。该文对此进行了总 结,供类似工程参考。 关键词: 海上测风塔; 基础型式; 钢管桩; 承台; 荷载 中图分类号: TV223 文献标识码: B 文章编号: 1002 - 3011( 2012) 01 - 0048 - 04
福建省海上风电场示范性项目海上测风塔是国 内建设较早,也是省内第一座建成并开展海上测风 工作的海上测风塔。工程于 2009 年 8 月 18 日开始 桩基础施工,2009 年 12 月 13 日完成基础全部土建 施工并交付测风塔安装,2010 年 1 月 8 日正式开展 数据观测及收集工作。目前已安全运行两年,并已 收集到项目区内一个完整年的气象数据。
方案三: 3 根钢管桩 + 预应力锚索 + 钢质平台 方案。该方案在方案二的基础上,将钢筋混凝土承 台改为钢质轻型平台,同时在桩内布置水工无粘结 预应力锚索,通过对锚索施加一定的张拉力解决由 于钢管桩入土深度小造成的设计工况下桩基抗拔力 无法满足设计要求的问题。该方案不需要现场浇筑 混凝土,钢质轻型平台可在陆地上组装后再在海上 吊装,大大减少了基础平台海上施工的时间。但锚 索施加预应力的标准是根据单桩抗拉工况下的桩基 抗拔力来确定的,因此,单桩抗压工况时,同等受 力条件下,桩身应力值远大于方案二的桩身应力。 为满足桩身结构要求,基础钢管桩的桩径和管壁厚 度较方案二的大。水工预应力锚索需在海上进行钢 桩内水下预钻孔和终孔后冲洗、预应力锚索安装、 锚固端灌浆及养护、锚索分级张拉及锁定、封孔灌 浆等多项工序,一定程度上增加了桩基础施工的难 度、费用 和 工 期。 从 桩 基 础 受 力 特 点 看, 由 于 风、 潮流及波浪等荷载方向的不确定性,预应力锚索经 常处于张拉和松弛的交替变换状态,易造成预应力 损失,需定期检查,必要时甚至需再次进行张拉作 业。这些均不利于基础的维护和安全稳定。
PH = CKHβW W = W1 + W2 + ηW3 式中: PH 为地震惯性力标准值; C 为综合影响系数,取 C = 0. 30; KH 为水平地震系数; β 为动力放大系数; W 为换算质点总重力标准值; W1 为上部结构重力标准值,包括墩台自重和 其它永久荷载; W2 为上部荷载重力标准值; W3 为嵌固点以上桩身重力标准值; η 为装饰重力折减系数。
Sd = γG SGK + γPH SPH + ΣψQi γQi SQik
水利科技
2012 年第 1 期
根据相关规范要求,计算时,承载能力极限状 20 mm 的钢管桩,基桩抗压承载力设计值 4 980 kN、
态荷载分项系数 ( γ) 取值为: 自重对结构有利时 抗拔承载力设计值 2 297 kN,桩身抗压应力设计值
4. 1 设计标准
设立海上测风塔的目的主要是为了满足海上风 电场风资源评估需要,观测场址范围内海域的风速、 风向、温度、气压、湿度等气象条件,并收集至少 一个完整年的数据。参考相关规程规范规定,测风 塔基础按临时建筑物考虑,设计标准为: 结构设计 使用年限 5 年,安全等级二级,潮水位设计标准为 50 年一遇,波浪设计标准为 10 年一遇 ( 波列累计 频率为 1% ) 。由于场址东临台湾海峡,受台风 ( 热 带气旋) 影响频繁 ( 从近 30 年我省统计看,平均 每年有 6 个台风影响平潭、莆田一带) ,测风塔设 计最大风速按 50 年一遇,极大风速按 IEC - I 等级。
4. 3 荷载组合
基础设计中主要应考虑极端风况状态下单桩受 压,另两根基桩受拉和单桩受拉,另两根基桩受压 两种工况。计算过程中,波浪水流力等作为海洋工 程中的基本作用力,设计时纳入基本可变荷载参加 组合。各工况荷载组合情况如下:
( 1) 正常使用极限状态长期效应 ( 准永久) 组 合: 自重 + 组合系数 1 × 极端风况情况下测风塔荷 载 + 组合系数 1 × 波流力 ( 设计水位) + 组合系数 1 × 波浪上托力 ( 设计水位) 。计算表达式如下:
测风塔基础剖面布置型式见图 1。
图 1 测风塔基础剖面布置图
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2012 年第 1 期
水利科技
4 基础结构计算分析
测风塔基础结构设计要满足测风塔底部连接螺 栓的结构布置要求,还要能够承受测风塔自重、测 风塔在运行过程所产生的荷载及环境荷载 ( 波浪 力、水流力、波浪上托力与地震力及船舶系缆、挤 靠和撞击力等) 。
4. 2 荷载
测风塔基础承受的荷载主要包括基础顶面塔架 及设备产生的荷载、自重、波浪力、水流力以及地 震力等。
基础顶面塔架及设备产生的荷载根据测风塔生 产厂家提供的基础受力资料取值,以测风塔 100 m 高度最大风速 46. 3 m / s,极大风速 65. 0 m / s 作为计 算条件。
波浪力和水流力除在偶然组合中仅考虑水流力 外,其余均按波浪水流同时作用,即按波流力考虑。 根据 《海港水文规范》 规定的计算方法和公式,按 极端高 ( 低) 水位和设计高 ( 低) 水位分别计算波 流力 ( 或水流力) ,取作用在桩和墩台上波浪水平 合力最大时的相位作为计算相位值,计算时不考虑 不同桩之间的相位差。
SL = SGK + ψΣSQik ( 2) 承载力极限状态持久组合: 自重 + 极端风 况情况下测风塔荷载 + 组合系数 2 × 波流力 ( 极端 水位) + 组合系数 2 × 波浪上托力 ( 极端水位) 。计 算表达式如下:
Sd = γG SGK + γQl SQlk + ψ2 ΣγQi SQik ( 3) 承载力极限状态偶然组合: 自重 + 地震力 + 组合系数 3 × 极端风况情况下测风塔荷载 + 组合 系数 4 × 水流力 ( 设计水位) 。计算表达式如下:
测风塔基础钢管桩与塔架安装承台的连接按固 接设计,桩顶伸入承台长 200 mm,管桩顶内侧沿钢 管桩内壁均匀布置 24 根 Φ28 锚固钢筋。锚固钢筋 下端与钢管桩内壁焊接,焊接长度不小于 1 500 mm ( 投影长度) ,上端锚入塔架安装承台,锚固长度不 小于 1 500 mm ( 投影长度) 。
水利科技
2012 年第 1 期
定,所需的单根钢管桩直径 ( 2. 0 ~ 2. 4m) 和管壁 厚度 ( 32 mm) 均较大。为满足沉桩要求,需调用 大型打桩船。这些不但增加了钢管桩制作、施工的 难度和成本,远距离调遣大型打桩船还在一定程度 上影响了基础施工的工期。
方案二: 3 根钢管桩 + 钢筋混凝土平台方案。 该方案根据测风塔布置型式 ( 正三角形) 采用了 3 根钢管桩的结构型式,基础自身刚度相对单桩基础 大,可有效减小桩径和管壁厚度,常规打桩船均可 施工。可就近从场址周边正在施工的港口码头施工 现场调遣打桩船,不会对基础施工费用和施工工期 造成较大影响,但需在海上浇筑平台混凝土。
取 1. 0,不利则取 1. 2,测风塔荷载及波浪水流作用 208 MPa,抗拉应力设计值 260 MPa,均能满足设计
经综合比较,为保证基础施工进度,节省工程 投资,确保海上施工的安全可靠,测风塔基础最终 选用方案二。虽然方案二需在海上进行混凝土浇筑, 但结构较可靠,施工方法简单,所需海上施工设备 均为常规船舶,便于调遣,且投资较少。
3 基础布置
根据测风塔架的平面布置及测风仪器的安装要
求,初拟塔架安装承台平面为长边边长 11. 310 m、 短边边长 1. 443 m 的六角形,平台厚 2. 3 m。为满 足结构抗腐蚀要求,平台混凝土采用 C35 普通海工混 凝土。为避免海上波浪浮托力对承台及其基础的影 响,经计算,基础承台顶高程取 12. 30 m。基桩采 用 3 根直径 1 200 mm 的钢管桩,管壁厚 20 mm,钢 管桩及附件均采用 Q345 C 级的钢材。钢管桩以强风 化花岗岩为 设 计 持 力 层,设 计 桩 长 约 37. 7 m ( 斜 长) ,斜度 5∶ 1。3 根钢管桩按等边三角形位置布置, 桩中心距为 9. 0 m。根据基础结构使用年限,设计 时桩身及附属结构均未考虑预留腐蚀厚度,但为满 足钢结构抗腐蚀要求,桩身在 - 23. 73 m 高程以上 外壁及附属钢结构均喷涂防腐涂层,涂层材料及顺 序为: 环氧无机富锌底漆,环氧云铁中间漆和聚氨 酯面漆。由于测风塔塔址处基岩埋藏较浅,钢管桩入 土深度较短,为确保测风塔基础的安全稳定,设计采 取以下措施增强基础自身的稳定性: 3 根钢管桩间布 置两道连接钢管,连接钢管两头均与钢管桩焊接。
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