海上测风塔设计与施工

某海上测风塔设计与施工

邢占清 杨 锋 符 平 张金接

（中国水利水电科学研究院工程安全监测中心，北京，100044）

摘要：我国海上风电开发刚刚起步，在风资源评估、海上风电场的设计理论和方法、海上风电场的建设与运行等方面均属空白。开发海上风电首先要对风资源进行评估，获取海上风资源数据的最直接方法就是在海上建立测风塔。目前我国已建成的海上测风塔较少，海上测风塔建设可供借鉴参考的资料很少，海上气象条件恶劣，施工周期长、难度大。本文结合某海上测风塔的设计及施工，分析了测风塔设计工况、设计荷载和海上防腐设计以及海上桩基施工工艺，所取得的成功经验可供海上风电场建设参考借鉴。

关键词：海上测风塔；基础；钢管桩；测桩

1 前言

风电是可再生的无污染的能源。海上风能资源丰富而且稳定，风况优于陆地，且受土地利用、噪声污染、鸟类保护、电磁波干扰较少，不涉及土地征用等问题。初步资料表明，我国陆上风电可开发量为2.5亿千瓦，在海水深2m至15m之间的海域风电可开发量为7.5亿千瓦，我国风电的大规模开发潜力在海上，特别是水深小于15m的近海，更是今后几十年风电发展的方向。德国、丹麦等国己经建成多个海上风电场，在海上风电场设计、建造、运行和维护方面已形成了一定的理论和经验，我国目前在海上风电场建设方面才刚刚起步。

开发海上风能首先需要弄清近海区域风的变化规律及特征。近岸陆地气象站所测风速由于受到地面粗糙度及大气稳定度等因素的影响，与海上风速有一定差异，不能直接用来代表海上风况。获得海上风资源数据的最直接方法就是在海上建立测风塔。目前我国已建成的海上测风塔很少，可供借鉴参考的资料更少。本文主要对黄海北部海域某近海测风塔的设计与基础施工情况进行总结，希望为类似工程提供参考和借鉴。

2 测风塔设计

2.1 地质水文情况

根据勘探资料，黄海北部某海域的典型地质分层从上往下为：①层淤泥质粘土，厚17.60m；②层粉砂，厚3.90m；③层粉砂，未揭穿，为本工程的基桩持力层。各土层抗压极限侧阻力标准值q sik 和极限端阻力标准值q pk见表1，工程水文条件见表2。

表1 各土层抗压极限侧阻力标准值q sik和极限端阻力标准值q pk

层号 1 2 3

岩土名称 淤泥质粘土 粉砂 粉砂 抗压极限侧阻力标准值q sik(kPa) 20 55 76 极限端阻力标准值q pk(kPa) － － 3500

表2 工程水文条件 编号

项目 详细说明 1

潮汐 潮差大，流速小。平均高潮位4.92m，平均低潮位1.02m，平均潮差3.80m。

2

海流 以潮流为主，余流较小。 3

波浪 强浪向NNE，次强浪向NE，全年平均浪高1.1m，测得最大浪高4.6m。4 风况 常风向NNE 和ENE，累计年平均风速6m/s，最大风速约20m/s。 2.2 测风塔结构形式设计

常见的测风塔结构形式有自立式和拉线式两种。自立式测风塔塔体下部较宽，塔架材料用量相对较大，对基础要求也较高；拉线式测风塔受力较为合理，可靠性高，塔体截面小，塔架材料用量小，但拉线基础数量多，施工工艺复杂。本工程需考虑测风塔对过往船舶的影响，采用拉线式测风塔时其影响范围较大，且船舶在行驶过程中不易辨别拉线，影响船舶航行安全。因此，本工程选用自立式测风塔。

测风塔塔架可采用单根钢管、三角形桁架及四边形桁架等结构形式。单根钢管结构形式所需钢管直径大，迎风面积亦大，材料量大；三角形桁架结构形式较为稳定，塔架受风荷载作用较小，最为经济；四边形桁架结构形式较为稳定，一般情况下当三角形桁架不能满足受力及变形要求或不经济时，塔架可选用四边形桁架结构形式。

测风塔为高耸结构建筑物，一般采用桩基础或重力式基础等。适用于测风塔的桩基础有钻孔灌注桩、预制混凝土桩、钢管桩等。采用钻孔灌注桩时，需水下浇注混凝土，且施工周期长；采用预制混凝土桩时，需考虑接桩，打入较难，且承台不宜采用钢结构，施工周期长；采用钢管桩时，桩长小于50m 时无需接桩，施工方便，但费用略高。钢管桩基础受力情况明确，抵抗极端工况的能力较强，尤其是海底洋流对钢管桩基础的影响较小，但其施工工艺较为复杂和海上防腐要求较高。重力式基础结构简单，施工方便且较为经济，但其体型较大，在海洋中受到的各种作用力复杂，受力情况不明确，且存在海浪、洋流等淘刷作用，容易失稳或产生倾斜。综合考虑，测风塔采用钢管桩基础。

2.3 设计参数及荷载组合

本工程为远离岸线的海洋工程，建设及运行期间测风塔长期处在复杂的海况之中，设计时必须考虑多种荷载组合作用的情况。考虑到测风塔运行时间较短（一般不超过5年），结合工程区域台风

资料进行充分考虑，取该地区最大基本风压0.55kN/m 2作为运行工况风压，十二级台风（风压0.79

kN/m 2）为设计工况风荷载，十三级台风（风压为0.98 kN/m 2）为结构内力校核工况风荷载。 ① 风荷载：风荷载的标准值按下式计算：

)1(0e r Z s Z k D W W μμμμβ+⋅⋅⋅⋅⋅⋅= （1）

考虑近海地区，按A类地貌考虑，风阵系数按钢结构考虑β＝1.7，风结构体型系数μ＝0.6，风

荷载扩大系数μe＝0，风压高度变化系数μ采用指数形式，μ＝（x/H）2α,α=0.12，风重现期调整

系数μ＝1.0。

② 波浪力：根据《海港水文规范》(JTJ213-98)计算波浪对桩基或墩柱的作用，平台上的波浪荷载在性质上是动力的，但对于设计水深小于15m 的近海平台，波浪荷载对平台的作用可以用其等效静力来分析，即只计算作用在固定平台上的静设计波浪力，忽略平台的动力响应和由平台引起的入射波浪的变形。波浪力采用莫力森公式计算：

t u D C u u D C f f f W M W D i D ∂∂⋅⋅+⋅⋅=+=r r r r 424πγγ （2）

式中： 阻力系数； 惯性力系数。

−D C −M C 波浪水质点的水平方向运动速度u 根据水深、波长及波高确定，设计波浪要素中波列累积频率