一种新技术在海上风机基础冲刷防护的应用研究

  目的  随着我国海上风电开发的迅速发展,大直径单桩基础得到广泛应用,基础冲刷情况也日益严峻,选择合理适用的防冲刷方案对风电场长周期安全稳定运行、保证经济效益具有重要意义。  方法  通过某海上风电项目运行一年后大直径单管桩基础出现严重冲刷现象引出问题,对桩基础冲刷原理、目前国内外常规采取的防冲刷方案进行了概述,对某海上风电项目采用淤泥固化方案进行桩基础防冲刷试验的原理、参数、方案、工程实施进行了详述。  结果  通过对试验桩位长达两年的多次扫测、潜水员下水探摸,基本确定淤泥固化土层与桩身结合紧密、覆盖完整、试验效果良好。  结论  淤泥固化这种新型材料在海上风电基础的防冲刷应用具有一定的借鉴、推广意义。     

大直径单桩基础冲刷防护范围及防护效果试验研究

  目的  海上风机服役期间受到长期波流联合作用,极易发生局部冲刷,从而威胁到风机的整体稳定性和安全性。  方法  针对直径8.0 m风电基础开展了比尺1∶30的正态物理模型试验,对冲刷深度和砂被、固化土防护范围和防护效果进行了研究。  结果  结果表明,考虑水动力条件较好情况下,模型最大冲深为0.133 m,采用厚度1 cm拼合尺寸1.0 m×1.0 m砂被可以满足稳定性要求,采用固化土防护时需要防护范围不小于5倍桩直径,并需要在固化土边缘铺设块石避免固化土下部发生淘刷。  结论  试验结论可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。     

基于实测的海上风电基础局部冲刷及防护措施效果对比研究

海上风电单桩基础局部冲刷普遍存在,且极限冲刷深度是开展基础结构设计的重要参数。因此,针对海上风电单桩基础,基于江苏某海上风电场的冲刷实测数据,研究韩海骞公式、王汝凯公式、Qi&Gao公式冲刷计算值与实测值之间的关系;分析对比抛石、固化土及砂被3种冲刷防护措施的防护效果。结果表明：3种计算方法可较为准确预测单桩基础的局部冲刷深度;固化土、砂被、抛石对冲刷防护的效果呈递减趋势。     

海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟

  目的  桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题,浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性,对风机结构安全造成不可忽视的影响。  方法  采用CFD技术结合泥沙输运模型,针对稳流条件下,砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究,通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解,观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程,得到了冲刷坑深度的时变曲线。  结果  计算结果表明,冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加,随后冲刷速度逐渐变慢;在16 min的计算时间内,冲刷深度达到0.81倍桩径。  结论  根据冲刷深度的变化情况,认为对于处于砂质海床区域内的风电场,应当在基础施工期间考虑冲刷防护,通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。     

多波束测深系统在海上风电桩基侵蚀监测中的应用

  目的  研究海上风电场风电机组水下基础部分受潮流及波浪影响对其周边海底地形发生的影响。  方法  通过两次海底地形调查,对海底地形变化进行比较。  结果  研究表明:海上风电机组水下基础的冲刷主要发生在当地潮流方向上,建设初期会形成较深的冲刷坑,2年后出现冲刷槽,形成冲刷槽后桩基础周边会出现小幅度淤积。  结论  长期进行海洋风电机组基础侵蚀监测,有助于了解侵蚀范围、深度的变化,进行水文调查将有助于建立海洋水动力模型,进而对风电机组基础侵蚀进行预测。应进行抛石、固化土等措施进行侵蚀填充,延缓侵蚀发生。     

大连海上风电单桩抗冰锥结构灌浆施工研究

  目的  抗冰锥结构是北方海上风电单桩基础结构的特有结构。抗冰锥结构的安装施工是单桩基础施工的重点和难点之一,灌浆连接技术通过装配化施工方式成功解决这一难题。大连某海上风电项目在国内首次采用单桩抗冰锥结构。  方法  以该项目抗冰锥灌浆施工的工程实践为依托,研究总结单桩抗冰锥灌浆施工关键技术,内容包括安装准备、灌浆材料选择、灌浆管路设计与优化、灌浆封堵等技术和灌浆施工质量控制等。  结果  采用自主研发的优固特 SKG-V高强灌浆料、集装箱小型一体化海上风电灌浆专用设备和自主研发的水下灌浆工艺,材料和施工性能均满足要求,成功完成国内首批单桩抗冰锥结构与单桩之间的灌浆连接。  结论  该材料和技术有望在我国北方海上风电单桩基础结构中大量推广应用。     

海上升压站导管架基础的冲刷试验研究

[目的]海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上升压变电站,近年来,海上风电场升压站基础的主要形式为导管架结构。[方法]结合拟建于砂质海岸的某风电场工程,设计了不同比尺的导管架基础波流局部冲刷物理模型试验,分析了波浪、水流对局部冲刷深度的影响,研究了波流联合作用下桩基基础局部冲刷的范围、深度,以及砂被和沙袋的防护效果。[结果]研究结果表明:对于升压站导管架基础,冲刷最深处均在基础的迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的1.75倍。[结论]研究方法及有关结论可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

  目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。  方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。  结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。  结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

海上风机单桩基础疲劳影响因素分析

  [目的]  为提高评估海上风机单桩基础疲劳寿命准确性,重点探讨了影响海上风机单桩基础疲劳寿命计算的影响因子。  [方法]  首先利用简化梁单元模型与局部有限元模型模拟了某工程的单桩基础结构,其次结合波浪谱疲劳方法对单桩基础由波浪载荷造成的疲劳强度进行了评估,最后分别计算并讨论了传递函数、波浪理论和局部开孔的结构形式对风机基础疲劳损伤的影响。  [结果]  分析结果表明:传递函数和局部开孔的结构形式对钢管桩结构的疲劳强度影响显著。  [结论]  所提计算方法和分析结果是正确并有效的,可为实际应用提供指导。     

海上风电超长钢管桩试桩关键技术浅析

  [目的]  在海上风电工程中,为进一步优化桩基设计,同时为大范围沉桩作业提供施工参数资料,必须要进行海上试桩。近年来,随着海上风电机组装机容量不断增大,且海上风电场离岸越来越远,为满足设计承载要求,海上风机基础桩基设计长度不断增加。与普通试桩相比,海上超长钢管桩在试桩过程中存在诸多不同。为保证海上超长钢管桩试桩达到预定目标,  [方法]  作者对海上试桩中的关键技术进行了深入讨论。首先讨论了海上超长钢管桩试桩的试验项目设置,  [结果]  明确了合理的试桩顺序;其次对海上超长钢管桩试桩中基准桩设置、反力装置、沉桩施工、冲刷监测、试桩保护和桩身传感器保护等关键技术进行详细分析,  [结论]  对今后海上超长钢管桩试桩工程有指导意义;最后对海上试桩工程未来的发展进行展望及总结。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

海上风机单桩基础桩形影响因素分析

  [目的]  随着大直径单桩基础建造与施工能力的日益进步，单桩基础型式的应用正向更大水深发展，需要研究深水海域单桩基础不同桩形的优缺点，为同类工程提供参考。  [方法]  按高中低三种锥段位置，对广东阳江某海上风电场的单桩基础机位参数进行分组统计，分析其中的桩形选用规律。  [结果]  分析表明:高锥段大桩径设计会导致风机疲劳荷载偏高，机位浅层土中砂土和黏土的比例及具体力学指标决定了最佳桩形的锥段位置。  [结论]  通过对比研究:发现降低锥段是降低大桩径机位疲劳荷载的最佳方法，砂土含量高且内摩擦角较大的机位可通过提高锥段减小桩径，而黏土含量高地质偏软的机位则适用较低锥段的桩形。提出用单桩最优解的泥面刚度矩阵行列式大小来衡量机位的地基刚度水平，并分析了地基刚度水平与基础钢料量的关系。     

破碎波作用下单桩式海上风机水动力学数值分析

  目的  我国南汇、东海、大丰等海上风电场的设计波浪十分接近波浪破碎极限,需要探究浅水水域单桩式海上风机基础受破碎波载荷的动力响应。  方法  利用FAST耦合分析软件,考虑使用波浪拉伸的方式计算波浪力载荷,对单桩式风机在东海海况下的耦合动力响应特性进行分析。  结果  分析结果表明:使用波浪拉伸方式计算破碎波载荷更加接近实际海上风机所受到的载荷,且明显高于不使用拉伸方式计算的破碎波载荷。破碎波更容易激发塔筒的一阶固有频率,风浪联合作用下风机结构动力响应更加显著。  结论  研究成果为我国浅水非线性波浪区域单桩式海上风电的开发提供了一定的参考。     

海上大直径单桩基础沉桩施工关键技术研究

[目的]随着我国海上风电开发的迅速发展,近海风电场常采用无过渡段大直径钢管桩结构作为风机基础,该基础形式的应用避免了有过渡段单桩的不利因素,但主要难点在于施工装备要求高、单桩垂直度控制难度大.[方法]文章以采用了大直径单桩基础的广东某海上风电工程项目为例,重点阐述了海上风电大直径无过渡段风机单桩基础沉桩的施工方法和要点...     

海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法

  目的  国内海上风电项目的业主在招主机标时,对风机厂商提供的基础顶载荷和塔架质量提出要求,在招设计标时很少对设计院提供的基础质量提出要求;详细设计阶段时风机厂商和设计院分别对塔架和基础进行设计,因此通常难以得到塔架和基础总质量最小的全局最优设计。  方法  提出了海上风机塔架和单桩一体化试验设计方法,通过对某海上风电项目进行试验设计得到多个不同塔架构型、塔底和单桩直径的设计方案,并通过载荷计算、塔架和单桩设计迭代优化得到相应的基础顶载荷、塔架质量和单桩质量等结果。  结果  研究表明:基础顶载荷或塔架质量最小的方案不是塔架和单桩总质量最小的方案。通过试验设计方法可以给出单桩和塔架总质量最小的最优设计。  结论  研究成果表明,在设计中采用一体化试验设计方法寻找塔架和单桩总质量最小的全局最优设计是降低海上风电度电成本的有效方法。业主将制定塔架和基础总造价最小的招标规则,要求采用一体化试验设计方案找到全局最优设计。