响水风电场海上测风塔设计与施工

响水风电场海上测风塔设计与施工

水利水电技术　第40卷　2009年第9期

响水风电场海上测风塔设计与施工

邢占清

1,2

,杨　锋

1,2

,赵卫全

1,2

(11中国水利水电科学研究院,北京　100038;21北京中水科水电科技开发有限公司,北京　100038)

摘　要:结合响水风电场海上测风塔的设计及施工,分析了测风塔设计工况、计以及海上桩基施工工艺,。关键词:海上测风塔;基础;钢管桩;测桩;中图分类号:TM614(253)　　　　文献标识码:B2()0920081205

DesignandconstructimetertowerforXiangshuiWindFarm

,YANGFeng,ZHAOWei2quan

1,2

1,2

1,2

(1IWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing　100038,China;

21BeijingIWHRTechnologyCo1,Ltd1,Beijing　100038,China)

Abstract:BasedonthedesignandconstructionoftheoffshoreanemometertourforXiangshuiWindFarm,thedesignoperationcondition,designload,marinecorrosion2proofandconstructiontechnologyforpilefoundationofoffshoretourareanalyzedhere2in1Thesuccessfulexperiencesfromboththedesignandconstructioncanbeprovidedasthereferencesfortheconstructionsofoff2shorewindfarmandthesimilarproject1

Keywords:offshoreanemometertour;pilefoundation;steelpipepile;pilemonitori;XiangshuiWindFarm

1　引　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10m高度风能资源技术可开发量为2197亿kW,近海可开发和利用的风能储量约715亿kW,我国海上风电具有大规模开发的潜力,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

WaterResourcesandHydropowerEngineeringVol140No19

上风资源数据的最直接方法就是建立海上测风塔。

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响水海上测风塔的设计与基础施工情况进行总结,可为类似工程提供参考。

2　测风塔设计

211　地质水文情况

根据勘探资料,黄海北部海域的典型地质分层为:①层淤泥质粘土,厚17160m;②层粉砂,厚3190m;③层粉砂,未揭穿,为本工程收稿日期:2009205231

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划课题“近海风电场选址及风电

(2006BAA01A24);“机组运行、维护技术开发”十一五”

国家科技支撑计划课题“近海风电机组施工、测试专用设

(2006BAA01A27)。备的研制”

作者简介:邢占清(1981—),男,内蒙古卓资人,工程师,博士研究

生。

81

响水风电场海上测风塔设计与施工

邢占清,等∥响水风电场海上测风塔设计与施工

的基桩持力层。各土层抗压极限侧阻力标准值

qsik和极限端阻力标准值qpk见表1,工程水文条件

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,海上测风塔采用钢管桩基础。213　设计参数及荷载组合

见表2。

表1　各土层抗压极限侧阻力标准值qsik

和极限端阻力标准值qpk

层号①

②③

岩土名称淤泥质粘土粉砂粉砂

抗压极限侧阻力标准值qsik/kPa

205576

极限端阻力标准值qpk/kPa

——

3500

,建设及运行期间,设计时必须考虑多0155kN/m作为运行

2

工况风压,12级台风(风压0179kN/m)为设计工况

2

风荷载,13级台风(风压为0198kN/m)为结构内力

2

表2　工程水文条件

编号

123

项目潮汐海流波浪

详细说明

平均高潮位4192m,平均低潮位1102m,3180m

以潮流为主,强浪向111m,最大浪高4校核工况风荷载。21311　风荷载

212　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。根据近海风能特点及结构受力要求,本工程采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,需水下浇筑混凝土,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

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风荷载的标准值按下式计算

μμμr (1+μ(1)Wk=βW0 D Z s Z e)

考虑近海地区,按A类地貌考虑,风振系数按钢结构考虑βZ=117,风结构体型系数μs=016,风荷载扩大系数μe=0,风压高度变化系数μZ采用指数

α2形式,μ,α=0112,风重现期调整系数Z=(x/H)μr=110。

21312　波浪力

(JTJ213—98)计算波浪对根据《海港水文规范》

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

f=fD+fi=CD→

→

γW

D u|u|+2

πD4γCM W49t

(2)

式中,CD为阻力系数;CM为惯性力系数。

波浪力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1%波高。根据不同的风荷载,选取相应的波浪参数计算设计波浪力。21313　潮流力

(JTJ213—98)计算设计流根据《海港水文规范》

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速平均值的潮流对基础的作用力。根据相关资料,流动平均流速初步选取214m/s。

21314　船舶(或漂浮物)撞击力

按照海洋构筑物常用的公式设计船舶碰撞荷载

P0=V L/1100

3

设计单桩承载力为1970kN;结构在运行工况考虑船舶撞击力应力满足要求:(1)作用方向最大压应力177MPa,最大拉应力612MPa;(2)作用方向最大压应力160MPa,最大拉应力518MPa。结构在校核工况下应力满足要求:(1)作用方向最大压应力114MPa,最大拉应力11MPa;(2)作用方向最大压应力153MPa,最大拉应力14MPa。内力计算结果见图1～图2。

经计算分析,承台采用3cm厚钢板,并在其下加强布置呈“田”,承台与桩通料(>Pa)。52

(3)

经调研取当地较常出现的渔船进行设计,船速V

取其正常航行速度3节(约115m/s),船长L取12m,并考虑112的安全系数,计算得到设计船舶撞击力为200kN。

各工况均考虑相应的风、浪、流荷载作用,并在运行工况下考虑船舶撞击力作用。风、浪、流等荷载考虑2种不同的作用方向:(1)垂直与塔架某一侧面;(2)与塔架某一侧面成45°夹角。214　结构受力分析

[1]

钢管桩分析,,底部截面为边长3200,塔架截面随高度逐渐变小,顶部截面为边长为820mm的正方形;基础选用Q235级<600mm壁厚16mm的钢管桩。

,为确保测风塔在正常测风期内不发生严重锈蚀,保证结构安全使用,需对钢结构进行防腐设计。

海上测风塔根据其暴露条件可分为大气区、浪溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区等腐蚀区带,其中浪溅区和潮差区腐蚀最严重,其次是海泥交界处下方区域。

不同的环境条件和暴露条件有不同的腐蚀规

图1　运行工况(考虑船舶撞击力)结构第一主应力分布(单位:Pa

)

图2　校核工况结构第一主应力分布(单位:Pa)

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律,一般情况下应采取相应的防腐、保护技术措施。常用的防腐方法有热浸锌法、热喷铝(锌)复合涂层法、涂层法和阴极保护法。

本工程为方便结构加工制作,防腐按塔架、承

[2]

台、桩等部分进行要求,具体措施为:(1)钢管桩、钢承台、其他基础部分受力构件及下部515m的钢塔架按015mm/年的腐蚀速度预留腐蚀余量;(2)泥面下7m以上部分钢管桩,无机富锌环氧底漆2层厚75μm,环氧中间漆2层厚75μm,聚氨酯面漆2层厚50μm,漆膜干膜总厚度不小于20μm;(3)承台、上部塔架及其他钢结构采用热镀锌防腐,其镀锌

2

量不小于275g/m。

锚自航驳,按照前述方法起桩;自航驳离开后,打桩船再通过调节其4根锚绳靠近已打好的桩,重新测量定位,开始打桩。

施工实践表明,所选用的船舶配合方法统筹安排较为合理,适合本工程。31113　打桩监测

测风塔采用钢管桩基础,且桩较少(4根),施打过程不仅需监测桩身完整性,更要对桩基承载力进行分析判断。因此,加强基桩施工过程中的质量控制和施工后的质量检测,[3]

,,。高应变法是在桩顶沿轴向施加冲,使桩产生足够的贯入度,实测由此产生的桩身质点应力和加速度的响应,通过波动理论分析,判定单桩竖向抗压承载力及桩身完整性。高应变动力检测不仅能够有效地确定桩身结构完整性,而且能快速判定桩的承载力,省工、省时,节约费用。本次桩基检测采用PAK高应变桩基检测仪检测。

检测要求参照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003),考虑到被检桩并非竖直桩,有一定的斜度,同时参考了美国的ASTM高应变动力检测标准(ASTMD4945),实际提供各桩的轴向抗压承载力。检测前的钢桩桩顶的高度自水面起约为8m,检测用的力传感器和加速度传感器距桩顶约1m,打桩锤重128kN。

打桩检测结果表明:桩身应力主要以受压为主,最大压应力低于150MPa,在Q235钢材最大允许压应力控制范围内,对桩身不会造成屈服或破坏影响;除靠近桩顶位置接桩处阻抗反射较强外其它桩身位置完整性较好;通过CASE法和CAPWAP法分析,桩身承载力达到了3000kN,大于设计承载力(1970kN),满足设计要求。312　承台吊装及塔架安装

3　测风塔施工

311　基础施工31111　桩基施工

、运桩船、抛

锚船等。,打桩船必须配备合适的桩锤,选用合适的施工工艺,尽可能提高沉桩效率,且应具有良好的可靠性。

打桩船沉桩的施工顺序为:

起桩

锤击沉桩

停锤

、移位

立桩

插桩

……

下一根桩起桩

搭设围囹。打桩船锤击沉桩约需20min/根,收锤阶段实测贯入度约为110cm。打桩过程贯入度变化规律与勘探地质分层较为吻合。基础施工表明,所选的施工设备和施工工艺较为合理,勘探资料准确。31112　施工船舶配合及安全控制措施

海上施工受风、浪、流影响较大,施工期间自航驳要运桩给打桩船,且要预防船舶与打好的桩发生碰撞。因此,各种船舶施工期间的配合需制定详细的作业计划和安全控制措施。

打桩船由拖轮运至施工点附近,采用八字形式抛锚,每个锚上设立浮漂。自航驳停泊在打桩船附近,由于外海作业受风浪影响较大,打桩船和自航驳间距保持在500m左右,自航驳亦设4根锚缆。

施打第一根桩时,打桩船抛锚至预定桩位,自航驳起锚,行至打桩船打桩架一侧,将打桩船上的2根缆绳固定在自航驳上,通过收紧缆绳,令两船紧紧相靠且使其中心线保持互相垂直;打桩船下放吊钩,开始起桩;钢管桩水平脱离运桩驳船并至一定高度后,松开系在自航驳上的缆绳,让自航驳回至原位,打桩船准备打桩。施打其余桩时,打桩船通过调节其4根锚绳远离已打好的钢管桩,同时起

84

待桩打完后,在桩间搭设加固平台进行围囹加固。现场焊接桩间斜支撑、平台托板及加劲板,并严格控制托板高程。焊接工作结束后起重船就位,先将钢承台吊至安装位置上方50～60cm左右,缓缓下降,人工辅助控制承台位置,承台套管对准桩后下放使其就位,检查调整承台水平度,满足要求后焊接承台套管与托板,安装护舷与爬梯。

塔架结构在工厂预制,采用自升式方法安装。

(下转第87页)

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黄立维,等∥海上测风塔基础与承台灌浆连接技术

工程区域台风资料进行充分考虑,在校核工况风荷

2

载(13级台风,风压为0198kN/m)作用下,同时考虑相应的风、浪、流及船舶(或漂浮物)撞击力等荷载作用,对灌浆连接段进行有限元计算分析。以上计算结果表明,灌浆结石体上节点应力分布比较均匀,与承台套筒接触的灌浆结石体未发生较大的应力分布,最大VonMises应力出现在与钢管桩接触的灌浆结石体上,其数值为35126MPa。采用水泥基高强无收缩灌浆料进行灌注,能够满足连接段对灌浆材料的要求,在该工况下能够保证测风塔的安全。

当排气口有浆液溢出后,停止灌浆;(5)按上述方法依次灌注,整个平台灌浆结束后,进行孔口封盖,洒水养护。

连接段灌浆施工结束后,待灌浆结石体达一定龄期后,进行测风塔上部塔架的安装。在海上复杂的荷载作用下,测风塔一直保持正常的运行,并经受住了多次大于13m/s海风、瞬间风速达2912m/s的考验。由此可见,本海上测风塔基础结构与上部承台采用灌浆连接的方式是可行和可靠的。

4　结　语

(1)、螺栓连接和

3　连接段灌浆施工

根据测风塔的施工工序要求,在桩基施工拌机搅拌浆液,要求控制在01141,上的淡水,。其主要施工步骤如下:(1)利用施工船上的汽车吊将砂浆搅拌机吊装在承台中部,将出浆口对准承台上的灌浆口;(2)按照逐段振捣法进行灌浆,浆液搅拌均匀后,向连接段的环腔内进行灌浆;(3)当搅拌桶内砂浆灌注完毕,停止灌浆泵,对已灌入的浆液进行振捣,排出空气,使浆液密实;(4)重复以上操作,

,选用灌浆连。

(2)水泥基高强灌浆料具有高强度,抗疲劳强度大,与钢的粘聚力大等物理力学性能,且价格比较适中,适合用于连接段灌浆;通过有限元进行计算分析,连接段的结构设计合理,采用水泥基高强无收缩灌浆料进行灌浆连接,在计算工况条件下,能够保证测风塔的安全。

(3)测风塔已安全运行1年,采用灌浆连接的方式对钢管桩基础与承台进行连接,实用有效,可为类似海洋工程的建设提供参考。

(责任编辑　欧阳越)

(上接第84页)

20722161

[2]　杨志方1东海大桥防腐蚀需求与现状[J]1世界桥梁,2004,

(增刊)1

[3]　吴绵拔1桩基检测概述[J]1土工基础,2001,15(3)1

4　结　语

(1)测风塔结构设计充分考虑了海上施工的特点,

计算分析选择了合理的设计荷载,力求结构受力合理、造价经济、施工方便可行。实践证明测风塔设计适合该建设海域,方案可行。

(2)由于受海上恶劣环境影响,测风塔施工工期长、难度大。在设计时根据地质情况和工期紧张的特点,合理地选择了海上施工设备及相应的施工工艺,基础施工整体安排及船舶配合经验可供类似工程参考。

(3)通过该工程获得了外海施工的宝贵经验,但

(责任编辑　陈小敏

)

是也深刻地认识到外海环境较为恶劣,风、浪、流对施工船舶影响较大。参考文献:

[1]　殷万寿1深水基础工程[M]1北京:中国铁道出版社,2003:水利水电技术　第40卷　2009年第9期

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