福建省海上风电场示范性项目海上测风塔基础设计

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
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。
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°。
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） 。
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。
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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。
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：
Sd = γG SGK + γPH SPH + ΣψQi γQi SQik
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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
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：
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：
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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
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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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） 。
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。
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
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。