宋 础
上海勘测设计研究院有限公司
近海资源开发的不断推进使海洋可用空间愈加拥挤、用海矛盾日益突出、生态保护迫在眉睫，因此，海洋牧场与其他用海方式融合协调发展的需求更加强烈［1,2］。近年来，我国海上风电发展迅猛，正向着规模化推进，如何利用海上风机基础结构为各类海洋牧场设施的布置提供便利条件，实现使用海域的分层立体开发，是集节约用海、实现生态和效率并举、产业融合发展的重要举措［3］。
针对海洋牧场与海上风电融合发展模式，相关学者进行了一系列研究工作。杨红生等［4］阐述了海洋牧场和海上风电融合发展的必要性以及融合发展的关键科学问题、亟待解决的技术瓶颈与重点研究内容，并提出了融合发展对策与展望。莫爵亭［5］等通过海洋环境监测数据，科学地评价了当前海上风电建设海域与海洋牧场生态发展的可行性。曾晨［6］总结了海上风电与海洋养殖之间进行产业兼容的可行性与优势。现阶段，海洋养殖设备与海上风电结构的融合发展尚处于可行性研究阶段。风机基础为高耸结构，整个系统往往承受较大的水平力及倾覆弯矩，养殖网箱设备的系泊载荷会对风机基础产生明显的附加影响。因此，需要进行风机荷载、浪流荷载、养殖设备系泊荷载联合作用下的风机基础结构安全性分析。
本文选取水深适应能力强的导管架基础风机为研究对象，考虑养殖设备系泊荷载对基础结构的影响，结合海上风电场区的海洋水文、地质情况，对基础结构稳定性和安全性进行综合分析研究，研究成果可用于指导“风渔互补”组合结构设计。
导管架基础及组合结构由一个边长为10 m 的正方体养殖网箱及导管架基础组成，两者通过8 个系泊点相互连接（见图1）。导管架基础的斜撑杆采用“X”型连接形式，均由圆形钢管焊接而成，钢管桩为2.5 m，壁厚30～50 mm，钢管桩入土深度约90 m。基桩沿着半径24 m的外接正四边形布置。网衣采用超高分子量聚乙烯，密度为964 kg/m3，弹性模量为2.06E11 Pa，网目尺寸为6 cm，网线直径3 mm。
图1 导管架基础及组合结构三维模型图
2.1 网箱下潜深度的影响
海上风电导管架基础整体受力情况与养殖网箱的布设位置关系密切，因此需要进行网箱下潜深度对导管架基础影响的敏感性分析。本研究考虑了网箱上系泊点位于水面、下潜10 m、下潜20 m时结构整体的受力情况（如图2所示）。
图2 网箱不同下潜深度示意图
网箱不同下潜深度对应的系泊力见图3。可以直观看出，随着网箱布置位置的降低，系泊力大幅度减小，这与网箱受波浪影响由水面向海底依次减弱有关。
图3 网箱不同下潜深度对应的系泊力
海上风电导管架基础设计的通常思路为：首先需通过调整桩间距及各杆件的直径、壁厚，使杆件应力比（UC 值）满足要求，而后基于桩土点荷载复核桩长、桩径及壁厚。对于导管架基础而言，使各杆件的应力满足要求，是一个首要且关键的设计过程。基于此，在探讨导管架基础杆件应力变化的基础上，开展养殖网箱下潜深度对导管架基础影响的敏感性分析。图4 为不同养殖网箱下潜深度对应的杆件UC图（100%海生物附着度）。
图4 不同养殖网箱下潜深度对应的杆件UC图（100%海生物附着度）
为保证经济性与安全性兼容并蓄，导管架基础杆件UC值通常控制在0.8以内。在杆件云图中，红色标记指示了UC 应力达到0.8 以上的区域。由图4 可知，养殖网箱的存在对导管架基础杆件受力产生了较大的影响。随着网箱布设位置从水面向海底移动，导管架基础各杆件的应力大幅度降低。详细而言，网箱布设在水面上时，导管架基础大量杆件UC值超过1，出现失效状态；
网箱下潜10 m方案桩土点附近杆件受力最大，UC 值达到0.979，弦杆最大值次之，达到0.872；
网箱下潜20 m方案，靠近桩土点附近的杆件UC 值为0.804，弦杆最大UC值仅为0.761，结构整体受力状态良好。这是由于网箱布置位置越低，受水面波浪扰动较小，系泊力对泥面倾覆弯矩的力及力臂越小，对结构整体受力越有利。
2.2 网箱海生物附着度的影响
海生物附着在网箱及导管架基础上大量繁殖会严重影响构件功能的正常发挥，一方面由于海生物的附着，结构所受载荷的尺寸增加，另一方面对于养殖网箱而言，网衣间隔密集，大量海生物附着会严重阻塞网箱附近海水流动，直接改变了网箱受力状态。因此，有必要开展养殖网箱海生物附着度对导管架基础-养殖网箱组合结构整体受力影响的敏感性分析。
图5给出了水面系泊方案中不同海生物附着度对应的系泊力。可以明显看出，网箱系泊力值随着海生物附着度的减弱呈现倍数级减小这是由于整个网箱结构与海生物增长速度最严重的浪溅区、水位变动区高度重合。
图5 水面方案不同海生物附着度对应的系泊力
图6 为水面方案中，不同海生物附着度对应的杆件UC 分布，100%海生物附着度时，大量导管架杆件呈现失效状态，而当海生物附着度降至50%，杆件整体受力状态得到明显改善，仅靠近桩土点位置处的杆件失效，底层弦杆应力最大值为0.923，处于临界危险状态。
图6 水面方案不同海生物附着度对应杆件UC图
图7 为下潜10 m方案中，不同海生物附着度对应的系泊力，网箱系泊力值随着海生物附着度的减弱同样出现大幅度减小。
图7 下潜10 m方案不同海生物附着度对应的系泊力
图8 为网箱下潜10 m方案中，不同海生物附着度对应的杆件UC 分布，100%海生物附着度时，靠近桩土点位置处的杆件最大UC值为0.979，底层弦杆次之，为0.872，其余部位杆件应力均处在安全范围内。对于下潜10 m 方案海生物附着度为50%时，杆件整体受力状态得到明显改善，靠近桩土点位置处的杆件应力最大值为0.817，结构整体受力状态良好。对于下潜10 m 方案海生物附着度为50%时，可通过适当增加桩土点杆件壁厚的方式改善结构应力状态。
图8 下潜10 m方案不同海生物附着度对应杆件UC图
3.1 导管架基础加固设计
上节已经验证，网箱布置位置越低对结构受力越有利。为了探索网箱布置位置的上限，本节对下潜10 m方案开展结构加固设计及分析。实际操作条件下，往往采取多种干预措施抑制海生物生长或对附着的海生物进行定期清理，因此本文仅选取50%海生物附着度而不是极端的100%附着度。该工况对应的桩土点杆件UC值为0.817，通过适当增加靠近桩土点位置杆件（杆件总长3.04 m）的壁厚，使组合结构处于较安全的状态。加固设计方案与导管架基础原始设计方案工程量及UC值对比见表1。
表1 加固前后主体工程量及最大UC值对比表
经计算，桩土点杆件壁厚增加0.5 cm 时，工程量增加5.2 t，桩土点杆件UC 值由0.817 降至0.780，加固效果良好，后续对比计算基于加固方案展开。
3.2 竖向承载力计算
桩基竖向荷载计算中土层的侧阻和端阻数据采用地质报告提供的数值。计算结果见表2，桩基竖向承载力均满足设计要求。
表2 加固前后桩基承载力对比表（KN）
3.3 变形计算
用P-Y曲线法进行结构水平变形计算，基础的水平变形计算结果见表3。风电机组基础顶在极端环境条件下倾角的控制标准tanθ≤0.0043。计算结果表明，导管架基础均满足设计要求。
表3 加固前后水平变形计算结果对比表
3.4 结构杆件应力计算
根据荷载系数抗力法［7］，对导管架基础进行结构应力计算。采用海洋工程专用设计软件SACS进行计算分析，计算结果见表4。结构应力均满足设计要求。
表4 加固前后杆件应力比计算结果对比表
3.5 结构疲劳计算
对于导管架基础与养殖网箱组合结构，海上风电导管架基础除了承受波浪与风机疲劳，还将承受由于网箱运动带来的系泊疲劳荷载。依据波浪散布图计算波浪谱疲劳，风机疲劳荷载由风机厂家提供。节点疲劳计算结果见表5。
表5 节点疲劳计算结果
由表5 可知，导管架基础节点的浪致疲劳由水面向两端递减，风机疲劳荷载施加在导管架基础顶端，越靠近顶层的节点风致疲劳值越大，网箱系泊疲劳荷载值较小，靠近网箱系泊位置节点的疲劳值稍大。整个导管架基础各节点疲劳最大值出现在二层弦杆节点上为0.741，满足疲劳设计要求。疲劳计算结果位置索引示意图见图9。
图9 疲劳计算结果位置索引示意图
本项目开展了“风渔互补”组合结构性能研究，运用数值模拟手段，从结构设计角度出发，论证了海上风电与海洋养殖融合发展的可行性，得出如下结论：
1）系泊荷载随着养殖网箱位置的下移及海生物附着度的降低均出现大幅减小。
2）从结构受力角度出发，网箱布置位置越低对结构受力越有利。当网箱布置于水面附近时，一方面受波浪扰动较大，系泊荷载较大，同时系泊绳索疲劳危险系数高，另一方面整个网箱结构与海生物增长速度最严重的浪溅区、水位变动区高度重合，不利于控制海生物生长及海洋环境腐蚀对结构的影响。
3）可通过增加薄弱部位（尤其是桩土点位置）的杆件壁厚，减弱网箱养殖设备系泊载荷对导管架风机基础的影响，提高组合结构的安全性。
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