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qsik

和极限端阻力标准值qpk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qsik和极限端阻力标准值qpk

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qsik(kPa) 20 55 76 极限端阻力标准值qpk(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/m2作为运行工况风压，十二级台风（风压0.79

kN/m2）为设计工况风荷载，十三级台风（风压为0.98 kN/m2）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(0erZsZkDWWμμμμβ+⋅⋅⋅⋅⋅⋅= （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：

tuDCuuDCfffWMWDiD∂∂⋅⋅+⋅⋅=+=

rrrr

424π

γγ （2）

式中： 阻力系数； 惯性力系数。 −DC−MC

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。 ③ 潮流力：根据《海港水文规范》（JTJ213-98）计算设计流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2.4m/s。 ④ 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：

1100/2320LVP•= （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1.5m/s），船长L取12m，并考虑1.2的安全系数[1]，计算得到设计船舶撞击力为20t。

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：（a）垂直与塔架某一侧面；（b）与塔架某一侧面成45°夹角。 2.4 结构受力分析 钢管桩、承台及塔架部分采用有限元进行结构分析，计算塔架应力和变形，并进行优化。塔架选用变截面四边形结构形式，腹杆为双斜杆式，底部截面为边长3200mm的正方形，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Φ600mm壁厚16mm的钢管桩。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：（a）作用方向最大压应力177MPa，最大拉应力6.2MPa；（b）作用方向最大压应力160MPa，最大拉应力5.8MPa。结构在校核工况下应力满足要求：（a）作用方向最大压应力114MPa，最大拉应力11MPa；（b）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”字形的工字钢加劲肋，承台与桩通过连接段焊接成整体，并在其中灌注高强灌浆料（R28>60MPa）。

图1 运行工况（考虑船舶撞击力）结构第一主应力分布图（单位：Pa） 图2 校核工况结构第一主应力分布图（单位：Pa） 2.5 钢结构整体防腐设计 海洋环境对钢结构的腐蚀很大，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、承台、桩等等部分进行要求[2]，具体措施为：（a）

钢管桩、钢承台、其他基础部分受力构件及下部5.5m的钢塔架按0.5mm/a的腐蚀速度预留腐蚀余量；（b）泥面下7m以上部分钢管桩：无机富锌环氧底漆两层厚75μm，环氧中间漆两层厚75μm，聚氨酯面漆两层厚50μm，漆膜干膜总厚度不小于20μm；（c）承台、上部塔架及其他钢结构采用热镀锌防腐，其镀锌量不小于275g/m2。

3 测风塔施工 3.1 基础施工 （1）桩基施工 桩基施工所需的船舶主要有打桩船、运桩船、抛锚船等。鉴于海上施工的特点，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。经调研分析，打桩船采用“三航桩2#”，桩锤选用D128开口柴油锤，并配900HP拖轮负责移船就位作业；运桩船选用自航驳；抛锚船选用当地常见的渔船。 打桩船沉桩的施工顺序为：起桩→立桩→插桩→锤击沉桩→停锤、移位→下一根桩起桩→…搭设围囹。根据打桩船特点和施工环境，计划测风塔基础施工工期为：准备工作及抛锚1.0d，沉桩施工1.5d，桩支撑结构及托板焊接3.0d，钢平台安装及焊接2.0d，安装爬梯、护舷、护栏1d，临时设施拆除1d，参考相关海上施工经验取气候影响系数2.5，则1个测风塔基础的实际作业工期定为24d。 打桩船锤击沉桩约需20min/根，收锤阶段实测贯入度约为1.0cm。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。 （2）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。 （3） 打桩检测 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，对确保整个工程的