我国海上风电资源丰富，开发利用潜力巨大。随着“双碳目标”的加速落实，“十四五”时期，我国海上风电开发将迎来历史性发展，显著促进能源利用方式向低碳转型发展。2021年新增海上风电装机容量全球占比80%，累积装机量为25.9GW，超越英国跃居世界第一。同时，随着2022年中央财政全面取消对海上风力发电的补贴，从国家层面，风力发电将全面进入平价时代。

 

不过，面对机遇的同时，我国海上风电的发展依然面临诸多瓶颈问题和挑战。海上风电资源的勘查和评估、海上风电机组大型化、深远海及漂浮式海上风电、重大装备的国产化、产业链的协调发展、多元融合模式的创新、“平价时代”机遇与挑战等，都是海上风电产业链亟需面对和解决的课题。海上风电向深远海发展势在必行，传统风电机组基础机型增大，甚至超出现有加工、运输和施工装备的能力。因此，研发结构简单、性能优越、施工简便、经济可行的新型风机基础对风电开发具有重要意义。

 

我国地处亚欧大陆东隅，邻接太平洋，由北向南依次被渤海、黄海、东海和南海环绕。我国近海风能资源丰富，具有海底地形变化大，地质条件复杂，岩层埋深浅、变化大，覆盖层土质差等特点，且尤以东南沿海为典型。这些因素综合导致海上风电平台需采用嵌岩式基础、施工难度极大；同时，选择合适的数值分析软件服务于海上风电场设计至关重要。

图 1：海上风电常见的基础形式

 

浙江中科岩石研发工程有限公司作为美国ITASCA公司在华设立的唯一分支机构，近年来积极参与国内外海上风电的装机热潮。随着ITASCA系列软件FLAC3D服务过的海上风电机组基础设计咨询项目越来越多，它在海洋岩土工程领域的应用越来越广泛、使用频次越来越高、且扮演的角色也越来越重要。下图为使用FLAC3D建立的几种典型风电机组基础形式，在海上风电机组基础设计过程中，FLAC3D有如下优势：

1.       采用显式有限差分技术，数值分析过程高效且收敛性好

2.       海洋岩土以及桩土之间的塑性破坏和塑性流动模拟效果好

3.       岩土体本构模型库丰富，数值计算结果可靠性高

 

图 2：海上风电常见基础形式的数值模型

 

根据不同的研究场景与目标，应选取合适的岩土体本构模型以描述土体在不同作用条件下的力学响应特征。常见的本构模型有摩尔库伦模型 (Mohr-Coulomb Model)、修正剑桥模型 (Modified Cam Clay Model)、小应变硬化模型 (Hardening Soil Small Strain Model) 以及砂土液化模型 (NorSand Model) 等。

 

桩-土间相互作用可采用实体单元间界面(Interface)或者结构单元(Liner或者Pile)表面的耦合弹簧(Coupling spring)来模拟。其中，使用结构单元表面的耦合弹簧模拟桩-土间相互作用是一种更为高效的方式。该弹簧可以模拟桩身表面法向和切向的相互作用，如摩擦和桩土分离等，如图 3所示。Liner结构单元模拟桩土相互作用通过设置Liner结构单元以下属性实现：

1.       法向连接弹簧：法向刚度kn 和抗拉强度ft

2.       剪切连接弹簧：切向刚度ks、粘结强度c、残余粘结强度cr以及摩擦角Φ

图 3：理想情况下网格Liner结构单元节点接触面计算模型

 

关于ITASCA软件在海上风电项目的应用，我们将在未来几期的推文中给大家带来更多的内容，敬请期待！

 

更多关于岩土体本构模型的控制方程、关键参数取值、适用场景和特征以及结构单元的特征可以在FLAC3D的用户手册中查阅：https://www.itascacg.com/software/support/documentation

 

​