文 | 上?？睖y設(shè)計研究院有限公司 黃俊

概況

海上風(fēng)電作為可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵方向，我國將其劃入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。我國第一座海上風(fēng)電場? 上海東海大橋海上風(fēng)電場從2010年實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電至今，已經(jīng)安全運行10年。10年間，風(fēng)電機組單機容量逐漸增加（從3MW到10MW），建設(shè)場址從灘涂到近海，已經(jīng)開始走向深遠海。中國海上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，反之，產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展又推動著風(fēng)電技術(shù)的不斷創(chuàng)新和升級。

中國海域特點

雖然我國擁有的海上風(fēng)能資源豐富，但是臺風(fēng)、海冰、地震、軟土地質(zhì)、基巖等，也給設(shè)計和建設(shè)帶來巨大難度?？梢哉f，中國海上風(fēng)電的建設(shè)條件最復(fù)雜，最具有挑戰(zhàn)性。

一、風(fēng)能資源

我國沿海地區(qū)大部分近海海域90m高度的年平均風(fēng)速在7～8.5m/s之間，適合大規(guī)模開發(fā)建設(shè)海上風(fēng)電場。特別是臺灣海峽，年平均風(fēng)速基本在7.5～10m/s之間，局部區(qū)域的年平均風(fēng)速可達10m/s以上。然而，我國的福建、廣東、臺灣地區(qū)每年都要經(jīng)歷多場臺風(fēng)，陣風(fēng)風(fēng)速可超70m/s，高風(fēng)速必然對風(fēng)電機組、基礎(chǔ)提出高要求。

二、海洋水文

我國北方海域冬天海面結(jié)冰，這除了對結(jié)構(gòu)的材料性能提出更高要求外，海冰長期作用在結(jié)構(gòu)上，還會引起冰激振動，從而降低結(jié)構(gòu)的安全使用壽命。通常，安裝于該海域的設(shè)施需要設(shè)置專用的抗冰措施（圖1）。

我國南方海域受臺風(fēng)影響，常伴隨著大風(fēng)大浪，部分海域的最大波高超過20m，不僅極大影響海洋結(jié)構(gòu)物的安全性，同時也影響海上運維工作。

三、工程地質(zhì)

我國沿海地區(qū)地質(zhì)主要以軟土地基為主（以江蘇和上海地區(qū)為代表）。雖然在該地質(zhì)條件下建設(shè)海上風(fēng)電項目時，海上施工難度低，但表層土承載能力較差，導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程量增加。另外，隨著近年福建和廣東海上風(fēng)電的大力開發(fā)，業(yè)界認(rèn)識到，該區(qū)域除了風(fēng)能資源好外，也存在臺風(fēng)和大區(qū)域的淺覆蓋層地質(zhì)（以福建興化灣、福建莆田、廣東南澳和陽江等海域為代表）。淺覆蓋層地質(zhì)意味著基礎(chǔ)樁基需要嵌巖施工（圖2），或是必須采用新型的淺基礎(chǔ)型式。

綜上所述，中國海域的海上風(fēng)電建設(shè)條件遠比歐洲復(fù)雜。針對中國海上風(fēng)電場的建設(shè)特點，選擇合理的基礎(chǔ)型式十分重要。

基礎(chǔ)特點與運用

基礎(chǔ)是海上風(fēng)電最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，合理的基礎(chǔ)型式不僅能提升項目收益率，促進施工高效性，同時也能保證項目的安全性和可靠性。當(dāng)然，基礎(chǔ)選型除與建設(shè)場址的海域特點密切相關(guān)，還應(yīng)考慮船機設(shè)備、單位建造能力。

一、基礎(chǔ)型式

基礎(chǔ)型式按照受力特點主要分為樁基礎(chǔ)、淺基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)，主要類型見表1。

在明確風(fēng)電場的水深和地質(zhì)條件等基本情況后，便可對風(fēng)電機組基礎(chǔ)進行初步選型，見表2。

二、基礎(chǔ)特點與運用

1. 高樁承臺基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)由基樁和混凝土承臺組成，剛度較大，抗水平荷載性能較好，適用于中等水深且對海床地質(zhì)條件要求不高的條件。其采用傳統(tǒng)的港口工程施工設(shè)備和施工工藝、施工難度較小，大多數(shù)海上施工單位都有能力施工。

我國第一座海上風(fēng)電場? 上海東海大橋海上風(fēng)電場（圖3）位于東海大橋東側(cè)的東海海域，工程海域水深9.9～11.9m，以軟土地基為主，該項目總裝機容量為20.4萬千瓦，安裝3.0MW和5.0MW風(fēng)電機組。基于當(dāng)時的施工設(shè)備能力，該場址采用斜高樁承臺基礎(chǔ)。

福建興化灣樣機試驗風(fēng)電場（圖4）工程海域水深約5～16m，以淺覆蓋層地質(zhì)為主，基巖面埋深較淺。項目總裝機容量7.74萬千瓦，安裝7種不同廠家的機型，單機容量在5.0～6.7MW。該場址采用大直徑直高樁承臺基礎(chǔ)。

2. 單樁基礎(chǔ)

它為我國海上風(fēng)電采用的最主要基礎(chǔ)型式之一。單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相對簡單，主要采用大型沉樁設(shè)備將一根鋼管樁打入海床。在鋼管樁上設(shè)置靠船設(shè)施、鋼爬梯及平臺等，鋼管樁頂部通過灌漿或直接通過法蘭連接頂部塔筒。單樁基礎(chǔ)一般采用單根直徑4.5～9.0m鋼管樁定位于海底，承受波流荷載及風(fēng)電機組荷載。為防止樁周沖刷，沿單樁一定范圍內(nèi)進行防沖刷處理。

三峽新能源大連市莊河III海上風(fēng)電場（圖5）是我國已建的最北海上風(fēng)電場，平均水深約20m，以軟土地基為主，局部機位有基巖和溶洞存在。該項目總裝機容量為30萬千瓦，安裝3.3MW和6.45MW風(fēng)電機組，該場址主要以單樁基礎(chǔ)為主，由于受海冰影響，基礎(chǔ)安裝抗冰錐結(jié)構(gòu)。

表1 風(fēng)電機組基礎(chǔ)的主要類型

表2 風(fēng)電機組基礎(chǔ)選型建議表

3. 多腳架式基礎(chǔ)

多腳架結(jié)構(gòu)根據(jù)樁數(shù)不同可設(shè)計成三腳（圖6）、四腳等基礎(chǔ)，多根樁通過剛架與中心立柱連接，風(fēng)電機組塔架連接到立柱上形成一個結(jié)構(gòu)整體，多腳架結(jié)構(gòu)的剛度大于單樁結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)整三腳架來保證中心立柱的垂直度。

龍源電力集團在如東潮間帶建設(shè)的示范風(fēng)電場，潮間帶漲潮時平均水深只有1.5m，風(fēng)電場共安裝了9個國內(nèi)風(fēng)電機組生產(chǎn)廠家的16臺海上試驗機組，單機容量為1.5～3.0MW，總?cè)萘?.2萬千瓦。該場址以軟土地基為主。

4. 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)借鑒了海洋石油平臺的概念，其上部采用桁架式結(jié)構(gòu)，當(dāng)水深到一定深度后，其剛度較高的特點就能從經(jīng)濟性上反映出來。但導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)交叉節(jié)點較多，結(jié)構(gòu)建造復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疲勞敏感性高。

三峽新能源陽西沙扒一期30萬千瓦海上風(fēng)電場（圖7），場區(qū)水深在27～32m之間，共安裝55臺單機容量5.5MW的風(fēng)電機組，該場址表層土為軟土地基，埋深一定深度后存在基巖。該場址采用了部分導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

5. 負(fù)壓（吸力）筒基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)適用于海床為砂性土或軟粘土的淺海域，靠負(fù)壓進行安裝，靠自重及筒側(cè)阻力使基礎(chǔ)穩(wěn)定?；A(chǔ)底部為吸力筒結(jié)構(gòu)，負(fù)壓筒沉放于海床面后進行抽水和抽氣，其對負(fù)壓筒沉放就位、調(diào)平、密封、糾偏等技術(shù)要求較高。

三峽新能源響水20萬千瓦海上風(fēng)電項目（圖8），場區(qū)水深8～12m。共安裝37臺單機容量為4MW風(fēng)電機組和18臺單機容量為3MW風(fēng)電機組。該場址以軟土地基為主，并在風(fēng)電場內(nèi)運用了兩臺吸力筒試驗基礎(chǔ)。

6. 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)主要依靠自重來抵抗風(fēng)荷載和波浪荷載產(chǎn)生的作用力，維持穩(wěn)定，重力式基礎(chǔ)對表層土地基承載力要求較高。該結(jié)構(gòu)可靠，在合適水深條件下，經(jīng)濟性較好。重力式風(fēng)電機組基礎(chǔ)施工所需的設(shè)備類似于重力式碼頭中的沉箱碼頭，國內(nèi)有許多企業(yè)有著豐富的沉箱式碼頭施工經(jīng)驗，不存在相關(guān)的技術(shù)障礙。目前國內(nèi)海上風(fēng)電場還沒有建設(shè)完成的重力式基礎(chǔ)，但是相關(guān)的研究和試驗都在開展。

7. 漂浮式基礎(chǔ)

漂浮式基礎(chǔ)屬于柔性支撐結(jié)構(gòu)（圖9），主要包括錨索、錨定地點、浮箱或壓載箱。漂浮式基礎(chǔ)和錨泊系統(tǒng)的設(shè)計在滿足性能穩(wěn)定的同時，必須兼顧整個系統(tǒng)的設(shè)計成本。就經(jīng)濟性而言，半潛式基礎(chǔ)是利用載重水線面面積通過分布浮力來獲得復(fù)原力矩，結(jié)構(gòu)簡單，而且生產(chǎn)工藝成熟，單位吃水成本較低，經(jīng)濟性較好；張力腿基礎(chǔ)看似結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但是由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生遠大于結(jié)構(gòu)自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力與預(yù)張力平衡，預(yù)張力作用在錨泊系統(tǒng)上，使錨索時刻處于張拉的繃緊狀態(tài)，將會造成錨泊系統(tǒng)和錨固基礎(chǔ)形式設(shè)計的復(fù)雜性。

國內(nèi)漂浮式基礎(chǔ)大都處于研發(fā)階段，目前中國三峽上?？睖y設(shè)計研究院有限公司正在開展漂浮式基礎(chǔ)的施工圖設(shè)計，有望2021年實現(xiàn)我國第一臺漂浮式樣機下海。

小結(jié)

海上風(fēng)電平價時代的即將到來，必將對基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計提出越來越高的要求?；A(chǔ)優(yōu)化除了基于合理的基礎(chǔ)選型外，設(shè)計的方法和規(guī)范支撐也是關(guān)鍵因素。相信，隨著多年來我國在海上風(fēng)電建設(shè)中積累的大量現(xiàn)場資料和經(jīng)驗，必能有效地支撐基礎(chǔ)設(shè)計，將我國的海上風(fēng)電建設(shè)得更好。