張 濟，何海華，張兆德

（1.浙江揚帆通用機械制造有限公司，浙江舟山 316100；2.浙江海洋大學(xué)船舶與海運學(xué)院，浙江舟山 316022；3.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點實驗室，浙江舟山 316022）

0 引 言

近年來，隨著化石燃料能源逐漸緊缺和雙碳目標(biāo)的提出，全球海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。海上風(fēng)電場有很多優(yōu)點，例如海上的風(fēng)力資源優(yōu)于陸地、海上風(fēng)電場不占用土地資源和噪聲影響較小等。但是，海上風(fēng)電場也有明顯的缺點，例如：受風(fēng)、浪、流和地基等不確定因素的影響，海上風(fēng)機存在很大的安全風(fēng)險；海上施工成本較高，海上腐蝕嚴(yán)重，維護(hù)不便等。［1-2］近年來，我國的海上風(fēng)電場得到了快速發(fā)展，在世界范圍內(nèi)具有很強的影響力，但在技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)備和人員素質(zhì)等方面相對滯后，導(dǎo)致海上風(fēng)機存在很大的安全風(fēng)險，有時甚至?xí)l(fā)生事故，造成人員和財產(chǎn)損失［3］。

海上風(fēng)機通常將風(fēng)力機安裝在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有多種形式，可初步分為固定式和漂浮式2 種［4-6］。2017 年蘇格蘭Hywind 建造的由5 臺Spar浮式風(fēng)力渦輪機組成的風(fēng)電場投入運行，展示了未來商用浮式風(fēng)力發(fā)電場的可行性。我國沿岸的水深較淺，目前采用的海上風(fēng)機絕大部分都采用固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，漂浮式基礎(chǔ)還處在試驗階段［7］。本文列舉并分析各種風(fēng)電基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，展示其特征，分析其優(yōu)缺點和應(yīng)用特點等。在此基礎(chǔ)上，分析風(fēng)機基礎(chǔ)的最新研究熱點和未來發(fā)展趨勢，為風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。

1 風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)電工程的關(guān)鍵組成部分，對工程的安全性和建造成本有重要影響。因此，在建設(shè)海上風(fēng)電場時，會優(yōu)先選擇成本較低、施工方便且安全可靠的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有以下2 種：

1）固定式基礎(chǔ)，包括單樁式、多樁承臺式、導(dǎo)管架式、負(fù)壓桶式和混凝土重力式等類型，多應(yīng)用于水深小于50 m的淺海區(qū)域；

2）漂浮式基礎(chǔ)，又分為半潛式、張力腿式和單柱式等類型。

隨著海上風(fēng)機朝著更深水域和更大容量的方向發(fā)展，各種新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛［8］。

1.1 固定式基礎(chǔ)

1.1.1 單樁式基礎(chǔ)

單樁式基礎(chǔ)由直徑為3.5 ～6.0 m、長度為30 ～40 m的鋼管樁組成，是近海風(fēng)電場中使用最廣泛的風(fēng)機基礎(chǔ)類型，具有結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點［9］。單樁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一種高聳結(jié)構(gòu)，需要較強的抗傾覆能力。隨著水深和風(fēng)力機容量的增加，以及單樁式基礎(chǔ)的直徑和入泥深度的增加，海上打樁的難度和施工風(fēng)險會明顯增加。目前單樁式基礎(chǔ)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外很多大型海上風(fēng)電場中。圖1a為英國London Array海上風(fēng)電場的單樁式基礎(chǔ)。單樁式基礎(chǔ)的施工過程主要分為陸上預(yù)制、碼頭裝載、海上運輸、海上組裝和安裝等4 個階段。單樁式基礎(chǔ)不僅要承受上部結(jié)構(gòu)的重力，而且要抵抗來自風(fēng)、浪和流的橫向動力載荷。單樁式基礎(chǔ)在使用期間面臨的風(fēng)險主要有海流沖刷、結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞和船舶碰撞等。在各種載荷的疊加作用下，單樁式基礎(chǔ)較易發(fā)生故障，從而引發(fā)意外事故，產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

圖1 各種海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式

1.1.2 樁基-承臺式基礎(chǔ)

樁基-承臺式基礎(chǔ)由3 個或更多錨定在海床上的鋼管樁和上部承臺組成。上部承臺分為鋼承臺和混凝土承臺2 種［10］。樁基-鋼承臺式基礎(chǔ)的下部為樁基礎(chǔ)，上部為鋼結(jié)構(gòu)承臺，其優(yōu)點是受波浪力的作用較小，缺點是對地質(zhì)的承載力和打樁精度的要求很高。圖1b 為德國BARD Offshore 海上風(fēng)電場的樁基-鋼承臺式基礎(chǔ)。樁基-混凝土承臺式基礎(chǔ)為我國自主研發(fā)的下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)型式，適用于軟土地基，見圖1c。該基礎(chǔ)由多根樁柱和位于飛濺區(qū)以上的混凝土承臺組成，其中承臺分為常規(guī)樁基承臺和高樁承臺2 種。該基礎(chǔ)的優(yōu)點是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防撞性能好，施工工藝成熟；缺點是施工周期較長，不適用于水深較深的海域。與單樁式基礎(chǔ)相比，多樁承臺式基礎(chǔ)有更強的抗傾覆能力，更好的剛度和穩(wěn)定性。但是，多樁承臺式基礎(chǔ)的成本較高，其安裝過程比單樁式基礎(chǔ)復(fù)雜，且海上運輸過程具有挑戰(zhàn)性。目前多樁承臺式基礎(chǔ)主要安裝在德國特里亞內(nèi)爾風(fēng)電場和阿爾法文圖斯風(fēng)電場等［11］。

多樁承臺式基礎(chǔ)在使用過程中可能會發(fā)生累積變形、波浪爬升、沖刷和疲勞失效，并與船舶碰撞。在循環(huán)載荷的作用下，多樁承臺式基礎(chǔ)的土壤剛度可能會下降，引發(fā)累積變形，從而影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載力和安全性。同時，復(fù)雜海洋環(huán)境下的波浪爬升可能會損壞多樁承臺式基礎(chǔ)［12］。

1.1.3 導(dǎo)管架式基礎(chǔ)

導(dǎo)管架式基礎(chǔ)是一種鋼制空間桁架結(jié)構(gòu)，其載荷由安裝在海床上的樁承擔(dān)。導(dǎo)管架式基礎(chǔ)具有很好的強度、剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能很好地提高承載力和抗傾覆性。然而，導(dǎo)管架式基礎(chǔ)的制作比較復(fù)雜，施工成本較高，適合在水深較深和海洋環(huán)境較惡劣的海域使用［13］。圖1d為德國Alpha Ventus海上風(fēng)電場的導(dǎo)管架式基礎(chǔ)。導(dǎo)管架式基礎(chǔ)的施工過程主要分為陸上制造、碼頭裝載、海上運移、定位安裝和灌漿施工等5 個階段。導(dǎo)管架式基礎(chǔ)是在陸地上制造的，受海況的影響較小，風(fēng)險較小。由于海況復(fù)雜，基礎(chǔ)的海上運輸和海上安裝存在很大風(fēng)險。在使用導(dǎo)管架式基礎(chǔ)過程中，在動態(tài)循環(huán)載荷的長期作用下，導(dǎo)管架式基礎(chǔ)易發(fā)生疲勞失效，焊腳、接頭交叉等薄弱部位會出現(xiàn)裂縫并膨脹，接頭的承載力下降，甚至發(fā)生斷裂；同時，在使用導(dǎo)管架式基礎(chǔ)過程中，存在導(dǎo)管架式基礎(chǔ)與船舶碰撞的風(fēng)險。［14］

1.1.4 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)是海上風(fēng)電場最早使用的基礎(chǔ)形式，一般采用鋼筋混凝土制成，適合在淺層覆蓋層和巖石地質(zhì)條件下使用。重力式基礎(chǔ)靠自重抵抗風(fēng)電機組載荷和各種環(huán)境載荷的作用，一般采用預(yù)制鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充有砂、碎石、礦渣或混凝土等壓艙材料。重力式基礎(chǔ)通過自重保持穩(wěn)定性，其優(yōu)點是安裝方便。然而，重力式基礎(chǔ)的重量和體積較大，其尺寸和成本隨水深的增加呈指數(shù)級增長。重力式基礎(chǔ)主要應(yīng)用于北歐國家的海上風(fēng)電場中，如丹麥的溫德比風(fēng)電場、德國的百年靈風(fēng)電場和瑞典的利爾格倫風(fēng)電場［15］，如圖1e所示。重力式基礎(chǔ)的施工過程主要分為海床準(zhǔn)備、陸上制造、碼頭裝載、海上運移和海上組裝等5 個階段，在施工期間面臨的風(fēng)險包括海底不均勻、漂浮穩(wěn)定性差和在下沉過程中傾覆等［16］。

1.1.5 負(fù)壓桶式基礎(chǔ)

負(fù)壓桶式基礎(chǔ)是一種頂部閉合、底部開敞的倒置桶形結(jié)構(gòu)，主要通過負(fù)壓滲透原理保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，如圖1f所示。負(fù)壓桶式基礎(chǔ)具有安裝方便、無噪聲污染、抗傾覆能力強、成本低和可回收性好等優(yōu)點。2002年和2005 年分別在丹麥的弗雷德里克沙文風(fēng)電場和德國的威廉姆沙文風(fēng)電場安裝了由負(fù)壓桶式基礎(chǔ)支持的海上風(fēng)機；2009 年在丹麥Horns Rev2 風(fēng)電場安裝了負(fù)壓桶式基礎(chǔ)；2014 年在英國北海安裝了2 個負(fù)壓桶式基礎(chǔ)。［17］近年來，我國先后在江蘇響水、江蘇南通如東、福建莆田平海灣和珠海桂山等多個海上風(fēng)電場應(yīng)用了負(fù)壓桶式基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)的施工過程主要分類陸上制造、海上運輸就位和整體安裝等3 個階段。負(fù)壓桶式基礎(chǔ)在使用期間會承受風(fēng)、浪和流等循環(huán)載荷的作用，在幾何突變或焊接區(qū)會產(chǎn)生高循環(huán)應(yīng)力，全鋼負(fù)壓桶式基礎(chǔ)還會存在較大的疲勞風(fēng)險。另外，在波浪和海流的作用下，負(fù)壓桶式基礎(chǔ)周圍會發(fā)生沖刷［18］。

1.1.6 其他固定式基礎(chǔ)

除了上述基礎(chǔ)以外，固定式基礎(chǔ)還包括以下幾種形式。

1）多腳架樁式基礎(chǔ)可根據(jù)樁數(shù)的不同分為三腳基礎(chǔ)和四腳基礎(chǔ)等。以三腳基礎(chǔ)為例，3 根樁通過1 個三角形鋼架與中心立柱連接，風(fēng)電塔架連接到立柱上方，從而形成一個結(jié)構(gòu)整體。該基礎(chǔ)可在陸上預(yù)制，在水下灌漿，一般適用于水深在40 m以下的海域。該基礎(chǔ)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)剛度相對較大，整體穩(wěn)定性較好；缺點是需進(jìn)行水下焊接等操作。圖1g為德國Borkum West 2 海上風(fēng)電場的多腳架樁式基礎(chǔ)。

2）導(dǎo)管架-重力式基礎(chǔ)分為2 種：一種是下部為重力式基礎(chǔ)，上部為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架下部的樁腿與重力式基礎(chǔ)連接，一般通過灌漿連接，如圖1h所示；另一種是下部為導(dǎo)管架式基礎(chǔ)，上部為重力式結(jié)構(gòu)［19］。

3）導(dǎo)管架-負(fù)壓桶式基礎(chǔ)的底部采用負(fù)壓桶形式承載，上部采用導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)作為風(fēng)機基礎(chǔ)［20］，通常采用三樁式或四樁式。與導(dǎo)管架式基礎(chǔ)相比，該基礎(chǔ)用負(fù)壓桶代替鋼質(zhì)摩擦樁，從而節(jié)省成本；與單純的負(fù)壓桶式基礎(chǔ)相比，該基礎(chǔ)具有更大的結(jié)構(gòu)剛度和更好的抗疲勞性能。［21］目前該基礎(chǔ)已在廣東陽江和大連莊河海上風(fēng)電場得到應(yīng)用。

1.2 漂浮式基礎(chǔ)

漂浮式基礎(chǔ)由浮動平臺和系泊裝置組成，主要應(yīng)用于水深較深的遠(yuǎn)海域。其具有靈活性好、易于拆卸和回收利用等優(yōu)點，主要有駁船式、半潛式、單柱式和張力腿式等4 種。根據(jù)錨鏈?zhǔn)芰顟B(tài)的不同，可將前3 種歸類為懸鏈?zhǔn)交A(chǔ)，將最后一種歸類為張緊式基礎(chǔ)（見圖1i）。漂浮式基礎(chǔ)的建造過程是：首先在陸地上制造和組裝；其次運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場；最后與系泊系統(tǒng)連接，在海上進(jìn)行施工安裝。Hywind 蘇格蘭海上風(fēng)電場是世界上第一個浮式海上風(fēng)電場，于2017 年完工并投入運營。2021 年國內(nèi)首座浮式海上風(fēng)電半潛式基礎(chǔ)平臺由三峽集團(tuán)牽頭研發(fā)成功，在廣東陽江完成了海上風(fēng)電安裝測試。該平臺整體型寬為91.0 m，型深為32.0 m，設(shè)計吃水為13.5 m，可很好地應(yīng)對南海復(fù)雜且惡劣的極端海況。漂浮式基礎(chǔ)可應(yīng)用于深水區(qū)域，但其成本較高，且因風(fēng)機結(jié)構(gòu)的重心較高，各類漂浮式基礎(chǔ)都存在穩(wěn)性問題；同時，相對于固定式基礎(chǔ)，漂浮式基礎(chǔ)的運動響應(yīng)較大。［22］此外，漂浮式基礎(chǔ)在使用期間還會面臨疲勞失效、系泊系統(tǒng)腐蝕和與船舶碰撞等問題［23］。根據(jù)相關(guān)資料，海上風(fēng)資源的80%分布于水深超過60 m 的海域［24］。在這樣的海域，固定式基礎(chǔ)幾乎無法應(yīng)用。因此，開發(fā)適用于深水海域的漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)是未來海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢［25］。通過分析各類風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對不同形式風(fēng)機基礎(chǔ)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 不同形式海上風(fēng)機基礎(chǔ)對比

2 風(fēng)機基礎(chǔ)的研究熱點和未來發(fā)展方向

2.1 風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究

海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)除了受自重和風(fēng)載荷的影響之外，還受波浪、海流、腐蝕、沖刷和地基土變化等因素的影響。由于風(fēng)機的重心較高，風(fēng)機基礎(chǔ)的穩(wěn)定性問題尤為突出，主要包括抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性、地基沉降穩(wěn)定性和抗沖刷能力等。

2.2 風(fēng)機結(jié)構(gòu)與海洋環(huán)境因素的相互影響分析

海洋環(huán)境因素與風(fēng)機結(jié)構(gòu)之間存在相互影響。對于固定式基礎(chǔ)，風(fēng)機結(jié)構(gòu)、風(fēng)機基礎(chǔ)和海底土分別受不同形式海洋環(huán)境因素的影響，且不同海洋環(huán)境因素的影響還存在耦合作用；對于漂浮式基礎(chǔ)，考慮其在系泊狀態(tài)下，波流載荷與風(fēng)載荷發(fā)生耦合作用時的動力響應(yīng)。

2.3 極端海況下風(fēng)機和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的極限承載能力分析

風(fēng)、浪、流等多種載荷以不同方式，分別或共同作用在風(fēng)機上部的葉片和塔筒結(jié)構(gòu)上，或通過水面到泥面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傳遞給海底地基，或部分通過系泊系統(tǒng)延伸到海底系泊點。在極端海況下進(jìn)行極限承載力分析時，首先考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性強度，其次考慮結(jié)構(gòu)的屈曲與疲勞問題和地基的承載力，最終確定風(fēng)機和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

2.4 不同運行工況下的風(fēng)機與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

早期我國發(fā)展海上風(fēng)機只是通過基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將陸上的風(fēng)機移到海上，近年來對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并在優(yōu)化過程中將其與風(fēng)機看作是1 個整體，考慮整體結(jié)構(gòu)的動力特性。未來要綜合考慮在不同運行工況下對風(fēng)機、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和海底地基或系泊系統(tǒng)進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計。

2.5 海上風(fēng)電整體安裝技術(shù)

海上風(fēng)電安裝通常采用分體安裝方式實現(xiàn)，采用自升式風(fēng)電安裝平臺或坐底式平臺，分部件或組件進(jìn)行安裝。分體式安裝方式對設(shè)備的要求相對較低，但海上施工工序較多，安裝作業(yè)時間較長，效率較低，主要過程是：在陸上制造基地預(yù)先將風(fēng)機拼裝為整體；利用駁船將風(fēng)機運輸至現(xiàn)場；采用大型浮吊安裝風(fēng)機。采用整體安裝技術(shù)可更好地縮短安裝周期，尤其對于大規(guī)模遠(yuǎn)海風(fēng)電場而言，可有效降低施工成本。

2.6 風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險評估

狀態(tài)監(jiān)測是根據(jù)海上風(fēng)機和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的實時數(shù)據(jù)判斷其工作狀態(tài)。通過安裝在風(fēng)電設(shè)備和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力、加速度、位置與轉(zhuǎn)角、溫度和土壓力等各類傳感器，采集相關(guān)信號并進(jìn)入處理模塊進(jìn)行分析，得到設(shè)備的運行信息和特征參數(shù)，根據(jù)閾值判斷風(fēng)機的運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)故障并排除，避免引發(fā)事故。風(fēng)機和基礎(chǔ)的風(fēng)險評估方法通常分為3 種：

1）定性方法。該方法原理簡單、對數(shù)據(jù)的要求低，但依靠專家經(jīng)驗。

2）半定量方法。該方法能量化風(fēng)險事件失效概率，但無法量化風(fēng)險事件的后果，主要包括事件樹分析、事故樹分析、領(lǐng)結(jié)法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等。

3）定量方法。該方法具有較高的計算精度，但需要大量數(shù)據(jù)，且計算過程比較復(fù)雜。

2.7 海上風(fēng)機運維技術(shù)

近年來，海上風(fēng)機運維基本上是照搬陸上運維經(jīng)驗進(jìn)行的，采取周期性檢修為主、故障檢修為輔的“被動式運維”模式。受海洋環(huán)境的影響，風(fēng)機結(jié)構(gòu)和設(shè)備的狀態(tài)存在不確定性，這種定期檢修模式尚不能滿足海上風(fēng)機運維的要求。未來風(fēng)機的運維需以智能化和信息化為基礎(chǔ)，在實時監(jiān)測中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、故障預(yù)警和施工維修方案分析。以裝備能力配置和維修方案優(yōu)化為工作內(nèi)容，以縮短維修周期和降低施工成本為目標(biāo)，探索深遠(yuǎn)海的智能化、信息化運維模式。

2.8 風(fēng)機事故分析與全生命周期整體解決方案優(yōu)化

近年來，我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，同時并存的是設(shè)計和施工經(jīng)驗不足、運維有時不到位的問題，風(fēng)機傾斜甚至倒塌事故時有發(fā)生。為此，亟需統(tǒng)計和分析以往發(fā)生的事故，總結(jié)現(xiàn)有風(fēng)機和基礎(chǔ)設(shè)計與施工中的問題，并考慮風(fēng)機和基礎(chǔ)的全生命周期，對整體解決方案進(jìn)行分析與優(yōu)化，盡可能避免事故發(fā)生。

3 結(jié) 語

1）海洋環(huán)境和海底地基復(fù)雜多變，風(fēng)機基礎(chǔ)形式多樣，要根據(jù)不同海域的海況和海底地質(zhì)情況，并考慮施工能力和建設(shè)成本，選擇不同形式的海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2）隨著海上風(fēng)電向深水、大容量的方向發(fā)展，漂浮式和新型負(fù)壓桶式基礎(chǔ)具有很大的應(yīng)用潛力，有望成為未來的重點研發(fā)對象。浮式風(fēng)機的高成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用，需在技術(shù)和成本方面有所突破。

3）對風(fēng)機進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和風(fēng)險評估有助于保障風(fēng)機的安全運行。采用智能化監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并及時做出預(yù)報警，甚至提出故障類型和維修策略，優(yōu)化海上風(fēng)機運維模式，可很好地保障海上風(fēng)機的安全運行。

4）海上風(fēng)機基礎(chǔ)在使用期間面臨的風(fēng)險包括沖刷、疲勞損壞、與船舶碰撞和腐蝕損壞。需關(guān)注不同地基類型面臨的沖刷和疲勞風(fēng)險。與其他類型基礎(chǔ)相比，重力式和負(fù)壓桶式基礎(chǔ)對沖刷更為敏感。