陸忠民

(上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434)

1 前言

在當(dāng)前全球煤炭、石油、天然氣等化石能源資源日益匱乏，溫室氣體排放威脅人類生存環(huán)境的嚴(yán)峻形勢下，風(fēng)能作為一種在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用的能源資源，以其蘊藏量巨大、分布廣泛、無污染等優(yōu)勢，越來越受到世界各國的重視。隨著開發(fā)技術(shù)的提高，發(fā)電成本的降低，風(fēng)力發(fā)電已成為目前新能源領(lǐng)域中最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。目前我國陸地風(fēng)電已進(jìn)入了規(guī)?；拈_發(fā)階段。

我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力需求巨大，而近海地區(qū)風(fēng)能資源相當(dāng)豐富，海上風(fēng)電開發(fā)得到了我國政府的高度重視。為了促進(jìn)海上風(fēng)電的開發(fā)建設(shè)，在我國第一個海上風(fēng)電場——上海東海大橋海上風(fēng)電場的規(guī)劃建設(shè)中，對風(fēng)電場的風(fēng)能資源、規(guī)劃選址、升壓方式、風(fēng)機基礎(chǔ)選型、基礎(chǔ)施工、風(fēng)機安裝等問題進(jìn)行了大量的研究，探索和積累了海上風(fēng)電規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗。

2 海上風(fēng)電場選址

上海市位于我國東部沿海，屬東亞季風(fēng)盛行地區(qū)。根據(jù)風(fēng)能資源分析評價，風(fēng)力資源較為豐富，風(fēng)資源分布以外海最大，灘涂沿岸次之，向內(nèi)陸風(fēng)速逐漸減小。

上海市近海海域具備建設(shè)海上風(fēng)電場的風(fēng)資源條件，海上風(fēng)電場的規(guī)劃選址應(yīng)盡量滿足相關(guān)區(qū)劃、規(guī)劃的要求，協(xié)調(diào)與城市規(guī)劃、海事、海洋、軍事、航運、漁業(yè)及環(huán)境生態(tài)保護(hù)的關(guān)系，具備較好的水文地質(zhì)、并網(wǎng)、交通運輸和施工安裝等場址建設(shè)條件，并通過多方面綜合比較確定。海上風(fēng)電場工程選址的具體原則如下:

1)具有豐富的風(fēng)能資源，接入電網(wǎng)系統(tǒng)近;

2)符合上海市海洋功能區(qū)劃、岸線規(guī)劃以及有關(guān)海洋自然環(huán)境保護(hù)規(guī)定;

3)避開港區(qū)、錨地、航道、海底管(纜)線、軍事等區(qū)域以及建(構(gòu))筑物;

4)不影響防汛、航空安全;

5)有利于風(fēng)機基礎(chǔ)施工和風(fēng)機安裝;

6)工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)合理。

東海大橋海上風(fēng)電場選址在東海大橋的東側(cè)，最近端離大橋1 km，東側(cè)、北測以海底光纜和管線為控制邊界，南側(cè)靠近浙江海域邊界，中間有通行1 000 t級船舶的航道穿越［1］。

根據(jù)風(fēng)場海域風(fēng)向、風(fēng)能玫瑰圖確定的主導(dǎo)風(fēng)向，擬定了多種風(fēng)機布置方案進(jìn)行比較，以盡量減小尾流影響，使發(fā)電量最大，以合理確定風(fēng)機的行距和列距。選定的風(fēng)機東西向間距為500 m，南北向為1 000 m，風(fēng)場海域面積為14 km2。安裝34臺3 MW的離岸型風(fēng)電機組，總裝機容量100 MW。東海大橋海上風(fēng)電場位置如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場位置Fig．1 Location of w ind farm

3 場址建設(shè)條件

3．1 風(fēng)能資源

根據(jù)上海市南匯、奉賢、崇明等氣象站以及蘆潮港、東海大橋等測風(fēng)塔資料分析，風(fēng)電場代表年主風(fēng)向基本為E—SSE方向，方向比較穩(wěn)定;90 m高度年平均風(fēng)速在8 m/s左右，風(fēng)速在3．5～25 m/s的出現(xiàn)頻率占96%，年平均風(fēng)功率密度662W/m2。

臺風(fēng)是上海地區(qū)危害性最嚴(yán)重的大風(fēng)天氣。影響上海近海海域的臺風(fēng)路徑主要有兩類，第一類是近海北上轉(zhuǎn)向路徑，即從菲律賓以東向西北方向移動，進(jìn)入東海后轉(zhuǎn)向東北的;第二類是登陸路徑，即從菲律賓以東向西北方向移動，主要在福建、浙江、臺灣一帶登陸的，其中在上海以南登陸的占85%，直接登陸上海的臺風(fēng)很少，1949年以來共有3次。上海近海海域出現(xiàn)12級及以上臺風(fēng)的概率很低，經(jīng)分析50年一遇的最大風(fēng)速為36 m/s。

3．2 海洋水文

風(fēng)電場海域潮汐為非正規(guī)半日淺海潮，潮位每天兩漲兩落，具有明顯的往復(fù)流特性，漲、落潮流向基本為東西向。極端高潮位采用50年一遇高潮位，為3．68 m。設(shè)計表層潮流流速為3．15 m/s。

3．3 地形地質(zhì)

工程區(qū)處于長江下游三角洲沖積平原，地貌上屬潮坪區(qū)，基巖埋藏深，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。場址海域地勢平坦，海底高程一般在－10 m左右，附近無深切溝槽，場地穩(wěn)定性較好。海床表層主要為淤泥，其下分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土、細(xì)砂、中粗砂等。其中上部軟弱粘性土厚度一般超過20 m，下部粉砂層作為樁基持力層。

海水對混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土中鋼筋長期浸水、干濕交替時分別為弱腐蝕性、強腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。因此，應(yīng)根據(jù)工程對耐久性要求采取相應(yīng)的防腐蝕措施，同時采用高抗?jié)B性混凝土。

4 海上風(fēng)電場升壓方式

目前海上風(fēng)力發(fā)電機出口電壓大多在1 000 V以內(nèi)，自帶升壓變壓器，組成一機一變的單元接線方案。東海大橋海上風(fēng)電場各臺風(fēng)機升壓變壓器高壓側(cè)電壓采用35 kV，通過海底電纜接入風(fēng)電場升壓變電站后送入上海市電網(wǎng)。風(fēng)電場最遠(yuǎn)的風(fēng)機距上海南匯岸陸約13 km，最近端約8 m。對陸上升壓變電所和海上升壓變電所兩種方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。對于陸上升壓變電所方案，升壓變電所設(shè)在陸上，每臺風(fēng)機采用35 kV海底電纜分組集線后直接送到陸上的升壓變電所。對于海上升壓變電所方案，升壓變電所建在海上，各臺風(fēng)機接入變電所升壓到110 kV或以上電壓后通過海底電纜送入陸上。

從技術(shù)角度看，陸上升壓變電所運行維護(hù)環(huán)境好，施工建設(shè)方便，但電纜電能損耗相對大些，回數(shù)較多，需要的海域面積也相對較大。對于海上升壓變電所方案，可以在海上就近升到較高的電壓，電能輸送損耗較低，占用的海域面積較小，但要建設(shè)海上升壓平臺，基礎(chǔ)和設(shè)備要滿足海上的惡劣環(huán)境，運行管理和維護(hù)條件相對較差，施工難度相對較高。考慮到該工程風(fēng)場離陸地的距離不太遠(yuǎn)，陸上升壓變電所方案施工和運行管理方便，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面有一定的優(yōu)勢，因此根據(jù)風(fēng)電場場內(nèi)風(fēng)機布置，采用8～9臺風(fēng)機組合成一個聯(lián)合單元，通過四回集電線路接入陸上110 kV升壓站。

5 風(fēng)機基礎(chǔ)方案選擇和設(shè)計

5．1 風(fēng)機基礎(chǔ)形式選擇

海上風(fēng)機和基礎(chǔ)除了承擔(dān)自身結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量、運行動力載荷外，還承受風(fēng)、浪、流、冰、漂流物撞擊、地震等可變荷載的作用，具有結(jié)構(gòu)重心高、受力復(fù)雜、環(huán)境惡劣等特點。

近海風(fēng)電場固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)等。歐洲海上風(fēng)電場中單樁基礎(chǔ)應(yīng)用十分廣泛，一般適用于水深在20 m以內(nèi)的砂土海床，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工速度快等優(yōu)點，由于單樁直徑往往在5 m以上，需要較大的打樁設(shè)備才能施工。對于導(dǎo)管架基礎(chǔ)，一般在陸上制作好整個基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)后，利用大型起吊設(shè)備將基礎(chǔ)吊放到預(yù)定的海床上，然后在樁腿套管內(nèi)打鋼管樁進(jìn)行固定，這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度比單樁大，可以適應(yīng)較大的水深，但水下鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防腐性要求高，運行維護(hù)難度大。重力式基礎(chǔ)一般適用于水深較淺、地基承載力較高的海床條件。單樁和導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案分別見圖2、圖3。

圖2 單樁基礎(chǔ)Fig．2 Single pile foundation

東海大橋海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)在考慮海床局部沖刷后的水深在15 m左右，樁基上部土層主要為軟弱的粘性土。根據(jù)環(huán)保要求，為了盡可能減小對海洋生態(tài)的不利影響，該區(qū)域海床不能采取大范圍硬化表層軟土的措施。因此如采用單樁基礎(chǔ)，樁的直徑超過6 m，施工難度很大。對于導(dǎo)管架基礎(chǔ)，根據(jù)該風(fēng)電場的水深條件，提出了三角架組合式基礎(chǔ)和四角架組合式基礎(chǔ)兩種方案，由于該地區(qū)潮流較大，海床表面土層是淤泥或淤泥質(zhì)土，在基礎(chǔ)構(gòu)架安放和打樁期間要維持基礎(chǔ)的穩(wěn)定并將位移控制在允許范圍是十分困難的。同時，由于有一條航道穿越該風(fēng)場，兩側(cè)的風(fēng)機基礎(chǔ)要具有抵抗船舶撞擊的能力。如果采用單樁和導(dǎo)管架方案，需要另外增加防撞樁或防撞構(gòu)件加以保護(hù)，其保護(hù)費用巨大。

圖3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)Fig．3 Jacket foundation

為此，結(jié)合我國市政橋梁和港口碼頭建設(shè)經(jīng)驗，提出了高樁混凝土承臺基礎(chǔ)方案，基樁的直徑可大大減小，混凝土承臺有類似工程的施工經(jīng)驗，并且通過適當(dāng)控制承臺高程用鋼筋混凝土承臺抵抗船舶的撞擊，不需另外設(shè)置防護(hù)樁。雖然該方案施工工序較多，但具有結(jié)構(gòu)剛度大、施工風(fēng)險可控、總造價低的優(yōu)點，因此對具有防撞要求的風(fēng)機基礎(chǔ)，采用高樁混凝土承臺基礎(chǔ)是適宜的。該基礎(chǔ)方案如圖4所示。

圖4 高樁承臺基礎(chǔ)Fig．4 H igh －rise pile cap foundation

5．2 海床沖刷深度研究

在砂土質(zhì)海床上建設(shè)建(構(gòu))筑物后，由于這些結(jié)構(gòu)局部改變了水流流場、局部加大了流速，會引起基礎(chǔ)及周邊區(qū)域海床的局部沖刷。沖刷深度確定的準(zhǔn)確與否關(guān)系到建筑物的安全和工程投資。東海大橋海上風(fēng)電場位于杭州灣口門北側(cè)，為強潮流海域，因此在基礎(chǔ)設(shè)計中一定要仔細(xì)研究和合理確定風(fēng)電場建成后海床可能的沖刷深度。

判別沖深的方法有數(shù)值分析法、物理模型試驗法和經(jīng)驗類比法等。數(shù)值分析方法是根據(jù)區(qū)域地形、海床底質(zhì)、建筑物布置、潮流等情況，通過建立杭州灣和長江口地區(qū)潮流數(shù)值模型，計算該風(fēng)電場和建筑物局部區(qū)域的流場分布，分析沖淤深度和范圍。物理模型試驗是指在試驗水池中按一定比例建立模型，模擬風(fēng)場地形、海床砂土、基礎(chǔ)等，根據(jù)不同的潮流條件模擬海流運動，試驗出基礎(chǔ)海床的極限沖刷深度和范圍。經(jīng)驗類比法就是利用附近類似的海上建筑物基礎(chǔ)沖刷情況推測該工程的沖刷深度。

經(jīng)多種手段的試驗研究分析，認(rèn)為東海大橋海上風(fēng)電場建設(shè)對工程區(qū)周邊海域影響很小，只對工程區(qū)基礎(chǔ)局部流場有影響，影響基礎(chǔ)沖刷的主要動力是基礎(chǔ)尾流旋渦和側(cè)向繞流，最大沖刷深度約為6 m。

5．3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析

高樁承臺基礎(chǔ)上部承擔(dān)風(fēng)機傳來的荷載，下部受到波浪、潮流、船舶撞擊力等的作用。從結(jié)構(gòu)受力來看，由于上部風(fēng)機與下部承臺、樁基是一個連續(xù)、整體結(jié)構(gòu)，在計算上部風(fēng)機荷載時必須考慮作用在下部基礎(chǔ)上的波浪、潮流、撞擊力等荷載，風(fēng)機與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)靜力、動力分析需整體考慮才能反映結(jié)構(gòu)的受力狀況。風(fēng)機、波浪、海流等荷載是一種周期性的循環(huán)荷載，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在長期循環(huán)荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞破壞，需要進(jìn)行疲勞強度分析，保證結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。

6 基礎(chǔ)樁承載力試驗

風(fēng)機基礎(chǔ)下部鋼管樁直徑大、入土深度深、承載力要求高，這種大直徑鋼管樁的承載力試驗經(jīng)驗較少。為確保工程設(shè)計和施工的安全可靠，工程實施前需要在工程海域進(jìn)行樁基承載力試驗。通過現(xiàn)場試驗，確定鋼管樁的豎向和水平極限承載力，并獲取土層的側(cè)阻、端阻力和樁身的應(yīng)力及變形數(shù)據(jù)，為樁基設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)。海上風(fēng)機樁基礎(chǔ)承受的荷載通常都很大，如果采用傳統(tǒng)的堆載靜載法或錨樁反力靜載法進(jìn)行試驗，需要很大的堆載量和錨樁數(shù)量，試樁成本很高。近年來出現(xiàn)的自平衡法［2］為海上樁基承載力試驗提供了一種新的手段。東海大橋海上風(fēng)電場鋼管樁承載力試驗中，對直徑1．70 m的鋼管樁分別采用自平衡法、錨樁反力靜載法、高應(yīng)變動測法進(jìn)行豎向承載力試驗。試驗分析表明，現(xiàn)場試樁抗拔極限承載力值比按規(guī)范選用的經(jīng)驗參數(shù)算得的承載力值要偏小些，因此對于大直徑鋼管樁，試樁前按規(guī)范經(jīng)驗參數(shù)計算抗拔極限承載力時，在樁承載力安全度方面應(yīng)留有余地。

自平衡法的試驗原理見圖5，該方法采用在樁身內(nèi)部某位置預(yù)埋加載設(shè)備，通過加載設(shè)備將樁身的一部分往上頂，另一部分向下壓，同時測量樁側(cè)和樁端的阻力。該方法利用樁身上、下兩段阻力的相互平衡互為反力，免去了傳統(tǒng)方法中的堆載或錨樁，試驗費用相對低廉。自平衡法的缺點是使樁身上頂段和下壓段同時達(dá)到承載極限狀態(tài)的試驗載荷箱的位置難以精確確定，從而影響對極限承載力的精確判斷。另一方面，在試驗中樁身上、下兩段的側(cè)阻分別為抗拉側(cè)阻、抗壓側(cè)阻和端阻之和，對試驗成果需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此合理選擇加載設(shè)備的埋設(shè)位置是自平衡法試驗的關(guān)鍵。試驗時應(yīng)注意以下幾個方面:

圖5 自平衡法試驗原理Fig．5 Testing princip le of self－ balanced method

1)試驗前樁內(nèi)取土以及樁壁變形，會對樁周土造成一定程度的擾動，因此在加載試驗前應(yīng)有一段土體恢復(fù)的時間;

2)對于承載力較大的樁，為了提高試驗精度，充分利用樁的實際承載能力，適當(dāng)增加試驗加載分級數(shù)，以減小每級試驗加載量;

3)對于抗拔樁，為比較準(zhǔn)確地測量樁的承載力，試樁長度應(yīng)比工程樁適當(dāng)加長，試驗加載設(shè)備宜埋設(shè)在與工程樁端同一位置，下部增加的樁長以能提供足夠的試驗反力為宜。

7 風(fēng)機基礎(chǔ)施工

東海大橋海上風(fēng)電場高樁承臺基礎(chǔ)主要包括鋼管樁、鋼筋混凝土承臺、塔筒過渡段。由于低潮時防止船舶直接撞擊下部基樁的需要，經(jīng)綜合考慮承臺底高程選擇在－0．30 m，處于多年平均潮位與多年平均低潮位之間，承臺下部結(jié)構(gòu)大部分時間處于水下。混凝土承臺需要立模板施工，高程較低的模板要承受水壓力和波浪壓力。為此，承臺鋼筋混凝土采用可重復(fù)利用的鋼套箱作為施工模板，鋼套箱分塊之間、鋼套箱與鋼管樁之間進(jìn)行密封處理，整體結(jié)構(gòu)要有足夠的強度、剛度及防滲性能。承臺鋼套箱在工廠內(nèi)整體加工制作，通過運輸船舶運到現(xiàn)場后安裝到基樁上。

在承臺封底混凝土澆注完成后，清理工作面，排除套箱內(nèi)積水，采用特殊的調(diào)平裝置安裝固定過渡段塔筒，綁扎鋼筋，固定預(yù)埋件、冷卻水管，分層連續(xù)澆注混凝土。施工中必須注意過渡段塔筒的變形和混凝土的防裂。

8 風(fēng)機安裝

根據(jù)國外海上風(fēng)機吊裝經(jīng)驗，風(fēng)機安裝有分體吊裝和整體吊裝兩種方案。

整體吊裝方案就是在陸上將葉片、輪轂、機艙、塔筒組裝成一體，用船運到現(xiàn)場，然后在海上對風(fēng)機進(jìn)行整體吊裝。該方案需要陸上的拼裝場地和碼頭，風(fēng)機拼裝在環(huán)境較好的陸上完成，海上吊裝的作業(yè)時間短，風(fēng)機整體吊裝施工難度大，國內(nèi)還沒有先例。

對于分體吊裝方案，由于海床表面為淤泥，用帶支腿的移動吊裝平臺施工難度比較大，水深條件適宜時，可利用改裝的、座底海床的浮塢作為海上拼裝和吊裝平臺，將塔筒、機艙、葉片依次吊到風(fēng)機基礎(chǔ)上。該吊裝方案與陸上基本一致，技術(shù)相對成熟，海上吊裝作業(yè)時間比較長，受海上氣候影響較大。

東海大橋海上風(fēng)電場在比較上述兩種吊裝方案后最終選擇了整體吊裝方案，利用以前東海大橋施工遺留下來的沈家灣預(yù)制基地，經(jīng)改造作為風(fēng)機陸上拼裝基地，在場地上布置了葉片、輪轂移動平臺，在碼頭上安裝了起重機和風(fēng)機工裝塔筒，改裝了半潛駁作為風(fēng)機整體運輸船。陸上拼裝步驟為:先將三個葉片與輪轂組裝成一體，將機艙吊到工裝塔筒上，然后將葉片與輪轂連到機艙上，再將葉片和機艙吊到固定在半潛駁上的塔筒上，每條半潛駁上可安放兩臺風(fēng)機。將風(fēng)機運到海上預(yù)定位置后，利用2 400～2 600 t的大型浮吊，通過專門開發(fā)的軟著落系統(tǒng)將風(fēng)機和塔筒整體吊到基礎(chǔ)上。風(fēng)機陸上拼裝和海上整機吊裝分別如圖6、圖7所示。

圖6 風(fēng)機陸上拼裝Fig．6 Land assembly of WTG

圖7 風(fēng)機海上整體吊裝Fig．7 Lifting on sea area of W TG as a whole

9 結(jié)語

通過對上海東海大橋海上風(fēng)電場的選址、風(fēng)電場升壓方式、基礎(chǔ)選型和設(shè)計、海床沖刷、樁基承載力試驗、基礎(chǔ)施工、風(fēng)機吊裝等技術(shù)研究和工程實踐，得出如下主要結(jié)論:

1)海上風(fēng)電場選址應(yīng)符合海洋功能區(qū)劃，滿足港口、航道、岸線、漁業(yè)、軍事、環(huán)保、現(xiàn)有建(構(gòu))筑物安全等要求;

2)在近海風(fēng)場，采用風(fēng)機自帶變壓器升壓到35 kV后分組直接接入陸上升壓變電站的布置方式是可行的，變電站運行維護(hù)較為方便;

3)海上風(fēng)機基礎(chǔ)形式應(yīng)根據(jù)水文氣象和地質(zhì)條件、風(fēng)機設(shè)備和環(huán)境要求、結(jié)構(gòu)受力、施工能力、經(jīng)濟(jì)合理等綜合因素比較選定，采用高樁承臺結(jié)構(gòu)適合該工程特點，能較好地適應(yīng)船舶撞擊問題;

4)對于海上風(fēng)機和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，需將上部與下部結(jié)構(gòu)連在一起整體分析計算，大直徑鋼管樁的極限承載力必須通過承載力試驗加以確定;

5)基礎(chǔ)承臺可利用鋼套箱形成干地施工條件，采取溫控措施，可以一次澆搗承臺混凝土，提高承臺結(jié)構(gòu)的整體性;

6)海上風(fēng)機有整體吊裝、分體吊裝兩種方案，采用海上整體吊裝是可行的，可以盡可能縮短海上吊裝施工時間，加快施工進(jìn)度。

［1］ 上?？睖y設(shè)計研究院．上海東海大橋近海風(fēng)電場工程可行性研究報告［R］．上海:上?？睖y設(shè)計研究院，2007．

［2］ 中華人民共和國交通運輸部．JT/T 738－2009基樁靜載試驗自平衡法［S］．北京:人民交通出版社，2009．