方 濤

能源不僅是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，而且是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源。隨著全球能源消費(fèi)不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)化石能源資源不斷減少，價(jià)格不斷攀升，使得可再生能源在各國(guó)能源戰(zhàn)略中逐漸占據(jù)重要地位。風(fēng)能因使用成本相對(duì)較低，后續(xù)不需補(bǔ)給能源而成為最具商業(yè)潛力、最具活力的可再生能源之一。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)由于需要同時(shí)具備海洋工程、高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)三種工程特性，導(dǎo)致其在結(jié)構(gòu)形式上既有重心高、承受水平力和彎矩較大等特點(diǎn)，又與海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、海上風(fēng)浪、海流及冰載荷等因素有關(guān)；并且由于海上施工條件復(fù)雜，受安裝和施工設(shè)備的影響較大，設(shè)備的使用費(fèi)用也非常高。因此，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)是導(dǎo)致海上風(fēng)力發(fā)電成本較高的主要因素之一。鑒于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)既要考慮所處地勢(shì)及地質(zhì)情況，又要兼顧經(jīng)濟(jì)性，所以大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海上風(fēng)力發(fā)電研究的重要課題。

1 基礎(chǔ)型式分類

用于海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)的支撐結(jié)構(gòu)一般根據(jù)其構(gòu)造特性、安裝方式、結(jié)構(gòu)形式及制造材料進(jìn)行分類。最基本的支撐結(jié)構(gòu)為：樁基結(jié)構(gòu)、重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、負(fù)壓桶式結(jié)構(gòu)和漂浮結(jié)構(gòu)[1]。

此外還有根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造將海上風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)分為重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、單樁結(jié)構(gòu)、三腳架結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管結(jié)構(gòu)、負(fù)壓桶式結(jié)構(gòu)和漂浮結(jié)構(gòu)等6個(gè)類型。而在實(shí)際應(yīng)用中也可能會(huì)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2 工作原理

2.1 樁基式

樁基式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括單樁、三樁、四腿導(dǎo)管架和群樁等。

（1） 單樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)由大直徑鋼管組成，是目前應(yīng)用最多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)（見圖1、圖2），例如在丹麥的Horns Rev項(xiàng)目和愛爾蘭的Arklow Bank項(xiàng)目[2]。其安裝也逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)方式。該種基礎(chǔ)形式通過(guò)側(cè)面土壤的壓力來(lái)傳遞風(fēng)機(jī)載荷，樁和塔筒之間既可以是焊接連接，也可以是套管法蘭連接，其插入海床的深度與實(shí)際環(huán)境和土壤的強(qiáng)度有關(guān)，土壤強(qiáng)度不同，插入海床的深度也不一樣。樁的直徑根據(jù)負(fù)荷的大小而定，壁厚約為樁直徑的1%。標(biāo)準(zhǔn)的安裝方法是將樁提升到安裝位置，用氣錘或液壓錘將其打入海床進(jìn)行固定。其中采用液壓錘撞擊方法時(shí)樁的直徑較小。對(duì)于巖石地基需邊鉆孔邊下沉鋼樁，如瑞典的Bockstigen項(xiàng)目和英國(guó)的North hoyle項(xiàng)目[3]，該方法所需樁直徑較大。

圖1 單樁基礎(chǔ)

圖2 單樁基礎(chǔ)工程實(shí)例

單樁基礎(chǔ)一般適用于水深為0～25 m的水域，尤其是在淺水域，更能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)、制造和安裝簡(jiǎn)單；海床不需做任何準(zhǔn)備；

缺點(diǎn)：當(dāng)海床較為堅(jiān)硬甚至為巖石時(shí)所需鉆孔的成本較高；對(duì)震動(dòng)、傾斜及海水沖刷均較敏感，在海床與基礎(chǔ)相接處需要做好防沖刷防護(hù)；在服役期滿后，大直徑單樁的拆除比較困難。

（2） 三樁

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般為單立柱三樁和三腳架兩種類型。

單立柱三樁 由中心柱、三根插入海床一定深度的圓柱鋼管和斜撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。中心鋼管與風(fēng)機(jī)的塔筒形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，三腳架可以采用垂直或傾斜套管支撐在鋼樁上，底部三個(gè)頂點(diǎn)各用一根鋼樁打入海床10～20 m固定。三角桁架將上部塔筒荷載傳遞到3根鋼樁上。與單樁結(jié)構(gòu)相比，剛度和強(qiáng)度得到加強(qiáng)，基礎(chǔ)更加穩(wěn)定可靠（見圖3、圖4）。

圖3 單立柱基礎(chǔ)

圖4 單立柱基礎(chǔ)工程實(shí)例

三腳架 是組合式基礎(chǔ)，由三根圓柱形鋼管呈等邊三角形均勻布設(shè)并固定于海底，樁頂通過(guò)鋼管套支撐上部三角桁架結(jié)構(gòu)（見圖5、圖6）。

圖5 三腳架基礎(chǔ)

圖6 三腳架基礎(chǔ)工程實(shí)例

三樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)適用水深20～50 m，施工安裝前海床整理簡(jiǎn)單，其基礎(chǔ)寬度及插入深度可根據(jù)實(shí)際環(huán)境和土壤條件進(jìn)行調(diào)整。

優(yōu)點(diǎn)：較單樁式更堅(jiān)固和穩(wěn)定；加工制造簡(jiǎn)單；安裝前不需要整體海床；可用于深海；不需要做沖刷防護(hù)；

缺點(diǎn)：制作和安裝成本較高，可移動(dòng)性較差；安裝樁基需要打樁，在海床存在大面積巖石時(shí)不適用；在淺海域安裝或維修時(shí)有可能會(huì)發(fā)生碰撞事故，冰荷載有增加。

（3） 四腿導(dǎo)管架

四腿導(dǎo)管架從外形上看是一個(gè)錐臺(tái)形空間框架，通常先在陸上將鋼管焊接好后運(yùn)到安裝地點(diǎn)，將鋼樁從鋼導(dǎo)管中打入海底固定好導(dǎo)管架以后，再安裝風(fēng)機(jī)塔筒。適用的水深范圍較大，但是考慮到其經(jīng)濟(jì)性，一般用在水深大于40 m，波浪較大和海床條件較差的區(qū)域（見圖7、圖8）。

圖7 四腿導(dǎo)管架基礎(chǔ)

圖8 四腿導(dǎo)管架基礎(chǔ)工程實(shí)例

優(yōu)點(diǎn)：建造和施工方便，對(duì)波浪和水流載荷不敏感，剛度高、穩(wěn)定性好和對(duì)海床的依賴性??；

缺點(diǎn)：成本較高，造價(jià)隨水深的增加增長(zhǎng)很快。

（4） 群樁

利用小直徑的樁基打入海床內(nèi)，樁基可以做成傾斜形式以抵抗波浪和水流（見圖9、圖10）。根據(jù)樁基礎(chǔ)采用的材料不同分為混凝土群樁和鋼管群樁。

圖9 群樁基礎(chǔ)

圖10 群樁基礎(chǔ)工程實(shí)例

混凝土群樁基礎(chǔ)適合水深0～10 m，物料運(yùn)輸方便，適合多種地質(zhì)條件，錐形承臺(tái)可減少水平撞擊力，斜樁能有效減小結(jié)構(gòu)水平位移，提高水平承載力；造價(jià)低于鋼制基礎(chǔ)。但用在臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重的海域時(shí)需增加破浪措施，以降低海浪對(duì)基礎(chǔ)的沖擊力。

鋼管群樁基礎(chǔ)適用水深10～20 m，物料運(yùn)輸方便，施工周期短，適合多種地質(zhì)條件，可設(shè)計(jì)防撞承臺(tái)。主要缺點(diǎn)是鋼樁成本較高。

2.2 重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

是最早用于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的型式，也是目前首選的基礎(chǔ)，主要用于淺水區(qū)域。比利時(shí)Thornton Bank海上風(fēng)電場(chǎng)是世界上第一個(gè)使用重力式基礎(chǔ)的商業(yè)海上風(fēng)電場(chǎng)。

重力基礎(chǔ)一般采用預(yù)制圓形空腔結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)填充砂、碎石，以便有足夠自重來(lái)抵消提升力、波浪、水流及使用荷載對(duì)基礎(chǔ)的作用，克服海床土壤的不足，保證整個(gè)基礎(chǔ)穩(wěn)定，適于堅(jiān)硬黏土、砂土以及巖石海床，最大適用深度10 m。由于構(gòu)造的特殊性導(dǎo)致重力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在所有類型中體積最大、重量最大，其尺寸應(yīng)根據(jù)地基承載力以及抵抗滑動(dòng)、傾覆所需要的抗力決定。鑒于圓形結(jié)構(gòu)所受波浪、水流作用力較方形結(jié)構(gòu)小，所以一般制作成圓形結(jié)構(gòu)，此外，為了減小冰荷載作用，可以將其設(shè)計(jì)成錐形。

該種基礎(chǔ)一般在岸邊進(jìn)行預(yù)制后運(yùn)至安裝地點(diǎn)，采用起重船或半潛駁安裝。海床需預(yù)先平整并鋪上一層碎石，以減小地基應(yīng)力及不均勻沉降。對(duì)平均潮位時(shí)基礎(chǔ)底部地基能露出海面的近岸區(qū)域，當(dāng)安裝船受吃水限制無(wú)法就位時(shí)，可采用全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)（見圖11、圖12）。

圖11 重力基礎(chǔ)

圖12 重力基礎(chǔ)工程實(shí)例

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低；抗風(fēng)暴和風(fēng)浪性能好，穩(wěn)定性及可靠性較高，對(duì)海床土質(zhì)要求不高且能適應(yīng)海底巖石較多的海床；

缺點(diǎn)：

（1）需要預(yù)先進(jìn)行海床準(zhǔn)備；體積和重量都比較大，安裝不夠方便。

（2）超過(guò)100 m后，隨著水深的增加，經(jīng)濟(jì)性下降，造價(jià)甚至高于其他類型基礎(chǔ)。

（3）由于重量重，運(yùn)輸費(fèi)用較高。

（4）沖刷對(duì)其穩(wěn)定性影響較大，尤其不適合流沙形海底。

2.3 負(fù)壓桶式結(jié)構(gòu)

負(fù)壓桶式結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)樁基和重力基礎(chǔ)的結(jié)合，是一種新的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在海上油氣工業(yè)也有采用，1995年報(bào)道了第一個(gè)采用負(fù)壓桶式基礎(chǔ)的風(fēng)電工程[4]。

在2002年之前，海上風(fēng)電項(xiàng)目均采用重力基礎(chǔ)或單樁基礎(chǔ)。其中受深度限制，原本采用重力基礎(chǔ)較少，但是隨著風(fēng)機(jī)容量不斷增加，使深海風(fēng)電技術(shù)開發(fā)成為必然，并最終通過(guò)采用負(fù)壓基礎(chǔ)克服了單樁直徑超過(guò)6 m沒有設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的困難。其原理是將負(fù)壓桶基礎(chǔ)放置在海床上之后，抽空內(nèi)部海水，靠壓差將基礎(chǔ)壓入土壤并固定。目前，負(fù)壓基礎(chǔ)應(yīng)用的水深極限為25 m，深水區(qū)應(yīng)用處于調(diào)查階段[5]（見圖13、圖14）。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）水平承載性好，負(fù)壓效應(yīng)可以部分地承擔(dān)動(dòng)態(tài)峰值負(fù)載。

（2） 適用于深水區(qū)域，制造簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便，容易安裝和拆除，基礎(chǔ)總體成本低。

缺點(diǎn)：需進(jìn)行海床土壤詳細(xì)調(diào)查。

圖13 負(fù)壓桶式基礎(chǔ)

圖14 負(fù)壓桶式基礎(chǔ)工程實(shí)例

2.4 漂浮結(jié)構(gòu)

目前，海上風(fēng)電機(jī)組水深極限只能達(dá)到50 m，為了使海上風(fēng)電向更深水域發(fā)展，克服海床基礎(chǔ)受水深限制的束縛。因此采用漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)取代固定式基礎(chǔ)勢(shì)在必行。

漂浮式基礎(chǔ)是利用停泊鏈和錨將漂浮基礎(chǔ)懸停在海中，依靠錨鏈約束漂浮基礎(chǔ)的移動(dòng)，在漂浮基礎(chǔ)的底部安裝穩(wěn)定器以減少基礎(chǔ)搖晃（見圖15、圖16）。

漂浮式基礎(chǔ)主要有兩種方式，一種為漂浮式，由塔架、浮體和錨泊裝置組成，承載風(fēng)電機(jī)組的浮置結(jié)構(gòu)飄浮在水面上；另一種為半潛式，浮體結(jié)構(gòu)位于海面以下，由錨泊系統(tǒng)固定，其上可安裝多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。目前這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)還處于研究階段。

漂浮結(jié)構(gòu)需提供足夠支撐風(fēng)機(jī)重量和抵抗變槳、偏航、波載荷和旋轉(zhuǎn)力矩的浮力。浮動(dòng)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)需進(jìn)行一階穩(wěn)定性分析，一旦平臺(tái)結(jié)構(gòu)確定，需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析，以求得穩(wěn)定性、功能性和成本的平衡[6]。

圖15 漂浮式基礎(chǔ)示意圖

圖16 漂浮式基礎(chǔ)工程實(shí)例

優(yōu)點(diǎn)：適于深海水域；能通過(guò)拖運(yùn)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，再用錨鏈定位，安裝比較簡(jiǎn)單；

缺點(diǎn)：不夠穩(wěn)定，僅適用于海浪較低的情況；旋轉(zhuǎn)部件長(zhǎng)期工作在不穩(wěn)的環(huán)境下，增大潛在風(fēng)險(xiǎn)，降低使用壽命。

2.5 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)比較

海上風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)形式上各有特點(diǎn)，在應(yīng)用上也有各自的適用范圍及限制條件。因此并不存在脫離具體海況條件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)（見表1）。

表1 主要基礎(chǔ)比較

3 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電項(xiàng)目的基礎(chǔ)選擇取決于風(fēng)電場(chǎng)所處的具體位置情況，主要技術(shù)考核指標(biāo)包括水深、風(fēng)載荷、波浪載荷、洋流載荷、地質(zhì)情況、沖刷、冰載荷等，而且需要通過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合比較而定。未來(lái)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的研究尤其是應(yīng)用于深海的基礎(chǔ)研究還需要進(jìn)行更徹底的技術(shù)分析及樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的檢驗(yàn)。

[1]DNV－OS－J101:2010,Design of offshore wind turbine structure[S]．

[2]K．Lesny and J．wiemann．Aspects of Monopiles in German offshore wind farms．Frontiers in Offshore Geotechnics,ISFOG －2005,Perth,Vol．I,pp．12－24,2005．

[3]姚興佳，隋紅霞，劉明，等。海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

[J] ．上海電力，2007 （2）：9－16．

[4]A．Bye,C．Erbrich,B．Rognlien,T．Tjelta．Geotechnical design of bucket foundations．Offshore technology Conference,Houston,Texas,Paper 7793,1995．

[5]B．W．Byrne,G．T．Houlsby,C．Martin&F．Peter．Suction Caisson Foundations for Offshore Wind Turbines．Wind Engineering,Vol．26,No．3,pp．145－155,2002．

[6]S．Butterfield,W．Musial and J．jonkman．Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbines:Copenhagen Offshore Wind Conference,Copenhagen,Denmark,2007．