，

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532)

1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)種類介紹

目前,海上風(fēng)場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的種類主要有重力固定式、樁基固定式、筒式、浮置式等結(jié)構(gòu)形式[1-2]。

1.1 重力固定式基礎(chǔ)

重力固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(見圖1)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，靠自身重量和壓載物的重量穩(wěn)定坐落在海床上，靠重力使風(fēng)機(jī)保持垂直。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，造價低，不受海床影響，抗風(fēng)暴和風(fēng)浪襲擊性能好，可以克服單樁式基礎(chǔ)的撓動問題，其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎(chǔ)中最好的。但是缺點是安裝前需要對海底進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作，受沖刷影響大，只適用水深不超過10 m的水域，所需基礎(chǔ)重量隨著水深的增加費用將快速地增長，其經(jīng)濟(jì)性會下降,造價反而比其他類型基礎(chǔ)要高。重力基礎(chǔ)成功的用在了位于丹麥Zeeland東南部的160 MW的Nysted風(fēng)電場和丹麥Jutland東北部的Samsoe風(fēng)電場。在基礎(chǔ)建設(shè)前需要對每一個重力基礎(chǔ)的具體位點進(jìn)行廣泛的土壤分析以確保土壤性質(zhì)均一，壓縮不平沉積物使之最小化。

1.2 樁基固定式基礎(chǔ)

樁基固定式基礎(chǔ)包括單立柱、單立柱三樁、四腿導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)等 ,一般適用于50 m 以內(nèi)水深。

1.2.1 單立柱基礎(chǔ)

單立柱基礎(chǔ)(見圖2)在已建成的大部分海上風(fēng)場中應(yīng)用最為廣泛。它是一種非常簡單的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，由一個直徑在5～6 m之間的鋼樁構(gòu)成，可以與塔架直接相連 ,也可以根據(jù)需要加裝過渡段。鋼樁安裝在海床下10～20 m的地方，其深度由海床地面的類型決定。

圖1 重力固定式基礎(chǔ)

圖2 單立柱基礎(chǔ)

這種基礎(chǔ)一個重要的優(yōu)點是不需整理海床。但是這種結(jié)構(gòu)對振動和不直度較為敏感，對設(shè)計和施工要求較高，不適合用于地質(zhì)軟的海床。它需要重型打樁設(shè)備，而且對于海床內(nèi)有很多大漂石的位置不太適合采用這種基礎(chǔ)類型。如果在打樁過程中遇到大漂石，一般會在石頭上鉆孔，然后用爆破物將之炸開，繼而打成小碎石。 由于其固有的撓動性，單樁式基礎(chǔ)受到了水深的限制，可以使用的最大水深為當(dāng)風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)的自然頻率降低到不可避免的與波浪和轉(zhuǎn)子的頻率發(fā)生諧振的范圍時。為了使單樁式基礎(chǔ)在比較深的水域中仍舊有足夠的剛度，必須增加其體積，因此相應(yīng)的成本也就增加了。這意味著單樁式基礎(chǔ)的長度、直徑和厚度將隨水深的增加而增加，與此同時，安裝設(shè)備諸如打樁錘和起重船將更加專業(yè)化，費用也更加昂貴，最終直至打樁錘和起重船作業(yè)能力所不能達(dá)到的水深深度，這個極限范圍為20～30 m。

1.2.2 單立柱三樁基礎(chǔ)

單立柱三樁基礎(chǔ)(見圖3)類似于海上油田常用的簡易平臺，吸取了石油工業(yè)中的一些經(jīng)驗，采用了重量輕價格合算的三腳鋼套管，三根樁通過一個三角形鋼架與中心立柱連接，風(fēng)電機(jī)組塔架連接到立柱上形成一個結(jié)構(gòu)整體。風(fēng)塔下面的鋼樁分布著一些鋼架，這些框架分掉了塔架對于三個鋼樁的壓力，增加了基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。實際上，這種基礎(chǔ)是由組成三角形模式的三根單樁構(gòu)成的。由于土壤條件和冰凍負(fù)荷，這三個鋼樁被埋置于海床下10～20 m的地方。

圖3 單立柱三樁基礎(chǔ)

單立柱三樁基礎(chǔ)利用小直徑的基樁，打入地基土內(nèi)，樁基可以打成傾斜，用以抵抗波浪、水流力，中間以填塞或者成型方式連接。特別適用于水深30 m以上的的水域。單立柱三樁基礎(chǔ)非常堅固，應(yīng)用范圍廣泛，但費用昂貴，很難移動，并且像單樁基礎(chǔ)一樣，不太適合軟海床。該設(shè)計還沒有得到真正的商業(yè)應(yīng)用，目前僅存在于部分試驗機(jī)組。

1.2.3 四角導(dǎo)管架

四角導(dǎo)管架(見圖4)其采用的是海上油田常用的固定式平臺結(jié)構(gòu) ,剛度更大，穩(wěn)定性更好，但成本相對較高。渤海綏中油田風(fēng)電項目中利用油田中閑置平臺的四腳導(dǎo)管架作為機(jī)組基礎(chǔ) ,并設(shè)計了用于連接基礎(chǔ)和塔架的過渡平臺 ,節(jié)約了建造成本。

圖4 四角導(dǎo)管架基礎(chǔ)

1.2.4 筒式(吸力式)基礎(chǔ)

筒式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(見圖5)分為單柱和多柱吸力式沉箱基礎(chǔ)。單柱為由一個中心立柱與鋼質(zhì)圓筒組成，鋼質(zhì)筒由豎直的鋼裙圍成。立柱與圓筒通過帶有加強(qiáng)筋的剪切板相連。吸力式基礎(chǔ)通過施工手段將鋼裙沉箱中的水抽出形成吸力，其承載原理與重力式基礎(chǔ)相似，中心立柱載荷通過剪切板分配到筒壁再傳入海床。

圖5 筒式(吸力式)基礎(chǔ)

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于節(jié)約鋼材用量和海上施工時間，具有較良好的應(yīng)用前景。一般適用于20 m以內(nèi)水深。但目前僅丹麥有成功的安裝經(jīng)驗，其可行性尚處于研究階段。

1.2.5 浮置式基礎(chǔ)

為了使海上風(fēng)能利用克服海床底部安裝基礎(chǔ)受水深限制的缺點，向幾百米的深水域發(fā)展，國外出現(xiàn)了浮置式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(見圖6)的設(shè)計。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，其上可安裝多臺風(fēng)電機(jī)組。浮置式結(jié)構(gòu)可安裝于風(fēng)資源更為豐富的深海海域，水深為50～200 m，設(shè)計概念更為廣泛，建設(shè)及安裝方法靈活，可以移動，容易拆除。目前這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)還處于研究階段。

圖6 浮置式基礎(chǔ)

2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

海上風(fēng)場基礎(chǔ)設(shè)計主要包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計、防腐蝕設(shè)計和防沖刷設(shè)計三個方面 。由于每一個基礎(chǔ)所處位置和環(huán)境不同，故每一個基礎(chǔ)都需要單獨考慮。基礎(chǔ)設(shè)計是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其相關(guān)內(nèi)容和設(shè)計流程見圖7。

圖7 海上風(fēng)場基礎(chǔ)設(shè)計流程

2.2 設(shè)計外部條件

在設(shè)計流程中，基礎(chǔ)所處的環(huán)境條件，即外部條件對基礎(chǔ)設(shè)計的影響較大，前期需要對風(fēng)況、海況、地質(zhì)情況等方面進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集和分析，作為基礎(chǔ)設(shè)計的依據(jù)。

基礎(chǔ)設(shè)計外部條件具體研究內(nèi)容和分析參數(shù)見圖8。

圖8 海上風(fēng)場基礎(chǔ)設(shè)計外部條件

2.3 選型分析

海上風(fēng)場基礎(chǔ)選型通常要考慮以下幾個要素：水深、土壤和海床條件、環(huán)境載荷、建設(shè)方法和成本。實際選型中需要將幾個因素綜合考慮，選擇最佳的一個方案。

1)水深。挪威船級社(DNV)標(biāo)準(zhǔn)中定義了不同風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計要求。根據(jù)海水深度和經(jīng)濟(jì)性考慮海上風(fēng)場基礎(chǔ)的選擇見表1。

表1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型與海水深度的關(guān)系

目前已投入使用的基礎(chǔ)形式有重力式、吸力式和單樁式，還有近幾年國外開始投入使用的三角架式和導(dǎo)管架式等。導(dǎo)管架平臺在海洋油氣工業(yè)中是各種水深(600 m以下)的最佳選擇平臺之一，技術(shù)比較成熟，可以滿足未來大型風(fēng)電場建設(shè)的需要，因此有很好的應(yīng)用前景。就中國市場來說，未來一段時期內(nèi)，將以近海50 m以下水深海域開發(fā)為主要對象，所以單樁基礎(chǔ)是中國風(fēng)場未來建設(shè)的一個重點。隨著風(fēng)機(jī)機(jī)組的大型化，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸包括基礎(chǔ)高度、直徑、筒厚、打樁深度等也會相地應(yīng)地加大，相應(yīng)的建造、安裝難度都會大大增加，這也要求建造單位采用更加合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，比如三角架式和導(dǎo)管架式等。

2)土壤和海床條件。一般來說，目前海上風(fēng)場的樁深度基本在20～30 m深，屬于海底淺層土。在這個厚度內(nèi)，海底土壤一般會分成4～5層，每層土質(zhì)不同，每種土層在波浪的作用下反應(yīng)不同。不同海域的土層成分不同，就同一海域的不同位置，土層厚度、分布、土質(zhì)也是不相同的。

根據(jù)美國材料試驗學(xué)會制訂的土的分類法(ASTM-D2487-90)。分類的基本原則是以土的粒徑為0.074 mm為分界，當(dāng)大于0.074 mm粒徑的土占50%以上時，為粗粒土。相反，當(dāng)小于0.074 mm粒徑的土占50%以上時，為細(xì)粒土。粗粒土中的砂，又根據(jù)含細(xì)粒土顆粒的大小和數(shù)量的不同，分為粉土質(zhì)砂和粘土質(zhì)砂以及凈砂。細(xì)粒土的定名是根據(jù)土樣的液限和塑性指數(shù)在塑性圖中的位置來確定。細(xì)粒土分為粉土和粘土，粘土又分為砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和高塑性粘土等。

3)環(huán)境載荷。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在海洋中所受的載荷非常復(fù)雜。單從環(huán)境載荷上來看主要是作用在塔架、風(fēng)葉上的風(fēng)荷載和作用在基礎(chǔ)上的波浪和水流載荷。由于此類載荷與氣候息息相關(guān)，所以風(fēng)場開發(fā)區(qū)域需要進(jìn)行長期的勘查工作，一般需要經(jīng)歷2～3年，主要工作是建立監(jiān)測點，記錄數(shù)據(jù)，總結(jié)氣象規(guī)律，作為基礎(chǔ)選型和設(shè)計的參考依據(jù)。另外，風(fēng)機(jī)本身產(chǎn)生的載荷通過風(fēng)機(jī)支撐的傳遞也會影響到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，例如慣性和重力載荷、空氣動力載荷、運(yùn)行載荷、流體動力載荷等。除此以外，還有海冰載荷、船舶沖擊載荷、海泥載荷(固定基礎(chǔ))、錨鏈載荷(浮式基礎(chǔ))、地震載荷等。

目前，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計中，對載荷的分析方法主要是利用設(shè)計軟件進(jìn)行實景模擬分析，利用分析軟件建立風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、海風(fēng)、波浪模型，進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析。通常將風(fēng)和浪載綜合考慮，往往單純的風(fēng)或浪載比兩者同時作用更加危險，因為兩者可能相互抵消。破碎波和冰載是兩個比較復(fù)雜的載荷，因為它們具備不確定性，可能會導(dǎo)致極限載荷，尤其卷越式破碎波會導(dǎo)致產(chǎn)生波高很大的波浪，從而產(chǎn)生很大的載荷。所以在基礎(chǔ)校核和選型過程中要加以考慮。

4)建設(shè)方法。在海上風(fēng)場建設(shè)過程中，其安裝方法也得到迅速發(fā)展，從傳統(tǒng)吊裝方法到風(fēng)機(jī)整體安裝，再到基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)一體安裝。安裝方法和安裝設(shè)備的選取需要參照基礎(chǔ)的形式，所以建設(shè)方法是基礎(chǔ)選型需要參考的一個方面，最終目的是確定一個經(jīng)濟(jì)快捷的安裝方式來降低安裝成本。

5)成本。在整個風(fēng)場建設(shè)中，海上風(fēng)電基礎(chǔ)成本占整個工程的15%～20%?；A(chǔ)的形式對基礎(chǔ)的成本影響很大，包括設(shè)計、建造、運(yùn)輸、安裝等方面。一般來說，重力式、單樁、多樁、導(dǎo)管架式、浮式等基礎(chǔ)形式的成本依次增加。所以，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型中，基礎(chǔ)成本是必須考慮的一個因素。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計是基礎(chǔ)設(shè)計的核心，由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是風(fēng)機(jī)機(jī)組重要的組成部分，因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計校核中必須把基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)放到整個機(jī)組系統(tǒng)中進(jìn)行分析和檢驗?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括載荷工況的確定、全系統(tǒng)的載荷計算、尾流的影響和處理、極限狀態(tài)分析和疲勞分析。

其內(nèi)容和流程見圖9。

圖9 海上風(fēng)場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

1)載荷工況的確定。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷工況包括正常載荷工況、極端載荷工況、特殊載荷工況、運(yùn)輸載荷工況和海波載荷工況。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的載荷工況受具體的外部條件和自身運(yùn)行條件的共同影響，當(dāng)進(jìn)行機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，載荷工況通常包括正常的外部條件和自身運(yùn)行條件的共同影響，正常的外部條件和故障條件的共同影響，極端外部條件和自身運(yùn)行條件的共同影響。外部條件和自身運(yùn)行條件可以假設(shè)為能夠獨立的統(tǒng)計給出，由于極端的外部條件和故障條件的共同影響很少出現(xiàn)，故在設(shè)計時可忽略不計。設(shè)計時除重點考慮極端載荷工況作設(shè)計計算輸入外，還特別需要分析計算突減海波載荷對機(jī)組整體性能的影響。

2)全系統(tǒng)載荷計算。在海上風(fēng)場基礎(chǔ)形式確定的基礎(chǔ)上，利用專業(yè)的風(fēng)機(jī)機(jī)組分析軟件，建立動態(tài)氣動模型、全系統(tǒng)動力學(xué)耦合模型和結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析模型，對由基礎(chǔ)、塔架、風(fēng)輪、低速軸、液壓制動器、增速齒輪箱、高速軸、發(fā)電機(jī)、并網(wǎng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成的風(fēng)力機(jī)全系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。反復(fù)校核基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、極限載荷估計和疲勞壽命計算等，以滿足設(shè)計要求。

3)尾流影響。對于總占地面積給定的風(fēng)電場，如不考慮各風(fēng)機(jī)尾流的相互影響，則其風(fēng)機(jī)數(shù)量布置越多，單位容量的平均投資成本越低，經(jīng)濟(jì)性越好。但實際上，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過風(fēng)機(jī)后，由于風(fēng)輪吸收了部分風(fēng)能，且轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪會導(dǎo)致湍動能增大，因此風(fēng)機(jī)后風(fēng)速會有一定程度的突變減小，這就是所謂的風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)。

尾流對周圍風(fēng)機(jī)產(chǎn)生影響，因此在結(jié)構(gòu)計算時要考慮其對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。目前，在進(jìn)行風(fēng)電場風(fēng)機(jī)優(yōu)化布置模擬計算時，均忽略了風(fēng)輪的湍流影響，而采用簡化風(fēng)機(jī)尾流線性擴(kuò)張模型，即尾流影響邊界隨距離線性增大模型。

4)極限狀態(tài)分析。隨著海上風(fēng)場的發(fā)展，對風(fēng)機(jī)的安全性和可靠性越來越重視，并且隨著風(fēng)機(jī)容量和結(jié)構(gòu)尺寸的持續(xù)增長的趨勢，風(fēng)機(jī)極限負(fù)載的分析就更加重要。到目前為止，大部分風(fēng)機(jī)主要是因為各種極限狀況的出現(xiàn)而失效，嚴(yán)重的甚至無法修復(fù)。對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析而言，極限狀態(tài)主要包括極限風(fēng)速和極限波浪。一般通過概率統(tǒng)計結(jié)合風(fēng)場的實際情況的方法確定風(fēng)機(jī)的極限參數(shù)，然后利用軟件建立模擬風(fēng)場和波浪模型進(jìn)行分析。

5)疲勞分析?；A(chǔ)疲勞分析是以結(jié)構(gòu)總重量為目標(biāo)函數(shù),以強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及幾何約束為約束條件,利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言(APDL),建立近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的三維有限元分析模型和多設(shè)計準(zhǔn)則、多約束條件的優(yōu)化設(shè)計模型,采用ANSYS軟件中的優(yōu)化設(shè)計模塊,按照用料最少原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,應(yīng)用簡化疲勞分析方法及譜分析方法對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析并估算其壽命。

2.5 防腐設(shè)計

海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)長期暴露于海洋環(huán)境中，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中不同位置的腐蝕程度的不同，可以分成5個部分：海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)。各區(qū)具體特點如下。

1)海洋大氣區(qū)。鋼鐵結(jié)構(gòu)在海洋大氣與內(nèi)陸大氣中有著明顯的不同。海洋大氣濕度大，易在鋼鐵表面形成水膜；海洋大氣中鹽分多，它們積存鋼鐵表面與水膜一起形成導(dǎo)電良好的液膜電解質(zhì)，是電化學(xué)腐蝕的有利條件，因此海洋大氣比內(nèi)陸大氣對鋼鐵的腐蝕程度要高4～5倍。

2)飛濺區(qū)。在該區(qū)內(nèi)的腐蝕，除了海鹽含量、濕度、溫度等大氣環(huán)境中的腐蝕影響因素外，還要受到海浪的飛濺，飛濺區(qū)的下部還要受到海水短時間的浸泡。飛濺區(qū)的海鹽粒子量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于海洋大氣區(qū)，浸潤時間長，干濕交替頻繁。碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速度要遠(yuǎn)大于其它區(qū)域，在飛濺區(qū)，碳鋼會出一個腐蝕峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距離有所不同。腐蝕最嚴(yán)重的部位是在平均高潮以上的飛濺區(qū)。這是因為氧在這一區(qū)域供應(yīng)最充分，氧的去極化作用促進(jìn)了鋼樁的腐蝕，與此同時，浪花的沖擊有力地破壞保護(hù)膜，使腐蝕加速。

3)潮差區(qū)。潮差區(qū)是海洋中從高潮位到低潮位的區(qū)域。在該區(qū)的鋼鐵表面經(jīng)常與飽和了空氣的海水相接觸。由于潮流的原因鋼鐵的腐蝕會加劇。在冬季有流冰的海域，在該區(qū)內(nèi)的鋼鐵設(shè)施還會受浮冰的撞擊，也會加劇鋼鐵的破壞。

4)全浸區(qū)。該區(qū)的結(jié)構(gòu)全部浸于海水中，比如基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的中下部位，長期浸泡在海水中。鋼鐵的腐蝕會受到溶解氧、流速、鹽度、污染和海生物等因素的影響，由于鋼鐵在海水中的腐蝕反應(yīng)受氧的還原反應(yīng)所控制，所以溶解氧對鋼鐵腐蝕起著主導(dǎo)作用。其次是平均低潮位以下附近的海水全浸區(qū)鋼樁的腐蝕峰值。然而，鋼樁在潮差帶出現(xiàn)腐蝕最低值，其值甚至小于海水全浸和海底土壤的腐蝕率。這是因為鋼樁在海洋環(huán)境中，隨著潮位的漲落，水線上方濕潤的鋼表面供氧總要比浸在海水中的水線下方鋼表面充分得多，而且彼此構(gòu)成一個回路，由此成為一個氧濃差宏觀腐蝕電池。腐蝕電池中，富氧區(qū)為陰極，相對缺氧區(qū)為陽極，總的效果是整個潮差帶中的每一點分別得到了不同程度的保護(hù)，而在平均潮位以下則經(jīng)常作為陽極而出現(xiàn)一個明顯的腐蝕峰值。

5)海泥區(qū)。該區(qū)位于全浸區(qū)以下，主要由海底沉積物構(gòu)成。海底沉積物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)隨海域和海水深度的不同而不同。海泥實際是上是飽和了海水的土壤，它是一種比較復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，既有土壤的腐蝕特點，又有海水的腐蝕行為。海泥區(qū)含鹽度，電阻率低，但是供氧不足，所以一般的鈍性金屬的鈍化膜是不穩(wěn)定的。海泥中含有的硫酸鹽還原菌，會在缺氧環(huán)境下生長繁殖，會對鋼材造成比較嚴(yán)重的腐蝕。

另外，在所有海洋環(huán)境中都存在著海生物對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。所有海生物的污損，如苔蘚蟲、石灰蟲、藤壺和海藻等，對碳鋼的腐蝕影響較大。污損海生物能阻礙氧氣向腐蝕表面擴(kuò)散，從而對鋼的腐蝕有一定的保護(hù)作用。但是由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用，使鋼表面形成缺氧環(huán)境，有利于硫酸鹽還原菌的生長，硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)生的硫化氫是強(qiáng)還原劑，對金屬三具有很強(qiáng)腐蝕性。

對于海洋環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，無論是海洋環(huán)境下長鋼尺的掛片試驗，還是實際的生產(chǎn)實踐中，具有很強(qiáng)的規(guī)律性。圖10是鋼樁在美國Kure Beach(基爾海濱)中暴露5 年后的腐蝕示意圖。

圖10 鋼樁腐蝕示意

根據(jù)國內(nèi)外多年的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕實踐經(jīng)驗以及我國目前的技術(shù)能力，對海上風(fēng)場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)宜采取以下防腐蝕措施，防腐蝕措施的使用年限宜在 20年以上。

1)海洋大氣區(qū)的防腐蝕一般采用涂層保護(hù)或噴涂金屬層加封閉涂層保護(hù)。

2)飛濺區(qū)和潮差區(qū)的平均潮位以上部位的防腐蝕一般采用重防蝕涂層或噴涂金屬層加封閉涂層保護(hù)，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金進(jìn)行保護(hù)。

3)潮差區(qū)平均潮位以下部位，一般采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐蝕措施。

4)全浸區(qū)的防腐蝕應(yīng)采用陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕措施或單獨采用陰極保護(hù)，當(dāng)單獨采用陰極保護(hù)時，應(yīng)考慮施工期的防腐蝕措施。

5)海泥區(qū)的防腐蝕應(yīng)采用陰極保護(hù)。

涂料保護(hù)、熱噴涂金屬保護(hù)和陰極保護(hù)都是海洋工程鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用的防腐蝕措施。涂料涂層和金屬熱噴涂層涂層系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)構(gòu)件所處的環(huán)境條件，參照有關(guān)海上鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。陰極保護(hù)是防止金屬腐蝕的一種電化學(xué)防腐蝕保護(hù)技術(shù)，發(fā)明至今已大于 100年的歷史。陰極保護(hù)在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。目前，國外有多個海上風(fēng)場已經(jīng)使用了陰極保護(hù)技術(shù)。

2.6 防沖涮設(shè)計

水流受到基礎(chǔ)阻擋時會形成渦旋，進(jìn)而在基礎(chǔ)與海泥交接處形成沖刷坑。海上風(fēng)機(jī)樁基周圍的沖刷將極大地威脅了風(fēng)機(jī)的安全工作，所以海上風(fēng)機(jī)樁基周圍的局部沖刷防護(hù)具有很大的必要性。通常海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷防護(hù)主要有以下幾種方法。

1)樁基周圍采用粗顆粒料的沖刷防護(hù)方法，采用大塊石頭等粗顆粒作沖刷防護(hù)。

2)樁基周圍采用護(hù)圈或沉箱的沖刷防護(hù)方法，在樁基周圍設(shè)置護(hù)圈(薄板)或沉箱可以減小沖刷深度。

3)樁基周圍采用護(hù)坦減沖防護(hù)，采用適當(dāng)?shù)穆裰蒙疃取挾鹊淖o(hù)坦以達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

4)樁基周圍采用裙板的防沖刷方法，樁基周圍采用裙板起到擴(kuò)大沉墊底部面積作用，將沖刷坑向外推延。

2.7 規(guī)范化設(shè)計

隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，國際電工委員會和國際標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布了多項針對風(fēng)機(jī)設(shè)計和制造的規(guī)范。各個國家如德國、挪威、丹麥等為了規(guī)范統(tǒng)一設(shè)計，根據(jù)國際電工委員會和國際標(biāo)準(zhǔn)組織頒布的規(guī)范進(jìn)行整理，建立了針對性更強(qiáng)的規(guī)范體系。在規(guī)范中，對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法、載荷種類、設(shè)計狀態(tài)、載荷計算、極限載荷分析和外部條件等都有明確的規(guī)定和說明。

3 結(jié)束語

海洋風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展對船廠來說是一全新的領(lǐng)域，除了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)外，船廠可同時投入到海上風(fēng)機(jī)安裝平臺的設(shè)計與制造中，這些都是高附加值的海洋工程產(chǎn)品。相對于傳統(tǒng)的海洋油氣工程，國內(nèi)的海洋風(fēng)電工程與發(fā)達(dá)國家的差距稍小，但行業(yè)經(jīng)驗包括一些設(shè)計指導(dǎo)規(guī)范缺少，需要業(yè)內(nèi)人士和國家有關(guān)部門去填補(bǔ)空白。

[1] ED 003-2007.風(fēng)電場工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)-風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定[S].北京：水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，2005.

[2] 邢作霞，陳 雷，姚興佳.海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的選擇[J].能源工程，2005(6)：34-37.