賈曉輝,關(guān)輝

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

淺談國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式與發(fā)展趨勢(shì)

賈曉輝,關(guān)輝

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

本文簡(jiǎn)單介紹了海上風(fēng)機(jī)的各種基礎(chǔ)型式，較為詳細(xì)地對(duì)基礎(chǔ)型式的結(jié)構(gòu)、適用的海域（水深和地質(zhì)）、施工方法、優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外使用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景進(jìn)行了描述，重點(diǎn)是對(duì)浮式和IBGS概念基礎(chǔ)的提出，希望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)同類型或相似工程的投資、設(shè)計(jì)、施工和安裝提供較為多元化的選擇和參考的依據(jù)。

海上風(fēng)電；基礎(chǔ)型式；浮式基礎(chǔ)；IBGS；概念基礎(chǔ)

國(guó)內(nèi)風(fēng)能從剛開始起步時(shí)的補(bǔ)充能源，變成現(xiàn)在的替代能源，是我國(guó)發(fā)展最快的綠色能源。在我國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)快速發(fā)展的近些年，隨著“棄風(fēng)限電”情況的出現(xiàn)和國(guó)家政策的實(shí)施，人們已經(jīng)注意到陸上風(fēng)能利用所受到的一些限制，于是將目光逐漸轉(zhuǎn)向了風(fēng)速大、風(fēng)向較穩(wěn)定的海上風(fēng)能。早在1990年，第一座海上風(fēng)機(jī)在瑞典Baltic Sea海岸架設(shè)成功，人們已經(jīng)看到了海上風(fēng)電的巨大潛力。2006年我國(guó)頒布的《中華人民共和國(guó)可再生能源法》成為推動(dòng)我國(guó)海上風(fēng)能利用的催化劑，2011年國(guó)內(nèi)第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目——上海杭州灣東大橋海上風(fēng)電就是最好的印證。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建成的海上風(fēng)電場(chǎng)投資比例大數(shù)據(jù)的分析，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)成本約占風(fēng)電場(chǎng)總成本的20%～30%，是造成海上風(fēng)電成本較高的原因之一，因此探討合理使用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式成為海上風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式隨著各地迥異的海域、地質(zhì)和天氣等因素也逐漸趨于多樣化，目前國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式可分為四大類：樁承式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)。

1 樁承式基礎(chǔ)

樁承式基礎(chǔ)可分為：?jiǎn)螛痘A(chǔ)、群樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

（1）單樁基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)即單根鋼管樁基礎(chǔ)是由一個(gè)直徑在3～7m之間的鋼管樁構(gòu)成，適用于小于25m的水域，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確。對(duì)于軟土地基可采用錘擊沉樁法，對(duì)于巖石地基可采用鉆孔的方法，也可在巖石地基內(nèi)形成大直徑鉆孔灌注樁。由于該基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，施工成本低，施工過(guò)程易控制，施工單位經(jīng)驗(yàn)較豐富等優(yōu)點(diǎn)，目前成為海上風(fēng)機(jī)的主流基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)外此種基礎(chǔ)型式結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，如中國(guó)的鹽城東臺(tái)項(xiàng)目（2016）、大連莊河項(xiàng)目（巖地鉆孔法）（2017）；英國(guó)的Sheringham Shoal（2012）；丹麥的homs Rev（2009）；愛(ài)爾蘭的Arklow Bank（2003）；荷蘭的WP Q7（2005）等項(xiàng)目。

（2）群樁基礎(chǔ)。群樁基礎(chǔ)中應(yīng)用最為廣泛的是高樁承臺(tái)群樁基礎(chǔ)（有預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)和預(yù)埋錨栓等型式），由基樁和上部承臺(tái)（包括混凝土承臺(tái)和鋼承臺(tái)）組成，適用于5～20m的水域。斜樁基樁沿一定半徑的圓周布設(shè)，對(duì)抵抗水平位移和結(jié)構(gòu)受力較為有利，但樁基相對(duì)較長(zhǎng)，總體結(jié)構(gòu)偏于厚重。因波浪對(duì)承臺(tái)產(chǎn)生較大的頂推力作用，需對(duì)基樁承臺(tái)的連接采取加固措施。目前國(guó)內(nèi)此種基礎(chǔ)型式較為常見(jiàn)，如鹽城響水項(xiàng)目，采用的就是預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)和預(yù)埋錨栓（試驗(yàn)樁）高樁承臺(tái)基礎(chǔ)型式，還有上海東大橋風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，采用8根1～3m直徑的鋼管樁作為基樁，在承臺(tái)底面呈圓周形均勻布置。

（3）三腳架基礎(chǔ)。用三根1～3m直徑的鋼管樁定位于海底，埋置于海床下10～20m的地方，三腳桁架為預(yù)制構(gòu)件，承受上部塔筒荷載，并將應(yīng)力與力矩傳遞于三根鋼樁。三根樁成等邊三角形均勻布設(shè)，樁頂通過(guò)鋼套管支撐上部三腳桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)自重較輕，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，適用于15～30m的水域。目前國(guó)內(nèi)外也有一些項(xiàng)目采用三腳架式基礎(chǔ)，如我國(guó)的南通如東項(xiàng)目（潮間帶）；德國(guó)的Alpha Ventus（2010）中的Multibrid公司的6臺(tái)；瑞典的Nogersund（1990）等項(xiàng)目。

（4）導(dǎo)管架基礎(chǔ)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)是一鋼質(zhì)錐臺(tái)形空間框架，以鋼管為骨架，在陸上預(yù)制完成，再運(yùn)輸?shù)桨惭b點(diǎn)就位，將鋼管樁從導(dǎo)管中打入海底。該基礎(chǔ)強(qiáng)度高，重量輕，承載力大，并能有效解決水下連接問(wèn)題，適用于5～50m范圍內(nèi)的水域，但造價(jià)昂貴，需要大量的鋼材，易受天氣和海浪的影響。導(dǎo)管架基礎(chǔ)是深海海域風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)之一。國(guó)內(nèi)此種基礎(chǔ)型式還在試驗(yàn)階段，如珠海桂山項(xiàng)目，國(guó)外也處于發(fā)展階段，如德國(guó)的Alpha Ventus（2010）海上風(fēng)電場(chǎng)中的6臺(tái)Repower機(jī)組；英國(guó)Beatrice（2006）示范海上風(fēng)電場(chǎng)中的兩臺(tái)5MW機(jī)組、Ormonde（2012）等項(xiàng)目。

2 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)主要依靠自重使風(fēng)機(jī)垂直矗立在海面上，一般為鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，其承載力小、制造工藝簡(jiǎn)單，適合巖土地基及堅(jiān)硬的黏土、砂土，地基必須有足夠的承載力支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自重和環(huán)境荷載等，應(yīng)用于0～10m的水域。

早期的海上風(fēng)電基礎(chǔ)均采用此基礎(chǔ)型式，國(guó)內(nèi)對(duì)此基礎(chǔ)型式還在試驗(yàn)階段，如鹽城響水項(xiàng)目中的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)（復(fù)合筒式結(jié)構(gòu)），采用的就是重力式基礎(chǔ)和吸力式基礎(chǔ)相結(jié)合的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；還有就是瑞典的Lillgrund Oresund（2008）；丹麥的Sprogo（2009）；比利時(shí)的Belwind（2011）等項(xiàng)目。

3 吸力式基礎(chǔ)

吸力式基礎(chǔ)又稱為負(fù)壓筒式基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)分為單筒及多筒吸力式沉箱基礎(chǔ)，是一種新型的海洋工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，適用于地質(zhì)條件為砂性土或軟黏土的各種水深條件風(fēng)場(chǎng)。由于其材料安裝成本低于樁承式基礎(chǔ)，且易于海上運(yùn)輸和安裝而受到海上風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的青睞。

吸力式基礎(chǔ)在海上風(fēng)電場(chǎng)工程的應(yīng)用案例較少，如丹麥的Frederikshaven（2003），由此看來(lái)，吸力式基礎(chǔ)發(fā)展空間較大，但是可靠性還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 浮式基礎(chǔ)

浮式基礎(chǔ)根據(jù)水深、天氣和安裝需求的不同，可分為TLP、Spar、Semi、Barge，是漂浮在海面上的盒式平臺(tái)，再用錨泊系統(tǒng)錨定于海床，適用于大于50m的水域，是未來(lái)深海海域風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

國(guó)內(nèi)此種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式還在學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)階段，目前還沒(méi)有海上風(fēng)電工程采用，國(guó)外此種基礎(chǔ)型式已經(jīng)處于發(fā)展階段，如荷蘭的Blue H Technologies公司在2008年用離岸油井的技術(shù)開發(fā)出世界第一座浮式風(fēng)能發(fā)電機(jī)（80kW），安裝在意大利南部Puglia外海的風(fēng)電場(chǎng)；2009年挪威Karmoy海域的Hywind（采用Spar基礎(chǔ)）；葡萄牙Priciple Power的Wind Float（2011）；University of Maine（2013）造了一個(gè)1：8的大尺度樣機(jī)模型在海上進(jìn)行了試驗(yàn)，基礎(chǔ)配備三個(gè)錨桿和三個(gè)浮箱；在2013年，日本建造了兩個(gè)樣機(jī)：半潛式和Spar式基礎(chǔ)；2017年挪威石油在位于Scotland的Pilot Park浮式風(fēng)電場(chǎng)安裝五臺(tái)6MW風(fēng)機(jī)，基礎(chǔ)采用Spar基礎(chǔ)并通過(guò)錨鏈固定于海床。

5 IBGS概念基礎(chǔ)

IBGS（Inward Battered Guide Structure）概念基礎(chǔ)由Keystone設(shè)計(jì)，并在2016年于美國(guó)境內(nèi)的Block Island海上風(fēng)電場(chǎng)正式投產(chǎn)，此風(fēng)電場(chǎng)為美國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目，項(xiàng)目投資2.9億美元，配備五臺(tái)6MW GE Haliade風(fēng)機(jī)，水深23～28m，產(chǎn)生的電力可滿足Block Island居民90%的能源需求。

如圖1所示，IBGS基礎(chǔ)類似于導(dǎo)管架，但整體結(jié)構(gòu)卻非常緊湊，性能較好，同等條件下比傳統(tǒng)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)也較其減少了9個(gè)，焊接工作量低，建造方便，安裝也較為簡(jiǎn)單。雖然是三腿結(jié)構(gòu)，但其實(shí)是四根基樁，風(fēng)機(jī)中部與中間基樁連接，這對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性有較大幫助。

圖1 導(dǎo)管架和IBGS

相關(guān)資料顯示，Keystone對(duì)于颶風(fēng)條件影響下的導(dǎo)管架基礎(chǔ)做了很多研究，并將其專利IBGS同傳統(tǒng)導(dǎo)管架進(jìn)行過(guò)比較，同樣的風(fēng)機(jī)、同樣的OP條件，在強(qiáng)度、固有頻率都滿足設(shè)計(jì)要求的條件下IBGS比傳統(tǒng)導(dǎo)管架輕20%，安裝成本低20%。IBGS已經(jīng)在英國(guó)作為測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)進(jìn)行了建造安裝，如果真的能夠在實(shí)踐中經(jīng)受住考驗(yàn)，無(wú)疑將在海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式中具有強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了樁承式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)以及相應(yīng)的基礎(chǔ)型式的結(jié)構(gòu)、適用的海域（水深和地質(zhì)）、施工方法、優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外使用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景等有關(guān)知識(shí)，再到IBGS概念基礎(chǔ)的提出，體現(xiàn)了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式的多樣性和復(fù)雜性，既有利于業(yè)主方成本化和合理化投資，又有利于設(shè)計(jì)方因地制宜的設(shè)計(jì)和參考，更有利于施工方對(duì)本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工、安裝和學(xué)習(xí)。

[1]陳達(dá).海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[M].中國(guó)水利水電出版社，2014.1.

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