王力群 胡海娟

摘要：海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。目前包括上海在內(nèi)，國(guó)內(nèi)沿海眾多省市都在規(guī)劃建設(shè)近海風(fēng)電場(chǎng)。發(fā)電成本是海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占15～25 %，而陸上風(fēng)電場(chǎng)僅為5～10 %。因此，發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風(fēng)電成本的一個(gè)主要途徑，基于我國(guó)海洋工程技術(shù)和海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平，提出發(fā)展我國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗關(guān)系到我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)能否持續(xù)穩(wěn)定和健康的發(fā)展，不論是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還是發(fā)展新的結(jié)構(gòu)型式，都必須立足于降低成本，這是發(fā)展海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的唯一出路。因此，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)首先選用海上風(fēng)電的設(shè)計(jì)規(guī)范，特別是關(guān)于安全理念和極限狀態(tài)應(yīng)考慮海上風(fēng)電的特點(diǎn)，以避免行業(yè)特點(diǎn)的差異而使海上風(fēng)電的成本難以控制或造成安全隱患。我們應(yīng)該把設(shè)計(jì)理念調(diào)整到海上風(fēng)電的設(shè)計(jì)理念，選擇適合我國(guó)國(guó)情的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使我國(guó)的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)走上良性發(fā)展的軌道，并快速穩(wěn)步地發(fā)展。

一、慨述

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)始終遵循安全、經(jīng)濟(jì)的基本理念，目前，制約海上風(fēng)電發(fā)展的根本因素是發(fā)電成本。海上風(fēng)電的成本高出陸上風(fēng)電一倍左右，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)造價(jià)高是主要原因之一。因此，降低基礎(chǔ)的成本是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。與海洋石油平臺(tái)不同的是，海洋石油是高風(fēng)險(xiǎn)高收益的行業(yè)，因此，海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念是安全、快速，其次才是經(jīng)濟(jì)性。其安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)橐坏┌l(fā)生事故，其經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海洋平臺(tái)本身的投資成本。而海上風(fēng)電則有所不同，其發(fā)生事故的經(jīng)濟(jì)損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于海洋石油，因此，其安全性與經(jīng)濟(jì)性的綜合平衡是降低成本的關(guān)鍵。如果采用與海洋平臺(tái)相同的安全性，則海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將難以擺脫高發(fā)電成本的困擾。因此，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面有別于海洋石油平臺(tái)。

二、海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

作用在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的荷載包括風(fēng)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載和海洋環(huán)境荷載，風(fēng)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)荷載是由風(fēng)和風(fēng)機(jī)葉片[ 2] 采用氣動(dòng)彈性方法計(jì)算作用在葉片、風(fēng)輪機(jī)及水面上結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力荷載，采用非線性彈簧和阻尼器模擬樁-土相互作用，研究了單樁結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪作用下的動(dòng)力耦合響應(yīng)問(wèn)題。研究表明，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性有較大的影響，因此，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型作為系統(tǒng)氣動(dòng)彈性模型的一部分是非常重要的。它不僅影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，而且影響系統(tǒng)其它組成部分的設(shè)計(jì)荷載，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)極端響應(yīng)分布的統(tǒng)計(jì)不確定性進(jìn)行了貝葉斯分析，結(jié)果表明，極端響應(yīng)的概率分布符合韋伯分布。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式有較大區(qū)別，且水深較淺。因此，波浪荷載的計(jì)算多采用非線性波模型，[3] 研究了非線性波與海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模擬問(wèn)題，提出了一個(gè)新的模擬非線性波與任意截面形狀直立結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值方法。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要特殊的算法來(lái)模擬破碎波。采用線性和非線性波浪模型研究了波浪運(yùn)動(dòng)模型、波浪荷載模型和結(jié)構(gòu)模型對(duì)確定海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力荷載的影響。研究表明，采用線性波模型計(jì)算海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力荷載是不安全的，應(yīng)該采用非線性波模型。研究表明，結(jié)構(gòu)的最大流體動(dòng)力荷載出現(xiàn)在強(qiáng)非線性非破碎波條件下。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)機(jī)規(guī)格越來(lái)越大，水深越來(lái)越深，使得傳統(tǒng)固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一階固有頻率降至0 .25 ～0 .35Hz 之間。因此，多頻率成分波浪譜的模擬對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得格外重要。線性波模型不能模擬第二個(gè)譜峰，必須采用非線性波模型。

三、關(guān)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思考

1、關(guān)于參考規(guī)范。我國(guó)從事海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的單位包括水電、火電、港工和海工等不同行業(yè)的設(shè)計(jì)部門(mén)，在國(guó)家政策的引導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)商和設(shè)計(jì)人員基于各自行業(yè)的特點(diǎn)、發(fā)揮各自行業(yè)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)出了一些帶有明顯行業(yè)特征的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，使我國(guó)的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有了較大的發(fā)展。由于發(fā)展速度較快，目前，我國(guó)的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和安裝尚沒(méi)有正式納入第三方認(rèn)證和入級(jí)范圍，因此，不同型式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也來(lái)自于相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范。針對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)參考相應(yīng)的規(guī)范是合理的，但是，應(yīng)根據(jù)海上風(fēng)電的特點(diǎn)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)合理地選取相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)參數(shù)，避免直接套用相關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。與海洋石油相比，海上風(fēng)電的風(fēng)險(xiǎn)性小、收益低、事故損失輕微，因此，參考海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，要酌情考慮這些因素，適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的安全級(jí)別。而與港工和水工結(jié)構(gòu)相比，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命較短，因此，參考港工和水工設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，環(huán)境荷載應(yīng)取較低的值。此外，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的混凝土結(jié)構(gòu)或灌漿結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮交變荷載效應(yīng)，它不僅影響結(jié)構(gòu)本身的承載能力，而且影響地基土的承載能力，這與一般的港工和水工結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別。規(guī)范帶有行業(yè)的特色，不同行業(yè)的規(guī)范自成體系，盡管不同行業(yè)的結(jié)構(gòu)形式和所用材料可能是相同的，但由于行業(yè)的特點(diǎn)，它們的服役狀況卻是不同的，行業(yè)規(guī)范正是在這一點(diǎn)上有所區(qū)別，因此，應(yīng)盡可能采用同一體系的規(guī)范指導(dǎo)一個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2、關(guān)于結(jié)構(gòu)型式。目前，海上風(fēng)電場(chǎng)的固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有三種型式—樁基礎(chǔ)、負(fù)壓筒基礎(chǔ)和重力基礎(chǔ)，其中樁基礎(chǔ)的適用性最強(qiáng)，對(duì)海床沒(méi)有特殊要求且適用于任何水深。而重力式基礎(chǔ)不適用于軟基或沖刷海床，負(fù)壓筒基礎(chǔ)則對(duì)土的性質(zhì)敏感。由于海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的彎曲作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海洋石油平臺(tái)，因此，要求基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有良好的抗彎曲承載能力。同時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和脈動(dòng)風(fēng)的影響將導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受較大的交變荷載作用。因此，反復(fù)荷載作用引起的地基土弱化問(wèn)題比較突出。承受交變荷載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮主要是通過(guò)疲勞分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的，盡管疲勞計(jì)算的準(zhǔn)確性仍有待深入的研究，但滿足工程應(yīng)用問(wèn)題已基本解決。我國(guó)在建和投入運(yùn)營(yíng)的海上風(fēng)電場(chǎng)主要集中在東海。東海的海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)較差，有兩座位于潮間帶。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式主要為高樁承臺(tái)、單樁，還有一座試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)采用了負(fù)壓筒基礎(chǔ)。[1] 由于這些風(fēng)電場(chǎng)的淤泥質(zhì)和沖淤海床特點(diǎn)，就適用性而言，樁基礎(chǔ)是較好的選擇，而水深較淺更適合單樁和三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)海床土的往復(fù)荷載性能給予特別的考慮，對(duì)于單樁結(jié)構(gòu)還應(yīng)重點(diǎn)考慮灌漿結(jié)構(gòu)承受往復(fù)荷載的能力。與這兩種結(jié)構(gòu)相比，高樁承臺(tái)的成本較高，設(shè)計(jì)時(shí)除地基土的往復(fù)荷載性能外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮樁與混凝土結(jié)合處的往復(fù)荷載承受能力以及腐蝕后的樁頂強(qiáng)度和樁與承臺(tái)的粘結(jié)強(qiáng)度。

我國(guó)正在大規(guī)模的開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，迫切需要開(kāi)發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。盡管國(guó)外現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式可借鑒適用，但由于國(guó)情不同，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)并不是最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。為了我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展，必須開(kāi)發(fā)出符合我國(guó)國(guó)情，且經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔旭東，魏宏偉，亓發(fā)慶.某海灣北部淺海區(qū)海洋工程地質(zhì)特征[J] .海岸工程，2016，25（2）：47 -54 .

（作者單位：明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司）