0 引言

2021年11月，廣西海上風(fēng)電規(guī)劃正式獲得國家能源局批復(fù)，標(biāo)志廣西海上風(fēng)電由規(guī)劃階段進(jìn)入建設(shè)實施階段，其中，先期批復(fù)海上風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)容量750萬千瓦，其中自治區(qū)管轄海域內(nèi)全部4個場址共180萬千瓦，要求力爭2025年前全部建成并網(wǎng)；自治區(qū)管轄海域外擇優(yōu)選擇570萬千瓦開展前期工作，要求力爭到2025年底建成并網(wǎng)120萬千瓦以上。2022年9月，廣西壯族自治區(qū)人民政府發(fā)布的《廣西能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》指出，指出將逐步建設(shè)千萬千瓦級海上風(fēng)電集群，打造風(fēng)電裝備核心產(chǎn)業(yè)基地，構(gòu)建集風(fēng)電裝備研發(fā)設(shè)計、關(guān)鍵裝備制造、裝備配套、總裝集成和海上安裝施工及全壽命周期運(yùn)維于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈，積極穩(wěn)妥推進(jìn)廣西海上風(fēng)電的開發(fā)建設(shè)。

1 廣西海上風(fēng)電發(fā)展基礎(chǔ)及建設(shè)條件

1.1 發(fā)展的基礎(chǔ)

依托北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)，自治區(qū)政府提出打造北部灣海上風(fēng)電基地及“立足廣西、面向東盟”的海上風(fēng)電裝備制造產(chǎn)業(yè)基地，并已初步建設(shè)有現(xiàn)代工業(yè)體系[1]，電網(wǎng)、港口等工基礎(chǔ)設(shè)施支撐，如欽州港、防城港、北海港等，其中防城港最為我國西部第一大港，港口水域掩護(hù)條件好，航道水深穩(wěn)定，可為項目工程建設(shè)施工資源供應(yīng)提供良好條件；此外，鋼材擁有本土生產(chǎn)基地，綜合具備年產(chǎn)鋼2300萬噸的生產(chǎn)能力。

1.2 工程建設(shè)的條件

廣西北部灣海域風(fēng)資源條件中等偏上，工程地質(zhì)、海洋水文及氣象條件良好，以實施建設(shè)的廣西防城港海上風(fēng)電示范項目A場址工程為例，見圖1，位于廣西防城港南部海域，離岸最近距離約15公里，海深15～18m之間，128m水面以上高度平均風(fēng)速6.95m/s，平均風(fēng)功率密度426W/m2，屬近海淺水區(qū)海上風(fēng)電建設(shè)，涉海面積約98.8km2，規(guī)劃總裝機(jī)容量為700MW。場區(qū)北西側(cè)及南側(cè)部分區(qū)域有礁石群分布，場址土層類型主要分布有軟弱土、中軟土、中硬土、堅硬土及巖石，對于海上風(fēng)電基礎(chǔ)沉樁大部分涉及大面積的嵌巖施工，因此，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的選擇決定了后續(xù)項目施工的成本及難度，從工程量的角度分析，廣西前期規(guī)劃海上風(fēng)電項目水深中等，海況條件較好，大直徑單樁基礎(chǔ)和多樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)兩種主流形式混合布置在市場較受歡迎，但項目場址巖面較淺且起伏不定，工程地質(zhì)條件不均勻，選擇淺入泥、重力式、不涉及嵌巖施工的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式更為合理，且復(fù)合筒型基礎(chǔ)振動遠(yuǎn)小于單樁及其他基礎(chǔ)，基本無不均勻沉降，防沖刷效果較好。

圖1 A場址工程海域海圖等深線（10m）對比圖

2 復(fù)合筒基礎(chǔ)浮托一體化的優(yōu)勢

復(fù)合筒型基礎(chǔ)是一個帶有分艙板的開口向下的筒型基礎(chǔ)[2]。復(fù)合筒型基礎(chǔ)形式最早是用于海上平臺的吸力錨，經(jīng)過優(yōu)化后用于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式之一。筒壁材質(zhì)不同而適應(yīng)地質(zhì)條件不同，筒壁為混凝土結(jié)構(gòu)，適用于砂性土質(zhì)；筒壁為混凝土-鋼結(jié)構(gòu)，適用于砂性土-粘性土分層土質(zhì)；筒壁為鋼結(jié)構(gòu)，適用于粘性土土質(zhì)。復(fù)合筒型基礎(chǔ)分為下部鋼筒、混凝土頂板及預(yù)應(yīng)力混凝土過渡段，見圖2。

圖2 復(fù)合筒基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖

復(fù)合筒型基礎(chǔ)優(yōu)勢在于，作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)適用于水深6～20m海域，制造上較其他風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)節(jié)省鋼用量；施工安裝對海況適應(yīng)性高，只對海床淺部地質(zhì)有要求。此外，結(jié)合重力式基礎(chǔ)特點(diǎn)，以頂蓋為主的承載形式在軟土地基上具有更強(qiáng)的抗傾覆能力，同時結(jié)構(gòu)剛度大也有利于降低塔筒重量；在海上運(yùn)輸上，底部筒內(nèi)分艙結(jié)構(gòu)具備自浮能力，以此為降低海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的建設(shè)費(fèi)用，提高海上施工整體效率，復(fù)合筒型基礎(chǔ)浮托一體化工藝應(yīng)運(yùn)而生。

復(fù)合筒型基礎(chǔ)在碼頭進(jìn)行預(yù)制，并通過浮態(tài)拖運(yùn)至風(fēng)機(jī)位，再進(jìn)行沉放作業(yè)，減少海上吊裝作業(yè)時間，大幅降低海上施工成本。將原來需在海上進(jìn)行的安裝工作幾乎都在陸上完成，作業(yè)船只少，傳統(tǒng)基礎(chǔ)形式需要4-6艘大型運(yùn)輸、安裝船舶，而復(fù)合筒型基礎(chǔ)采用一體化浮托安裝，僅需1艏運(yùn)輸安裝船；采用分體式吊裝時間約3～5天，而采用一體化安裝僅需11小時，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，復(fù)合筒型基礎(chǔ)材料建造成本降低10%以上，海上安裝成本可降低30%以上，工程施工總成本可降低15%以上，通過工廠化建造與一體化浮托安裝使得工程效率和經(jīng)濟(jì)效益得到巨大提升。綜上所述，應(yīng)對廣西海上風(fēng)電場址特性、建設(shè)條件及配套產(chǎn)業(yè)設(shè)施，以欽州港、防城港為產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)配套的制造廠，采用復(fù)合筒基礎(chǔ)浮拖一體化工藝，施工上避開嵌巖施工，可幫助實現(xiàn)高效率、低成本、規(guī)?；暮Ｉ巷L(fēng)電建設(shè)的目標(biāo)。

3 復(fù)合筒基礎(chǔ)浮拖一體化工藝介紹

目前國內(nèi)采用該工藝的在江蘇大豐海上風(fēng)電項目，該場址同廣西海上風(fēng)電場址特性較為相似，水深較淺，地質(zhì)屬濱海相沉積地貌單元，表層以砂土、粉土為主，層厚2.50～6.50m。以此為例，對復(fù)合筒基礎(chǔ)浮拖一體化工藝進(jìn)行介紹：

①通過陸上生產(chǎn)線及大型吊裝設(shè)備完成復(fù)合筒基礎(chǔ)制造，利用龍門吊將其吊裝下放至港池內(nèi)，以滿足下一步浮態(tài)拖航作業(yè)要求。

②通過分艙來提高結(jié)構(gòu)的浮穩(wěn)性[3]，利用筒型基礎(chǔ)風(fēng)電結(jié)構(gòu)的自浮能力，與柔性系纜與專業(yè)一體化運(yùn)輸船相連，由運(yùn)輸船轉(zhuǎn)運(yùn)至碼頭，并配合陸上起重機(jī)完成風(fēng)電機(jī)組設(shè)備安裝，將海上風(fēng)電機(jī)組安裝調(diào)試全部轉(zhuǎn)移至碼頭岸上完成，見圖3。

圖3 風(fēng)機(jī)預(yù)安裝圖

③專業(yè)一體化運(yùn)輸船拖航至指定機(jī)位，復(fù)合筒基礎(chǔ)一體化浮托前，利用水動力分析軟件模擬風(fēng)機(jī)氣浮運(yùn)動狀態(tài)，對風(fēng)機(jī)浮托運(yùn)動進(jìn)行模擬分析，實現(xiàn)可視化，保證一步式安裝實施的可行性。實際運(yùn)輸過程中，還應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測振動、傾角以及加速度等數(shù)值。

④到達(dá)指定機(jī)位，一體化專業(yè)運(yùn)輸船采用錨泊或者DP定位方式進(jìn)點(diǎn)就位，通過絞纜或DP系統(tǒng)控制船位緩慢靠近風(fēng)機(jī)設(shè)計機(jī)位，精準(zhǔn)定位至設(shè)計機(jī)位位置。

⑤通過排氣排水調(diào)節(jié)控制各艙內(nèi)外壓力差，使筒型基礎(chǔ)平穩(wěn)沉入海床?；A(chǔ)部分始設(shè)置氣墊和水墊保護(hù)，避免沖擊荷載損傷風(fēng)機(jī)和塔筒[4]。整機(jī)下沉過程監(jiān)測各分艙壓力及傾斜度，出現(xiàn)傾斜時，采取在邊艙施加負(fù)壓的方式加以風(fēng)電安裝船輔助控制進(jìn)行自動化調(diào)平。

⑥沉放完成后需進(jìn)行防沖刷處理，沖刷主要受水流環(huán)境、底床土質(zhì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等方面因素影響，其中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的因素包括基礎(chǔ)形狀、尺寸、水流向與基礎(chǔ)之間的夾角[5]。通過運(yùn)輸船將石料運(yùn)至施工現(xiàn)場進(jìn)行拋填，在石料層增加砂被反濾層，增加基礎(chǔ)周圍抵抗波浪、水流的沖刷能力。

4 廣西復(fù)合筒基礎(chǔ)基礎(chǔ)建造思路

以某項目6MW風(fēng)電機(jī)組配套的復(fù)合筒基礎(chǔ)為例，單個基礎(chǔ)桶徑約45m，桶高13m，總重約5600t，總高度達(dá)40m。由于廣西港機(jī)碼頭配套的港池及起重機(jī)械能力未能達(dá)到吊裝下水的要求，故復(fù)合筒的建造及下水需重新考慮其他方案。

通過調(diào)研分析，考慮復(fù)合筒基礎(chǔ)建造及裝船選擇在船塢進(jìn)行，即可考慮復(fù)合筒基礎(chǔ)選擇在大型船廠進(jìn)行建造，復(fù)合筒考慮在船塢配套的導(dǎo)軌上進(jìn)行建造，建造完成后，船塢先通過排水使塢內(nèi)處于無水狀態(tài)，通過導(dǎo)軌將復(fù)合筒基礎(chǔ)平移至塢內(nèi)。待復(fù)合筒基礎(chǔ)平移就位后，船塢注水調(diào)整塢內(nèi)水深，使復(fù)合筒處于浮態(tài)，見圖4，再將其拖帶至運(yùn)輸船固定裝置上。通過船塢內(nèi)建造的方式，可大大降低對碼頭起重機(jī)的依賴，且在船廠內(nèi)起重機(jī)起重能力未能滿足要求的情況下，可引入大型履帶吊以滿足復(fù)合筒上部結(jié)構(gòu)吊裝要求。

圖4 船塢建造法流程圖

5 船塢建造復(fù)合筒基礎(chǔ)方案

5.1 船塢技術(shù)要求

船塢的主尺度是指船塢的有效長度、塢室的寬度和深度、塢口的寬度和門檻深度。

5.1.1 船塢的有效長度

船塢的有效長度系指塢門內(nèi)壁外緣至塢尾墻底表面在塢底縱軸線上的投影距離。應(yīng)按下式確定：

Lw=Lpp+L

L—工作間距：

除銹、油漆設(shè)施；

活動腳手架；

拆修船體部分空間；

拆卸、復(fù)裝螺旋槳、舵及外抽尾軸。

一般取15～20m（對球鼻首船取大值）。

考慮到單個基礎(chǔ)桶徑約45m，遠(yuǎn)比普通船舶要短，故一般船廠的船塢均可滿足有效長度的要求。

5.1.2 塢室寬度

塢室寬度系指船塢中剖面處的塢底寬度。按下式確定：

BW=B+b

式中：BW——塢室寬度（m）；

B——船舶型寬（m）；

b——船舷兩側(cè)與塢壁間的總工作間距（m）；一般取3～8m，應(yīng)根據(jù)船舶大小、腳手架形式及除銹噴漆設(shè)備的尺度確定。對有防搖鰭的船舶及海損事故船舶的塢修工作，間距應(yīng)據(jù)具體情況另行考慮。

塢口的寬度，一般與塢室寬度相同，但若考慮某些因素而適當(dāng)縮窄，也是可能的，因為塢口處于船尾部，船舶的尾部寬度較小。

考慮到單個基礎(chǔ)桶徑約45m，即需要塢室寬度需在48～53m之間較為合適，即20000t級駁船的建造/維修船塢較為合適。

5.1.3 船塢深度

由于復(fù)合筒基礎(chǔ)進(jìn)出塢的密度遠(yuǎn)比港口碼頭低，故進(jìn)出塢水位不應(yīng)采用港口碼頭的設(shè)計水位，一般每次進(jìn)出塢的操作時間為2～3小時，故對沿海及近海河口地區(qū)的修船塢取持續(xù)時間不小于2～3小時、年保證率為50%～80%的潮位作為進(jìn)出塢的設(shè)計水位，同時考慮在低潮位季節(jié)，滿足進(jìn)出塢的要求。

在進(jìn)出塢設(shè)計水位確定以后，按以下公式確定塢室底標(biāo)高：

HD=HW-TK-h-a

式中：HD——塢室底標(biāo)高（m）；

HW——進(jìn)出塢設(shè)計水位（m）；

TK——設(shè)計船舶進(jìn)出塢時的最大吃水（m）；

h——船塢中龍骨墩高度（m）；一般取1.2～1.8m；

a——富裕水深（m）；一般取0.5～1.0m，大船取大值，小船取小值。

塢口門檻頂標(biāo)高可高于塢底，一般高0.5m以上，但應(yīng)低于中龍骨墩頂面至少0.5m。

考慮本次調(diào)研的復(fù)合筒基礎(chǔ)吃水約10m，故船塢設(shè)計塢室底標(biāo)高HD應(yīng)大于15m。

由上述分析可知，綜合復(fù)合筒對船塢主體尺寸的要求，船廠配備的船塢若能滿足20000t船舶維修/建造的要求，則可滿足復(fù)合筒基礎(chǔ)的建造及發(fā)貨要求。

5.2 船塢選址

考慮到復(fù)合筒建造完成后高度較高，若考慮風(fēng)電機(jī)組一同安裝在其上再進(jìn)行整體運(yùn)輸，則浮拖運(yùn)輸?shù)耐ê礁叨纫髣t非常高，故船塢選址應(yīng)盡量選擇在沿海地區(qū)，河內(nèi)航道盡量避免通過橋梁，廣西北部灣區(qū)域具備有優(yōu)良的港口條件。經(jīng)調(diào)研，中船廣西船舶及海洋工程有限公司具備年修理改裝10萬噸級各類船舶及海洋工程裝備，建造2萬噸級以下各類船舶，生產(chǎn)風(fēng)電塔、導(dǎo)管架等大型鋼結(jié)構(gòu)件的能力，符合復(fù)合筒基礎(chǔ)制造及運(yùn)輸要求。

6 總結(jié)

廣西海上風(fēng)電發(fā)展建設(shè)從近海淺水區(qū)起步，在存在水深較淺及大面積嵌巖的問題下，結(jié)合政府規(guī)劃下的北部灣區(qū)域海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)?；亟ㄔO(shè)，引用復(fù)合筒基礎(chǔ)一浮拖一體化安裝工藝進(jìn)行海上風(fēng)電建設(shè)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，大幅度降低工程量及船機(jī)投入，可實現(xiàn)基礎(chǔ)批量化建造、整機(jī)運(yùn)輸及一體化安裝，對廣西海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模化有較好的幫助。