上海東海大橋海上風電場規劃建設關鍵技術研究

陸忠民

(上海勘測設計研究院，上海 200434)

1 前言

在當前全球煤炭、石油、天然氣等化石能源資源日益匱乏，溫室氣體排放威脅人類生存環境的嚴峻形勢下，風能作為一種在自然界中可以不斷再生、永續利用的能源資源，以其蘊藏量巨大、分布廣泛、無污染等優勢，越來越受到世界各國的重視。隨著開發技術的提高，發電成本的降低，風力發電已成為目前新能源領域中最具規模開發條件和商業化發展前景的發電方式之一。目前我國陸地風電已進入了規模化的開發階段。

我國沿海地區經濟發達，電力需求巨大，而近海地區風能資源相當豐富，海上風電開發得到了我國政府的高度重視。為了促進海上風電的開發建設，在我國第一個海上風電場——上海東海大橋海上風電場的規劃建設中，對風電場的風能資源、規劃選址、升壓方式、風機基礎選型、基礎施工、風機安裝等問題進行了大量的研究，探索和積累了海上風電規劃、設計和建設經驗。

2 海上風電場選址

上海市位于我國東部沿海，屬東亞季風盛行地區。根據風能資源分析評價，風力資源較為豐富，風資源分布以外海最大，灘涂沿岸次之，向內陸風速逐漸減小。

上海市近海海域具備建設海上風電場的風資源條件，海上風電場的規劃選址應盡量滿足相關區劃、規劃的要求，協調與城市規劃、海事、海洋、軍事、航運、漁業及環境生態保護的關系，具備較好的水文地質、并網、交通運輸和施工安裝等場址建設條件，并通過多方面綜合比較確定。海上風電場工程選址的具體原則如下:

1)具有豐富的風能資源，接入電網系統近;

2)符合上海市海洋功能區劃、岸線規劃以及有關海洋自然環境保護規定;

3)避開港區、錨地、航道、海底管(纜)線、軍事等區域以及建(構)筑物;

4)不影響防汛、航空安全;

5)有利于風機基礎施工和風機安裝;

6)工程技術、經濟合理。

東海大橋海上風電場選址在東海大橋的東側，最近端離大橋1 km，東側、北測以海底光纜和管線為控制邊界，南側靠近浙江海域邊界，中間有通行1 000 t級船舶的航道穿越［1］。

根據風場海域風向、風能玫瑰圖確定的主導風向，擬定了多種風機布置方案進行比較，以盡量減小尾流影響，使發電量最大，以合理確定風機的行距和列距。選定的風機東西向間距為500 m，南北向為1 000 m，風場海域面積為14 km2。安裝34臺3 MW的離岸型風電機組，總裝機容量100 MW。東海大橋海上風電場位置如圖1所示。

圖1 風電場位置Fig．1 Location of w ind farm

3 場址建設條件

3．1 風能資源

根據上海市南匯、奉賢、崇明等氣象站以及蘆潮港、東海大橋等測風塔資料分析，風電場代表年主風向基本為E—SSE方向，方向比較穩定;90 m高度年平均風速在8 m/s左右，風速在3．5～25 m/s的出現頻率占96%，年平均風功率密度662W/m2。

臺風是上海地區危害性最嚴重的大風天氣。影響上海近海海域的臺風路徑主要有兩類，第一類是近海北上轉向路徑，即從菲律賓以東向西北方向移動，進入東海后轉向東北的;第二類是登陸路徑，即從菲律賓以東向西北方向移動，主要在福建、浙江、臺灣一帶登陸的，其中在上海以南登陸的占85%，直接登陸上海的臺風很少，1949年以來共有3次。上海近海海域出現12級及以上臺風的概率很低，經分析50年一遇的最大風速為36 m/s。

3．2 海洋水文

風電場海域潮汐為非正規半日淺海潮，潮位每天兩漲兩落，具有明顯的往復流特性，漲、落潮流向基本為東西向。極端高潮位采用50年一遇高潮位，為3．68 m。設計表層潮流流速為3．15 m/s。

3．3 地形地質

工程區處于長江下游三角洲沖積平原，地貌上屬潮坪區，基巖埋藏深，區域構造穩定性較好。場址海域地勢平坦，海底高程一般在－10 m左右，附近無深切溝槽，場地穩定性較好。海床表層主要為淤泥，其下分別為淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土、粉質粘土、砂質粉土、細砂、中粗砂等。其中上部軟弱粘性土厚度一般超過20 m，下部粉砂層作為樁基持力層。

海水對混凝土結構有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土中鋼筋長期浸水、干濕交替時分別為弱腐蝕性、強腐蝕性，對鋼結構具有中等腐蝕性。因此，應根據工程對耐久性要求采取相應的防腐蝕措施，同時采用高抗滲性混凝土。

4 海上風電場升壓方式

目前海上風力發電機出口電壓大多在1 000 V以內，自帶升壓變壓器，組成一機一變的單元接線方案。東海大橋海上風電場各臺風機升壓變壓器高壓側電壓采用35 kV，通過海底電纜接入風電場升壓變電站后送入上海市電網。風電場最遠的風機距上海南匯岸陸約13 km，最近端約8 m。對陸上升壓變電所和海上升壓變電所兩種方案進行了技術經濟比較。對于陸上升壓變電所方案，升壓變電所設在陸上，每臺風機采用35 kV海底電纜分組集線后直接送到陸上的升壓變電所。對于海上升壓變電所方案，升壓變電所建在海上，各臺風機接入變電所升壓到110 kV或以上電壓后通過海底電纜送入陸上。

從技術角度看，陸上升壓變電所運行維護環境好，施工建設方便，但電纜電能損耗相對大些，回數較多，需要的海域面積也相對較大。對于海上升壓變電所方案，可以在海上就近升到較高的電壓，電能輸送損耗較低，占用的海域面積較小，但要建設海上升壓平臺，基礎和設備要滿足海上的惡劣環境，運行管理和維護條件相對較差，施工難度相對較高?？紤]到該工程風場離陸地的距離不太遠，陸上升壓變電所方案施工和運行管理方便，在技術和經濟方面有一定的優勢，因此根據風電場場內風機布置，采用8～9臺風機組合成一個聯合單元，通過四回集電線路接入陸上110 kV升壓站。

5 風機基礎方案選擇和設計

5．1 風機基礎形式選擇

海上風機和基礎除了承擔自身結構和設備重量、運行動力載荷外，還承受風、浪、流、冰、漂流物撞擊、地震等可變荷載的作用，具有結構重心高、受力復雜、環境惡劣等特點。

近海風電場固定式基礎結構形式多種多樣，有單樁基礎、導管架基礎、重力式基礎等。歐洲海上風電場中單樁基礎應用十分廣泛，一般適用于水深在20 m以內的砂土海床，具有結構簡單、施工速度快等優點，由于單樁直徑往往在5 m以上，需要較大的打樁設備才能施工。對于導管架基礎，一般在陸上制作好整個基礎鋼結構后，利用大型起吊設備將基礎吊放到預定的海床上，然后在樁腿套管內打鋼管樁進行固定，這種基礎結構剛度比單樁大，可以適應較大的水深，但水下鋼結構復雜，防腐性要求高，運行維護難度大。重力式基礎一般適用于水深較淺、地基承載力較高的海床條件。單樁和導管架基礎方案分別見圖2、圖3。

圖2 單樁基礎Fig．2 Single pile foundation

東海大橋海上風電場風機基礎在考慮海床局部沖刷后的水深在15 m左右，樁基上部土層主要為軟弱的粘性土。根據環保要求，為了盡可能減小對海洋生態的不利影響，該區域海床不能采取大范圍硬化表層軟土的措施。因此如采用單樁基礎，樁的直徑超過6 m，施工難度很大。對于導管架基礎，根據該風電場的水深條件，提出了三角架組合式基礎和四角架組合式基礎兩種方案，由于該地區潮流較大，海床表面土層是淤泥或淤泥質土，在基礎構架安放和打樁期間要維持基礎的穩定并將位移控制在允許范圍是十分困難的。同時，由于有一條航道穿越該風場，兩側的風機基礎要具有抵抗船舶撞擊的能力。如果采用單樁和導管架方案，需要另外增加防撞樁或防撞構件加以保護，其保護費用巨大。

圖3 導管架基礎Fig．3 Jacket foundation

為此，結合我國市政橋梁和港口碼頭建設經驗，提出了高樁混凝土承臺基礎方案，基樁的直徑可大大減小，混凝土承臺有類似工程的施工經驗，并且通過適當控制承臺高程用鋼筋混凝土承臺抵抗船舶的撞擊，不需另外設置防護樁。雖然該方案施工工序較多，但具有結構剛度大、施工風險可控、總造價低的優點，因此對具有防撞要求的風機基礎，采用高樁混凝土承臺基礎是適宜的。該基礎方案如圖4所示。

圖4 高樁承臺基礎Fig．4 H igh －rise pile cap foundation

5．2 海床沖刷深度研究

在砂土質海床上建設建(構)筑物后，由于這些結構局部改變了水流流場、局部加大了流速，會引起基礎及周邊區域海床的局部沖刷。沖刷深度確定的準確與否關系到建筑物的安全和工程投資。東海大橋海上風電場位于杭州灣口門北側，為強潮流海域，因此在基礎設計中一定要仔細研究和合理確定風電場建成后海床可能的沖刷深度。

判別沖深的方法有數值分析法、物理模型試驗法和經驗類比法等。數值分析方法是根據區域地形、海床底質、建筑物布置、潮流等情況，通過建立杭州灣和長江口地區潮流數值模型，計算該風電場和建筑物局部區域的流場分布，分析沖淤深度和范圍。物理模型試驗是指在試驗水池中按一定比例建立模型，模擬風場地形、海床砂土、基礎等，根據不同的潮流條件模擬海流運動，試驗出基礎海床的極限沖刷深度和范圍。經驗類比法就是利用附近類似的海上建筑物基礎沖刷情況推測該工程的沖刷深度。

經多種手段的試驗研究分析，認為東海大橋海上風電場建設對工程區周邊海域影響很小，只對工程區基礎局部流場有影響，影響基礎沖刷的主要動力是基礎尾流旋渦和側向繞流，最大沖刷深度約為6 m。

5．3 基礎結構分析

高樁承臺基礎上部承擔風機傳來的荷載，下部受到波浪、潮流、船舶撞擊力等的作用。從結構受力來看，由于上部風機與下部承臺、樁基是一個連續、整體結構，在計算上部風機荷載時必須考慮作用在下部基礎上的波浪、潮流、撞擊力等荷載，風機與基礎結構靜力、動力分析需整體考慮才能反映結構的受力狀況。風機、波浪、海流等荷載是一種周期性的循環荷載，基礎結構在長期循環荷載作用下容易產生疲勞破壞，需要進行疲勞強度分析，保證結構安全和使用壽命。

6 基礎樁承載力試驗

風機基礎下部鋼管樁直徑大、入土深度深、承載力要求高，這種大直徑鋼管樁的承載力試驗經驗較少。為確保工程設計和施工的安全可靠，工程實施前需要在工程海域進行樁基承載力試驗。通過現場試驗，確定鋼管樁的豎向和水平極限承載力，并獲取土層的側阻、端阻力和樁身的應力及變形數據，為樁基設計提供可靠的數據。海上風機樁基礎承受的荷載通常都很大，如果采用傳統的堆載靜載法或錨樁反力靜載法進行試驗，需要很大的堆載量和錨樁數量，試樁成本很高。近年來出現的自平衡法［2］為海上樁基承載力試驗提供了一種新的手段。東海大橋海上風電場鋼管樁承載力試驗中，對直徑1．70 m的鋼管樁分別采用自平衡法、錨樁反力靜載法、高應變動測法進行豎向承載力試驗。試驗分析表明，現場試樁抗拔極限承載力值比按規范選用的經驗參數算得的承載力值要偏小些，因此對于大直徑鋼管樁，試樁前按規范經驗參數計算抗拔極限承載力時，在樁承載力安全度方面應留有余地。

自平衡法的試驗原理見圖5，該方法采用在樁身內部某位置預埋加載設備，通過加載設備將樁身的一部分往上頂，另一部分向下壓，同時測量樁側和樁端的阻力。該方法利用樁身上、下兩段阻力的相互平衡互為反力，免去了傳統方法中的堆載或錨樁，試驗費用相對低廉。自平衡法的缺點是使樁身上頂段和下壓段同時達到承載極限狀態的試驗載荷箱的位置難以精確確定，從而影響對極限承載力的精確判斷。另一方面，在試驗中樁身上、下兩段的側阻分別為抗拉側阻、抗壓側阻和端阻之和，對試驗成果需要進行轉換，因此合理選擇加載設備的埋設位置是自平衡法試驗的關鍵。試驗時應注意以下幾個方面:

圖5 自平衡法試驗原理Fig．5 Testing princip le of self－ balanced method

1)試驗前樁內取土以及樁壁變形，會對樁周土造成一定程度的擾動，因此在加載試驗前應有一段土體恢復的時間;

2)對于承載力較大的樁，為了提高試驗精度，充分利用樁的實際承載能力，適當增加試驗加載分級數，以減小每級試驗加載量;

3)對于抗拔樁，為比較準確地測量樁的承載力，試樁長度應比工程樁適當加長，試驗加載設備宜埋設在與工程樁端同一位置，下部增加的樁長以能提供足夠的試驗反力為宜。

7 風機基礎施工

東海大橋海上風電場高樁承臺基礎主要包括鋼管樁、鋼筋混凝土承臺、塔筒過渡段。由于低潮時防止船舶直接撞擊下部基樁的需要，經綜合考慮承臺底高程選擇在－0．30 m，處于多年平均潮位與多年平均低潮位之間，承臺下部結構大部分時間處于水下?；炷脸信_需要立模板施工，高程較低的模板要承受水壓力和波浪壓力。為此，承臺鋼筋混凝土采用可重復利用的鋼套箱作為施工模板，鋼套箱分塊之間、鋼套箱與鋼管樁之間進行密封處理，整體結構要有足夠的強度、剛度及防滲性能。承臺鋼套箱在工廠內整體加工制作，通過運輸船舶運到現場后安裝到基樁上。

在承臺封底混凝土澆注完成后，清理工作面，排除套箱內積水，采用特殊的調平裝置安裝固定過渡段塔筒，綁扎鋼筋，固定預埋件、冷卻水管，分層連續澆注混凝土。施工中必須注意過渡段塔筒的變形和混凝土的防裂。

8 風機安裝

根據國外海上風機吊裝經驗，風機安裝有分體吊裝和整體吊裝兩種方案。

整體吊裝方案就是在陸上將葉片、輪轂、機艙、塔筒組裝成一體，用船運到現場，然后在海上對風機進行整體吊裝。該方案需要陸上的拼裝場地和碼頭，風機拼裝在環境較好的陸上完成，海上吊裝的作業時間短，風機整體吊裝施工難度大，國內還沒有先例。

對于分體吊裝方案，由于海床表面為淤泥，用帶支腿的移動吊裝平臺施工難度比較大，水深條件適宜時，可利用改裝的、座底海床的浮塢作為海上拼裝和吊裝平臺，將塔筒、機艙、葉片依次吊到風機基礎上。該吊裝方案與陸上基本一致，技術相對成熟，海上吊裝作業時間比較長，受海上氣候影響較大。

東海大橋海上風電場在比較上述兩種吊裝方案后最終選擇了整體吊裝方案，利用以前東海大橋施工遺留下來的沈家灣預制基地，經改造作為風機陸上拼裝基地，在場地上布置了葉片、輪轂移動平臺，在碼頭上安裝了起重機和風機工裝塔筒，改裝了半潛駁作為風機整體運輸船。陸上拼裝步驟為:先將三個葉片與輪轂組裝成一體，將機艙吊到工裝塔筒上，然后將葉片與輪轂連到機艙上，再將葉片和機艙吊到固定在半潛駁上的塔筒上，每條半潛駁上可安放兩臺風機。將風機運到海上預定位置后，利用2 400～2 600 t的大型浮吊，通過專門開發的軟著落系統將風機和塔筒整體吊到基礎上。風機陸上拼裝和海上整機吊裝分別如圖6、圖7所示。

圖6 風機陸上拼裝Fig．6 Land assembly of WTG

圖7 風機海上整體吊裝Fig．7 Lifting on sea area of W TG as a whole

9 結語

通過對上海東海大橋海上風電場的選址、風電場升壓方式、基礎選型和設計、海床沖刷、樁基承載力試驗、基礎施工、風機吊裝等技術研究和工程實踐，得出如下主要結論:

1)海上風電場選址應符合海洋功能區劃，滿足港口、航道、岸線、漁業、軍事、環保、現有建(構)筑物安全等要求;

2)在近海風場，采用風機自帶變壓器升壓到35 kV后分組直接接入陸上升壓變電站的布置方式是可行的，變電站運行維護較為方便;

3)海上風機基礎形式應根據水文氣象和地質條件、風機設備和環境要求、結構受力、施工能力、經濟合理等綜合因素比較選定，采用高樁承臺結構適合該工程特點，能較好地適應船舶撞擊問題;

4)對于海上風機和基礎結構，需將上部與下部結構連在一起整體分析計算，大直徑鋼管樁的極限承載力必須通過承載力試驗加以確定;

5)基礎承臺可利用鋼套箱形成干地施工條件，采取溫控措施，可以一次澆搗承臺混凝土，提高承臺結構的整體性;

6)海上風機有整體吊裝、分體吊裝兩種方案，采用海上整體吊裝是可行的，可以盡可能縮短海上吊裝施工時間，加快施工進度。

［1］ 上?？睖y設計研究院．上海東海大橋近海風電場工程可行性研究報告［R］．上海:上?？睖y設計研究院，2007．

［2］ 中華人民共和國交通運輸部．JT/T 738－2009基樁靜載試驗自平衡法［S］．北京:人民交通出版社，2009．