海上風電場基礎形式及配套施工技術

秦順全，張瑞霞，李軍堂

(中鐵大橋局集團有限公司，武漢 430050)

1 前言

利用清潔的風能資源是全球能源開發的戰略方針［1］。2010年，歐洲海上風電場的開發已步入快速發展期，丹麥、英國、瑞典、德國等主要的海上風電場國家都制定了相應的海上風能發展戰略規劃，世界海上風電裝機容量已經達到了100萬kW，其中大約40%在丹麥。我國首個100 MW東海海上風電場也已在7月份建成并正式并網發電。由于海上風能具有風速高、風速穩定、不占用土地等優點，已成為目前風能發展的趨勢和重點，而在海上建立風電場除了其明顯的優勢外也帶來一些不可避免的問題，其中之一就是其基礎工程的建設成本遠遠高于陸地風機。因此，尋找各個途徑來降低海上風電場建設的成本是海上風機發展的關鍵所在。

2 海上風電場的特點及基礎形式

海上風機基礎與陸地風機基礎相比有以下特點:

1)荷載:有強風、海浪、冰載和腐蝕的作用。

2)地質條件:覆蓋層多為淤泥質土、沙土或無覆蓋層的裸巖，差異性大，施工條件差。

3)運輸條件:只能水運，在灘涂或潮間帶運輸必須采用特制設備。

4)安裝方式:受海浪、強風影響，結構的運輸與安裝需投入大型水上設備，設備調遣使用費高。

就受力而言，海上風電場的基礎與橋梁基礎是大同小異的，因而可以借鑒橋梁基礎的形式，同時海上石油平臺的設計施工理念也值得借鑒。

海上風電場基礎除滿足自身結構的強度、剛度及穩定性外，還要進行動力模態及疲勞分析，以滿足基礎結構在海洋環境中安全可靠的要求。根據海上風機的布局特點和海上施工的具體條件，設計出針對海上風電場的基礎形式，主要有重力式基礎、單樁基礎、群樁基礎、導管架基礎、設置沉箱基礎、沉井基礎及吸力式筒形基礎。

1)單樁基礎:又分鋼樁和鋼筋混凝土管樁兩種基礎形式。鋼樁為 φ3～φ7 m的鋼管，板厚30～60 mm，打入深度在15～50 m，單樁承載力達500～2 600 t，適應于覆蓋層地質及水深在30 m以下區域。其優點:不要求對海床做預先的準備，制造簡單，施工快速，但相對海水較深時柔性大，如圖1所示。鋼筋混凝土管樁直徑 5～6 m，壁厚 50～100 cm，鉆孔深度20～50 m，單樁承載力達1 500～3 000 t，優點:不需要海床的預處理，工廠預制，現場安裝，缺點:需大直徑鉆孔設備，大噸位浮吊吊裝，如圖2所示。

2)群樁基礎:采用小直徑斜鋼管，單鋼管直徑1．5～1．6 m，承臺為鋼筋混凝土結構，具有承載力大，抗水平載荷強的特點，適合有厚覆蓋層、水域較深的區域，水深不大于30 m，缺點是現場作業時間較長，工作量大。如圖3所示。

圖1 鋼管樁基礎Fig．1 Steel tube pile foundation

圖2 鋼筋混凝土管樁基礎Fig．2 RC tube pile foundation

圖3 群樁基礎Fig．3 Group pile foundation

3)重力式基礎:可采用混凝土空心結構，依靠基礎的重力抵抗傾覆力矩，中間填充沙或碎石，適用于硬質地層，水深不大于10 m，其優點是承載力大，穩定性好，如圖4所示，缺點:對海浪的沖刷較敏感，適用于水深較淺、地質條件好的區域，運輸安裝困難。

圖4 重力式基礎Fig．4 Gravity foundation

4)導管架基礎:采用小直徑鋼管打入，端部填塞或成型連接，適合較深的水域，且覆蓋層承載力高，如圖5所示，其優點:對打樁設備要求較低，導管架采用工廠加工，整體運輸安裝，缺點:現場作業時間相對較長。

5)吸力式筒形基礎:鋼箱或鋼筋混凝土結構，基礎浮式運輸，注水下沉，筒內抽水，利用筒內外水頭差產生壓力將基礎下壓入土至設計位置，如圖6所示，適用于水深、砂質性土層，其原理圖式見圖7。已成功應用于海上石油平臺，尚未應用于海上風機基礎。

圖5 導管架基礎Fig．5 Jacket base

圖6 吸力式桶形基礎Fig．6 Suction barrel base

6)設置沉箱基礎:鋼箱或混凝土結構，陸上預制好后，浮式運輸到位，定位后注水著床，底部填沙石壓重，適用于深水基礎，其優點是承載力大，抗水平荷載強，施工快速，缺點:需要地基處理(基底開挖或爆破整平)，需大型浮吊吊裝，配備水運和定位設施。如圖8所示。

7)沉井基礎:鋼筋混凝土沉井結構，優點:承載力大，剛度大，穩定性好，適用于深水，沙質性的覆蓋層地質，缺點:需吸泥下沉設施，如圖9所示。

3 基礎施工

3．1 潮間帶水域(高潮位水深不小于2 m)

潮間帶位于高低潮水位線之間，海灘較平，區域廣闊，在此建設風電場既不影響海灘，又不影響深水區域海上交通和養殖，但在潮間帶建設風電場世界上尚無先例。此水域水流較小，高潮位有水，水較淺，在低潮位露灘，既不能按陸上法施工，又不能按常規的水上法施工，針對此水域的特殊情況，經多方案的比選研究，擬采用水上自升平臺和淺吃水半潛駁兩種專制設備的施工方案。

圖7 吸力式基礎原理圖式Fig．7 of suction base principle

圖8 設置沉箱基礎Fig．8 Set of caisson foundation

圖9 沉井基礎Fig．9 Open caisson foundation

1)自升式平臺施工法:自升式平臺分單、雙船體兩種形式，由標準的集裝箱拼接而成，能組成多種尺寸的工作平臺，適應不同的基礎形式，平臺上帶有起重、發電及生產生活的必備設施，圖10為單船體作業圖，圖11為雙船體作業圖。在高潮位平臺進入墩位處，平臺樁腿插入土中，平臺升出海面，平臺上的履帶吊機配合移動導向架進行單樁基礎、群樁基礎施工以及風機的安裝等。高潮位時升起平臺樁腿，平臺降至海面上，拖至下一風機處施工。

圖10 單船體作業圖Fig．10 Draw ing of the single－ship operation

圖11 雙船體作業圖Fig．11 Draw ing of the double－ship operation

2)淺吃水半潛駁施工法:專制半潛水駁船，可乘潮進去，然后在艙內注水，船體座灘施工，完工后抽出艙內水，船體浮起拖至下一風機位置。船體長寬高尺寸為70 m×50 m×3 m，上平臺尺寸為70 m×70 m，全高11 m，空載吃水為0．8 m，滿載吃水為1．0 m，載重能力1 000 t。船在高潮位時備足1至2個樁位的結構材料攜起重設備進入墩位處座底施工，適用于沙質的覆蓋層，但需要解決在淺吃水時的船體動力問題，如圖12所示。

圖12 半潛駁作業圖Fig．12 Draw ing of the sem isubmersible tug boat

3．2 深水區域(6～30 m)

6～30 m深水水域的單樁、多樁及導管架基礎一般采用打樁船或浮吊配合液壓錘施工。打樁船的選擇由打樁能力和吊裝能力來確定，一般多樁基礎和導管架基礎可采用打樁船直接插打，而對于大直徑的單柱鋼管樁基礎，則需采用大浮吊配合液壓錘進行施工作業。目前，國際上的單樁基礎可做到φ6～φ7 m直徑，樁長達到80 m左右，入土深度超過40 m，對于這種大樁徑的單樁則一般需要用S750～S1800(錘擊能量為750～1 800 kN·m)液壓錘。現以5 MW機組為例，針對不同的基礎形式，選取了不同的液壓錘，計算的主要結果如表1所示。

表1 鋼管樁打樁參數對比表Table 1 Param eters com parison tab le of the steel pipe pile

對于重力式基礎一般采用岸上預制，浮吊整體安裝的方案。對于水較深、承載要求高的風機基礎，可以采用沉井基礎、吸力式筒形基礎或設置沉箱基礎，以設置沉箱基礎為例，其施工流程為:干船塢基礎預制→拖至注水塢浮運至墩位→海床開挖或爆破整平→沉箱注水下沉到位→基礎外防護施工。其施工步驟如圖13所示。

吸力式筒形基礎的施工流程為:干船塢基礎預制→拖至注水塢，浮運至墩位→安裝系泊裝置注水下沉至穩定深度→基礎壁艙內抽水，裙板靠負壓入土下沉至設計位置，其施工步驟如圖14所示。

4 海上風機的安裝技術

海上風機的安裝根據風機類型、塔筒高度、重量等采用散裝和整裝兩種方案。

對潮間帶的海上風機采用散拼方案，利用水上平臺或淺吃水半潛駁安裝風機組。

對于深水區域的風機采用散拼或整裝方案，且以大型浮吊安裝為主。機組整體吊裝涉及機械設備較多，首先在岸邊碼頭上將機組散件拼裝成整體，然后由駁船將整體機組運送至待裝位置，由大型浮吊將機組吊起安裝在已成基礎上。以3．6 MW機組為例，其施工步驟如下:

圖13 設置基礎施工步驟圖Fig．13 Draw ing of the setting the foundation construction step

圖14 吸力式筒形基礎施工步驟圖Fig．14 Draw ing of the suction barrel base construction step

1)選擇碼頭平臺作為拼裝場地，將臨時吊裝支架與碼頭平臺臨時固定。

2)塔筒放入支架內并用螺栓臨時連接，然后依次吊裝(吊具采用柔性吊帶)上部機艙和葉片。

3)大型起重船機將風機整體吊到駁船上，風機與駁船設安全纜風，臨時支架與船體連接固定。

4)駁船將風機運輸至安裝位置，大型起重船將風機吊起安裝到基礎頂面，精確定位后將塔筒底部與基礎頂面固定。

5)拆除臨時支架，進行下一個風機的安裝。

對于5 MW以上的大型風機組，由于整體機組結構重、高度大，采用散拼或整體吊裝等將會對浮吊的吊重、吊高提出更高的要求，相應也會加大施工成本的投入，因此，為減少海上高空作業風險、降低工程費用，風機組安裝方法可采用轉體法、爬升式或自升式的施工方案，這些方法目前還處于研究階段。

5 結語

通過對海上風電場基礎施工及風機安裝技術的分析研究，需根據不同的水深、地質及環境情況設計不同的基礎形式。基礎盡可能采用工廠化生產、大單元運輸安裝的方式以減少海上作業時間。針對不同的施工環境需采用專門研制的安裝設備，如淺吃水半潛駁、水上自升式平臺或大型浮吊等專業設備進行快速施工，同時還要結合風機的高度和重量，選擇不同的吊裝方式。海上風機基礎的設計和施工是海上風電場建設工程的關鍵點，同時也涉及多個技術領域的技術發展及創新，其技術研究成果對推動海上風電場的建設意義重大而深遠。

［1］ 秦海巖，莊岳興，高 輝，等．中國海上風電和大型風電基地發展戰略研究［R］．中國可再生能源規模化發展項目辦公室，2009．