淺談國內(nèi)外海上風電基礎(chǔ)型式與發(fā)展趨勢

賈曉輝,關(guān)輝

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

淺談國內(nèi)外海上風電基礎(chǔ)型式與發(fā)展趨勢

賈曉輝,關(guān)輝

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

本文簡單介紹了海上風機的各種基礎(chǔ)型式，較為詳細地對基礎(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、國內(nèi)外使用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景進行了描述，重點是對浮式和IBGS概念基礎(chǔ)的提出，希望能夠為國內(nèi)同類型或相似工程的投資、設計、施工和安裝提供較為多元化的選擇和參考的依據(jù)。

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

國內(nèi)風能從剛開始起步時的補充能源，變成現(xiàn)在的替代能源，是我國發(fā)展最快的綠色能源。在我國陸上風電場建設快速發(fā)展的近些年，隨著“棄風限電”情況的出現(xiàn)和國家政策的實施，人們已經(jīng)注意到陸上風能利用所受到的一些限制，于是將目光逐漸轉(zhuǎn)向了風速大、風向較穩(wěn)定的海上風能。早在1990年，第一座海上風機在瑞典Baltic Sea海岸架設成功，人們已經(jīng)看到了海上風電的巨大潛力。2006年我國頒布的《中華人民共和國可再生能源法》成為推動我國海上風能利用的催化劑，2011年國內(nèi)第一個海上風電項目——上海杭州灣東大橋海上風電就是最好的印證。通過對國內(nèi)外已經(jīng)建成的海上風電場投資比例大數(shù)據(jù)的分析，風機基礎(chǔ)成本約占風電場總成本的20%～30%，是造成海上風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)型式成為海上風電發(fā)展的重點。經(jīng)過了20多年的發(fā)展，海上風電基礎(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，目前國內(nèi)外海上風電基礎(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：單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導管架基礎(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)特點是構(gòu)造簡單、受力明確。對于軟土地基可采用錘擊沉樁法，對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)工藝簡單，施工成本低，施工過程易控制，施工單位經(jīng)驗較豐富等優(yōu)點，目前成為海上風機的主流基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外此種基礎(chǔ)型式結(jié)構(gòu)應用較為廣泛，如中國的鹽城東臺項目（2016）、大連莊河項目（巖地鉆孔法）（2017）；英國的Sheringham Shoal（2012）；丹麥的homs Rev（2009）；愛爾蘭的Arklow Bank（2003）；荷蘭的WP Q7（2005）等項目。

（2）群樁基礎(chǔ)。群樁基礎(chǔ)中應用最為廣泛的是高樁承臺群樁基礎(chǔ)（有預埋基礎(chǔ)環(huán)和預埋錨栓等型式），由基樁和上部承臺（包括混凝土承臺和鋼承臺）組成，適用于5～20m的水域。斜樁基樁沿一定半徑的圓周布設，對抵抗水平位移和結(jié)構(gòu)受力較為有利，但樁基相對較長，總體結(jié)構(gòu)偏于厚重。因波浪對承臺產(chǎn)生較大的頂推力作用，需對基樁承臺的連接采取加固措施。目前國內(nèi)此種基礎(chǔ)型式較為常見，如鹽城響水項目，采用的就是預埋基礎(chǔ)環(huán)和預埋錨栓（試驗樁）高樁承臺基礎(chǔ)型式，還有上海東大橋風電場項目，采用8根1～3m直徑的鋼管樁作為基樁，在承臺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，三腳桁架為預制構(gòu)件，承受上部塔筒荷載，并將應力與力矩傳遞于三根鋼樁。三根樁成等邊三角形均勻布設，樁頂通過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。目前國內(nèi)外也有一些項目采用三腳架式基礎(chǔ)，如我國的南通如東項目（潮間帶）；德國的Alpha Ventus（2010）中的Multibrid公司的6臺；瑞典的Nogersund（1990）等項目。

（4）導管架基礎(chǔ)。導管架基礎(chǔ)是一鋼質(zhì)錐臺形空間框架，以鋼管為骨架，在陸上預制完成，再運輸?shù)桨惭b點就位，將鋼管樁從導管中打入海底。該基礎(chǔ)強度高，重量輕，承載力大，并能有效解決水下連接問題，適用于5～50m范圍內(nèi)的水域，但造價昂貴，需要大量的鋼材，易受天氣和海浪的影響。導管架基礎(chǔ)是深海海域風電場未來發(fā)展的趨勢之一。國內(nèi)此種基礎(chǔ)型式還在試驗階段，如珠海桂山項目，國外也處于發(fā)展階段，如德國的Alpha Ventus（2010）海上風電場中的6臺Repower機組；英國Beatrice（2006）示范海上風電場中的兩臺5MW機組、Ormonde（2012）等項目。

2 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)主要依靠自重使風機垂直矗立在海面上，一般為鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，其承載力小、制造工藝簡單，適合巖土地基及堅硬的黏土、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，應用于0～10m的水域。

早期的海上風電基礎(chǔ)均采用此基礎(chǔ)型式，國內(nèi)對此基礎(chǔ)型式還在試驗階段，如鹽城響水項目中的兩臺風機基礎(chǔ)（復合筒式結(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）；比利時的Belwind（2011）等項目。

3 吸力式基礎(chǔ)

吸力式基礎(chǔ)又稱為負壓筒式基礎(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場。由于其材料安裝成本低于樁承式基礎(chǔ)，且易于海上運輸和安裝而受到海上風力發(fā)電行業(yè)的青睞。

吸力式基礎(chǔ)在海上風電場工程的應用案例較少，如丹麥的Frederikshaven（2003），由此看來，吸力式基礎(chǔ)發(fā)展空間較大，但是可靠性還需要進一步的驗證。

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，再用錨泊系統(tǒng)錨定于海床，適用于大于50m的水域，是未來深海海域風機基礎(chǔ)發(fā)展的趨勢之一。

國內(nèi)此種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式還在學習和積累經(jīng)驗階段，目前還沒有海上風電工程采用，國外此種基礎(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能發(fā)電機（80kW），安裝在意大利南部Puglia外海的風電場；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1：8的大尺度樣機模型在海上進行了試驗，基礎(chǔ)配備三個錨桿和三個浮箱；在2013年，日本建造了兩個樣機：半潛式和Spar式基礎(chǔ)；2017年挪威石油在位于Scotland的Pilot Park浮式風電場安裝五臺6MW風機，基礎(chǔ)采用Spar基礎(chǔ)并通過錨鏈固定于海床。

5 IBGS概念基礎(chǔ)

IBGS（Inward Battered Guide Structure）概念基礎(chǔ)由Keystone設計，并在2016年于美國境內(nèi)的Block Island海上風電場正式投產(chǎn)，此風電場為美國第一個海上風電項目，項目投資2.9億美元，配備五臺6MW GE Haliade風機，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)的導管架結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材，同時整個結(jié)構(gòu)節(jié)點也較其減少了9個，焊接工作量低，建造方便，安裝也較為簡單。雖然是三腿結(jié)構(gòu)，但其實是四根基樁，風機中部與中間基樁連接，這對于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性有較大幫助。

圖1 導管架和IBGS

相關(guān)資料顯示，Keystone對于颶風條件影響下的導管架基礎(chǔ)做了很多研究，并將其專利IBGS同傳統(tǒng)導管架進行過比較，同樣的風機、同樣的OP條件，在強度、固有頻率都滿足設計要求的條件下IBGS比傳統(tǒng)導管架輕20%，安裝成本低20%。IBGS已經(jīng)在英國作為測風塔基礎(chǔ)進行了建造安裝，如果真的能夠在實踐中經(jīng)受住考驗，無疑將在海上風電基礎(chǔ)型式中具有強勁的競爭力。

6 結(jié)語

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、國內(nèi)外使用現(xiàn)狀以及發(fā)展前景等有關(guān)知識，再到IBGS概念基礎(chǔ)的提出，體現(xiàn)了風機基礎(chǔ)型式的多樣性和復雜性，既有利于業(yè)主方成本化和合理化投資，又有利于設計方因地制宜的設計和參考，更有利于施工方對本工程風機基礎(chǔ)的施工、安裝和學習。

[1]陳達.海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[M].中國水利水電出版社，2014.1.

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